腎動脈消融（Renal denervation，簡稱RDN）是一種治療高血壓的辦法，其基本原理為利用插入腎動脈的電極消融導(dǎo)管進行射頻消融，使腎動脈血管壁附近的交感神經(jīng)因高溫而損傷失活，減少神經(jīng)系統(tǒng)過度活躍的信號刺激。

RDN原理示意圖（圖源：www.cirse.org）

RDN治療過程對治療區(qū)域的溫度控制有很高要求，溫度太高會導(dǎo)致腎動脈的血管受損；溫度太低治療無效。因此利用ANSYS Fluent仿真，了解血管和周圍軟組織的溫度分布情況，確保溫度處于合適范圍內(nèi)。

(資料圖片)

一

Fluent案例：腎動脈RDN治療過程的仿真

仿真思路概述

計算域如圖所示，包括血液、血管壁、周圍組織。消融設(shè)備僅保留和血液接觸的外表面，不考慮內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

此問題同時涉及三個物理場：電場、流場、溫度場。

1.1 電場處理

電場激勵源為射頻信號，其頻率為MHz量級，變化周期相對于秒級的加熱過程太短，可簡化為設(shè)備外表面的固定電壓，其電壓值為射頻信號的有效值。計算域的外邊界為0電壓。

簡化后，整個電場為靜電場，滿足電勢的擴散方程，且為定常。電場的傳播速度為光速，可認為在通電的一瞬間立刻完成，不考慮電場的傳播分布。

1.2 流場和溫度場處理

根據(jù)解剖學(xué)，人體腎動脈的入口直徑范圍為5 – 7mm，分叉處直徑范圍3 – 3.5mm，分叉角度約為50°。其入口速度大約為50cm/s左右。可推算，血流雷諾數(shù)在1000左右，為層流狀態(tài).

組織溫度分布的影響因素包括：電場的焦耳熱、血流和周圍組織中的熱對流和熱傳導(dǎo)。

二

Fluent案例：腎動脈RDN治療過程的仿真

網(wǎng)格劃分幾何模型采用Ansys Discovery軟件進行建模處理。

計算域總覽

采用Fluent Meshing劃分多面體網(wǎng)格，其尺寸范圍0.04 – 1 mm，總數(shù)約130萬。 網(wǎng)格總覽

消融設(shè)備區(qū)域網(wǎng)格細節(jié)

三

Fluent案例：腎動脈RDN治療過程的仿真

模型設(shè)置

1

穩(wěn)態(tài)仿真：計算電場和血流分布

穩(wěn)態(tài)仿真中，電場模型必須開啟焦耳熱選項。計算域溫度統(tǒng)一為37℃。

2

瞬態(tài)仿真：計算溫升過程

瞬態(tài)仿真中，將凍結(jié)第一步計算的電場和流場，成為一個單純的熱傳導(dǎo)過程，以節(jié)約計算量。 穩(wěn)態(tài)仿真中關(guān)閉能量方程

穩(wěn)態(tài)仿真中關(guān)閉能量方程

四

Fluent案例：腎動脈RDN治療過程的仿真

仿真結(jié)果血液速度分布 計算域電勢分布 計算域焦耳熱功率分布 血管最高溫度變化

周圍組織最高溫度變化

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