[发明专利]一种模拟预测血流中血细胞流变行为的方法

说明书

本发明公开了一种预测与控制血管中血细胞迁移、堆积和变形等流变行为的方法，该方法利用相场模型描述血细胞、血管壁和血管中血栓斑块等物质的动力学行为，将描述细胞的相场方法与描述流体运动的格子玻尔兹曼方法相耦合，利用本时刻的细胞信息迭代求解细胞的下一个时刻的状态，实现血细胞流变行为的演化求解。该发明计算效率高，能实现对Y型分叉血管、血栓、粥样硬化等多种情况下血管中血细胞进行迁移、形变的预测，可以量化地描述血细胞的变形程度，能模拟预测不同形状尺寸、力学性质的细胞行为，克服了血细胞流变实验中难以定量测量、难以精准控制变量的局限性，为心血管疾病的预防和治疗提供研究方案。

技术领域

本发明涉及血液中细胞的流变行为领域，具体涉及一种模拟与预测血细胞流变行为的方法。

背景技术

血细胞的流变行为与疾病的一系列病理过程有着密切的关系，血液流变特性的改变超过生理调节的限度对整个心血管系统都有影响。例如冠心病、糖尿病等患者血胆固醇浓度明显增高，使得红细胞细胞膜流动性降低，变形性减弱，从而导致血液流变形异常，引起机体血液循环障碍。

因此，血液流变形为对某些疾病的发生、发展、转归以及预后提供了可靠的依据。例如红细胞变形指数、刚性指数、聚集指数是临床多种疾病，尤其是血栓性疾病的诊断、治疗、预防等的重要依据。

但是传统生物学在以实验手段做到微介观尺度的定量测量还存在很大局限性：

1.生物系统中的噪声对测量有较大干扰；

2.生物系统存在较大随机性；

3.实验测量的空间分辨率、时间分辨率、通道数、时间尺度、空间尺度无法同时满足；

4.实验测量对生物样品造成的影响和扰动很大；

对于血细胞流变学的活体实验研究而言，细胞的变形量，细胞堆积程度等很难定量测量。此外，在这类实验中，控制单一变量难以实现，细胞弹性、血液流速等条件存在很大偶然性，在实验中无法定量控制。

因此，与实验相比，采用数值模拟手段能弥补实验在测量精度、变量控制等方面存在的不足，有利于降低实验成本，突破血细胞流变行为实验中变量控制与定量测量的局限性。

现有细胞数值模型有顶点动力学模型、中心动力学模型、Pott模型与相场模型。

存在如下缺点：

1.需要明确地追踪细胞边界，处理界面网格需要花费大量的时间；

2.不可以描述较大的细胞变形；

3.不能对每个细胞的所受外力与细胞速度单独建模，不能与其他物理场进行耦合，不适合对血液中血细胞流变行为进行数值模拟。

发明内容

本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种模拟预测血流中血细胞流变行为的方法。

本发明的技术方案：本发明公开了一种模拟预测血流中血细胞流变行为的方法，包括如下步骤:

S1.将细胞自由能方程与细胞运动方程带入细胞场动力学方程，得到细胞相场方程，并通过有限差分法离散所述细胞相场方程，建立细胞相场模型；

S2.将描述流体分子运动的连续玻尔兹曼方程离散成格子玻尔兹曼方程，利用MRT多松弛模型将碰撞算子线性化；

S3.初始化网格，确定边界条件；边界条件应设置为血管两端为开放边界，管壁侧为固壁边界；输入细胞设置管壁、血栓、粥样硬块等物质的分布和形状用非零的序参量常数描述；

S4.输入细胞参数和血液参数，初始化细胞分布及形状，并将单个细胞相场信息存入一个三位数组，将所有细胞的数组存入一个动态数组；