1 问题背景

    肾动脉消融（Renal denervation，简称RDN）是一种治疗高血压的办法，其基本原理为利用插入肾动脉的电极消融导管进行射频消融，使肾动脉血管壁附近的交感神经因高温而损伤失活，减少神经系统过度活跃的信号刺激。

RDN原理示意图（图源：www.cirse.org）

    RDN治疗过程对治疗区域的温度控制有很高要求，温度太高会导致肾动脉的血管受损；温度太低治疗无效。因此利用ANSYS Fluent仿真，了解血管和周围软组织的温度分布情况，确保温度处于合适范围内。

2 仿真思路概述

    计算域如图所示，包括血液、血管壁、周围组织。消融设备仅保留和血液接触的外表面，不考虑内部的结构。

 

    此问题同时涉及三个物理场：电场、流场、温度场。

2.1 电场处理

    电场激励源为射频信号，其频率为MHz量级，变化周期相对于秒级的加热过程太短，可简化为设备外表面的固定电压，其电压值为射频信号的有效值。计算域的外边界为0电压。

    简化后，整个电场为静电场，满足电势的扩散方程，且为定常。电场的传播速度为光速，可认为在通电的一瞬间立刻完成，不考虑电场的传播分布。

2.2 流场和温度场处理

    根据解剖学，人体肾动脉的入口直径范围为5 - 7mm，分叉处直径范围3 - 3.5mm，分叉角度约为50°。其入口速度大约为50cm/s左右。可推算，血流雷诺数在1000左右，为层流状态。

    组织温度分布的影响因素包括：电场的焦耳热、血流和周围组织中的热对流和热传导。

3 网格划分

    几何模型采用ANSYS Discovery软件进行建模处理。

计算域总览

    采用Fluent Meshing划分多面体网格，其尺寸范围0.04 - 1 mm，总数约130万

 

网格总览

消融设备区域网格细节

 

4 模型设置

    模型分为两步处理：

1 稳态仿真，计算电场和血流分布

2 瞬态仿真，计算温升过程 

    稳态仿真中，电场模型必须开启焦耳热选项。计算域温度统一为37℃。

 

   瞬态仿真中，将冻结第一步计算的电场和流场，成为一个单纯的热传导过程，以节约计算量。

稳态仿真中关闭能量方程

 瞬态仿真中仅开启能量方程

5 仿真结果

 血液速度分布

 计算域电势分布

计算域焦耳热功率分布

 

 血管最高温度变化

 周围组织最高温度变化

计算域温度分布变化动画