(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210913036.3 (22)申请日 2022.07.31 (71)申请人 东南大学 地址 210000 江苏省南京市江宁区东 南大 学路2号 (72)发明人 吴意豪　孙东科　 (74)专利代理 机构 北京德崇智捷知识产权代理 有限公司 1 1467 专利代理师 季承 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G16C 10/00(2019.01) G06F 17/11(2006.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种模拟预测血流中血细胞流变行为的方 法 (57)摘要 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 。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 115146514 A 2022.10.04 CN 115146514 A 1.一种预测 和控制血细胞流变行为的方法， 其特 征在于， 包 含以下步骤： 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； S5.进行细胞相场演化， 将细胞参数及当前时刻的细胞相场信息代入细胞相场方程， 迭 代求解下一时刻的细胞相场信息及 细胞活跃速度； S6.进行血液流场演化， 利用格子玻尔兹曼方程求解流场的迁移和松弛， 计算得到流场 对细胞的作用力； S7.求解细胞与流场相互作用， 用动量交换的方法将流体力转换为细胞速度变化， 并代 入细胞相场方程， 将流体对细胞作用项转换为细胞速度的变化； S8.重复步骤S5 至S7， 直至目前时刻等于设定的计算时长时停止计算； S9.输出相场信息， 流场信息； S10.进行 数据处理和分析， 得到细胞流变形为的预测结果。 2.根据权利要求1所述的模拟预测血细胞流变行为的方法， 其特征在于： 在所述步骤S1 中， 描述细胞自由能随时间变化的细胞场动力学 方程表达式为： 其中， 为相场的序参量， 表示t时刻第i个细胞在(x,y,z)处的细胞序参 量值； 在描述细胞时， 表示细胞内部， 表示细胞外部， 表示细胞界 面； δ表示泛函 导数 为梯度算子； 单个细胞的自由能的表达式为： 式中， F表示所有细胞总自由能， F＝F0+Fint， 其中F0表示单个细胞的自由能， Fint表示细 胞之间相互作用的能量； 细胞活跃速度的表达式为： 式中， vi＝vi,A+vi,I；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115146514 A 2vi表示细胞速度， 包 括细胞活跃速度与细胞内在速度两部分； vi,A表示细胞活跃速度， 是 由于细胞间的作用及流体与细胞间的作用而产生的； vi,I表示细胞内在速度， 是由于细胞自身维持活性所发生的一系列生 化反应所产生； γ表示细胞弹性大小； κ表示细胞重叠时的能量损耗； λ用以控制细胞边界层宽度； R表 示初始时细胞半径； μ为细胞的体积系数； 其中ξ表示两细胞之间的摩擦系数； 将细胞自由能方程与细胞运动方程带入细胞动力学 方程可得细胞相场方程， 即： 3.根据权利要求2所述的模拟预测血细胞流变行为的方法， 其特征在于： 所述通过有限 差分法离散所述细胞相场方程， 包括利用有限差分方法求解拉普拉斯算子和利用有限差分 方法求解梯度算子； 其中， 利用有限差分方法求 解拉普拉斯 算子： 其中， 利用有限差分方法求 解梯度算子： 其中h表示空间步长 。 4.根据权利要求1所述的， 其特征在于： 在所述步骤S5中， 利用格子玻尔兹曼方法求解 流场的迁移和松弛， 具体流 程如下： Sa1.进行参数选取与网格划分； Sa2.初始化粒子分布函数fi(x,t)、 几何边界； 其中， 流体的运动控制方程可写为： fα(r+eαδt)‑fα(r,t)＝Ω(r,t) 其中fα表示粒子分布函数， α 为离散速度方向数量， 采用D3Q19的LBM离散格式， α ＝0,1, 2,…,18， r为位置矢量， t为时间， δt为时间步长， eα为离散速度方向单位矢量， Ω为碰撞算 子； 使用MRT多松弛模型将碰撞项Ω(r,t)线性 化， 以获得 更为稳定、 精确且高效的模型， 得到如下流体运动控制方程： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115146514 A 3