【摘要】：當今世界,由于不孕癥患者數(shù)量逐年上升,不孕癥已經(jīng)成為亟待解決的公共健康問題之一。輔助生殖技術(shù)的出現(xiàn)為不孕癥患者帶來了希望,幫助數(shù)以萬計的家庭得到了子女。體外授精—胚胎移植技術(shù),也稱試管嬰兒技術(shù),是現(xiàn)今使用最廣泛的輔助生殖技術(shù)。不過,它的一個缺點是價格高昂但成功率較低。近20年來的國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn),該技術(shù)的最后一步—胚胎移植過程是決定試管嬰兒成功率的關(guān)鍵因素。由于臨床進行體內(nèi)實驗受到了生理學和倫理學的極大限制,移植過程中胚胎在子宮腔內(nèi)的運動機理,人們至今還沒有深入的認識。因此,本文根據(jù)流體力學基本理論,運用數(shù)學方法,研究胚胎移植過程中移植液和胚胎的傳輸機理。本文建立三種數(shù)學模型,分析子宮腔內(nèi)的流體流動:第一種模型是單組分小雷諾數(shù)的層流流動簡化模型,通過求得該模型的近似解析解,估計高粘度流體流動狀態(tài);第二種模型是低于臨界雷諾數(shù)的單組分層流流動近似模型,通過建立渦旋遷移模型,并與簡化模型的解析解相結(jié)合,用以估計低粘度流體流動狀態(tài);第三種模型是二組分的通用數(shù)學模型,采用數(shù)值計算的方法求解該模型,并根據(jù)計算結(jié)果分析胚胎移植過程的重要控制參數(shù)。本文的研究成果對臨床實施胚胎移植有指導意義,有助于胚胎移植技術(shù)的改進優(yōu)化。本文第一部分,將移植液和子宮內(nèi)液作為物理性質(zhì)相同的流體,這相當于臨床上使用與子宮內(nèi)液物理性質(zhì)相近的移植液實施移植。假設(shè)該液體是不可壓縮粘性流體,流動過程設(shè)定為:由作用在初始靜止流體中某一點處的外力所驅(qū)動的平面流動,并且該流動的渦量集中分布。其渦量輸運方程的矢量形式為上式中ω、u、x和v分別表示渦量、速度矢量、位置矢量和運動粘度。因為該流動的雷諾數(shù)很小，采用Stokes近似，可忽略方程(1)中的第二項(對流項)，即方程(1)線性化為擴散方程:利用渦量一流函數(shù)方程的解的多極展開式，結(jié)合量綱分析，可以方程(2)的自相似解，形式如下:其中，η為自相似變量，g為待求的無量綱函數(shù)，r=|x|,Ref為無量綱力的振幅，滿足上式中，f表示單位體積體積上所受力的大小與密度的比值，KL、KT分別表示f的長度和時間量綱的指數(shù)。將(3)式代入方程(2)后，得到常微分方程。求解該常微分方程，可得到方程(2)的通解。并根據(jù)遠場條件(?)(5)確定通解中的系數(shù)，便可得到本問題的特解。式中，A為包含所有渦量在內(nèi)的半徑為R的圓形區(qū)域。本文運用此特解對胚胎移植的流動特征進行預估。結(jié)果顯示，在受力點上下兩側(cè)各形成一個旋渦，組成渦對，渦對隨時間逐漸擴散，但不在受力方向上遷移。另外，由于單組分流動模型的近似解析解為線性微分方程的解，符合迭加原理。因此，我們利用特解，根據(jù)鏡像法，得到了代表子宮底的光滑壁面邊界條件。結(jié)果顯示，子宮底阻擋了原本的流動，并將該流動引導向子宮底兩側(cè);原本近似于圓形的渦對被壓縮，并偏移向受力點上游。方程(1)的解是在小雷諾數(shù)限制下得到的,它僅能表現(xiàn)流動中渦旋的擴散。因此,本文給出了渦旋遷移的近似描述。由方程(2)的特解可知偶極子前方區(qū)域近似無旋。本文假設(shè)渦旋遷移速度近似等于渦量集中區(qū)域外的勢流速度,則渦旋的遷移速度為u(x.t)=ft/2πx2.若假設(shè)渦旋初始位置為坐標原點,可求得遷移距離為記瞬時力情況時,方程(2)的特解為ω(x,y,t)。根據(jù)解的疊加原理,并考慮渦旋遷移和時間延遲兩個因素,得到持續(xù)力情況的積分形式解(6)式及相應(yīng)的流函數(shù)表達式,可以表征渦旋的遷移和擴散,也就是本文建立的低于臨界雷諾數(shù)下的單組分層流流動近似模型。結(jié)果顯示:低粘度單組分流動的流線在受力點右側(cè)分布密集,且流線集中分布于x軸附近。渦旋明顯向受力方向遷移。本文第二部分,考慮二組分流動,建立了通用的數(shù)學模型(?)上式中,下標1表示移植液,下標m表示混合液,上標T表示矩陣的轉(zhuǎn)置。ρ、μ、u、D和Y分別為流體的密度、動力粘度、速度矢量、質(zhì)量擴散系數(shù)和質(zhì)量分數(shù)。方程組中的變量為ρm、μm、um、Y1、p和V1共6個,均是時間t和位置(x,y,z)的函數(shù),因此方程(7)是一個非線性方程組,一般采用數(shù)值方法對其求解。分析胚胎移植的具體實施過程,我們發(fā)現(xiàn),方程組(7)中第三個方程的Peclet數(shù)(擴散項與對流項之比)遠遠小于1,因此我們可以忽略擴散項。用體積分數(shù)代替質(zhì)量分數(shù),此時方程組(7)成為了各向同性的多相流模型(Homogeneous Multiphase model),這使得我們可以利用計算流體力學軟件Fluent數(shù)值計算胚胎移植過程。計算結(jié)果與已有實驗結(jié)果對比,移植液分布圖案的計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。為了了解胚胎移植過程的流動機制,以及胚胎的運動特征,我們對移植液粘度、注射速度,導管頂端與子宮底的距離,以及導管抽出產(chǎn)生的影響進行了分析。結(jié)果顯示:高粘度的移植液不但可以避免胚胎朝向子宮頸的運動,還可以促使胚胎更接近子宮底。注入的移植液體積相同的情況下,移植液分布模式對注射速度不敏感,但低注射速度可以降低注射時的驅(qū)動力。在導管抽出過程中,高粘度移植液可以有效減少胚胎朝向上游的移動距離,避免胚胎被排出子宮腔。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果,得到胚胎移植的優(yōu)化方案:移植液的粘度接近或大于子宮內(nèi)液粘度,移植導管的頂端放置在子宮中部,采用較低的注射速度,并緩慢抽出移植導管。此方案將為臨床上實施胚胎移植提供理論指導,有助于提高輔助生殖技術(shù)成功率。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：R714.8;O175
【圖文】：

圖 2.1 由力所驅(qū)動的平面流動示意圖 的各個分量可視為小量。將式(2.28)中的被 r 0附近有 rxxrxxxsrxijijiiln21lnln2. 2221 r x x。將式(2.29)代入式(2.28)可得 2(0)(1)(2)224ln(,)rnnCrnCrtCijijii r C (,t)dA(0) r,

圖 3.3 子宮底邊界構(gòu)造方法示意圖圖 3.3，原點O和在 x 軸上的點E，他們的向相反的兩個力，分別施加在點 和點 上u ，在線段OE的垂直平分線l 上抵消。直 00ttxLxLuxu.宮底部對流動的限制作用，而tL 表示導管是把子宮底理想化為一條無限長直線。圖宮底的阻擋導致流線不再關(guān)于直線 x = 0 對點兩側(cè)的旋渦被擠壓向直線 x = 0 左側(cè)（用變得更加明顯，當 0.5L cm 時（圖 3.4

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本文編號：2767033