脑卒中作为严重威胁人类健康的重大疾病,发病率高、致死率高、致残率高。对于脑卒中的预防和治疗一直是临床研究的热点问题。缺血性脑卒中约占所有脑卒中发病的87%,主要由于脑组织局部或全局血流灌注减少,供氧不足导致一系列缺血级联反应,部分组织细胞死亡,脑功能受限。在这一过程中,有一部分细胞由于侧支循环的存在,保持了一定程度的血液灌注,处在功能丧失、但损伤可逆的状态,被称为半暗带。半暗带是缺血性脑卒中治疗中所要挽救的关键靶点,但通常认为半暗带只存在于一个3~4.5小时的较短时间窗内,因此更好地理解半暗带动态演变过程对于缺血性脑卒中的研究具有重要意义。本文基于生物力学建模方法,建立了一个包括脑微循环模型和脑组织离子活动模型的耦合模型,对缺血性脑卒中及再灌注治疗过程中的脑组织生理活动和半暗带的动态演变过程进行数值模拟研究。模型在一个基于解剖显微图像的脑微血管网模型上进行计算;脑微循环模型由血管内血流-跨壁渗透-间质液渗流的血液动力学模型和基于对流-扩散方程的氧输运模型组成;脑组织离子活动模型是一个通过离子通道电流、离子浓度、细胞体积变化间耦合关系计算的反应-扩散模型,通过氧浓度与微循环模型相关联。通过模型的仿真计算可以获得脑微循环血压、血液流速及脑组织氧浓度、离子浓度等各项参数的分布,根据离子浓度将模拟区域划分为半暗带和坏死核心区域,能够直观展示半暗带的动态演变过程。通过设定小动脉入口压强,本文分别模拟了小动脉入口堵塞导致的缺血性脑卒中和在缺血后不同时间进行的再灌注治疗,对这两种情况下的生理病理参数及半暗带演变的动态过程进行了研究。结果显示:在缺血过程中,半暗带区域会逐渐扩大,如果没有治疗最终会转变为坏死核心;而再灌注治疗的时间越早,治疗的效果也越好,表明了“时间就是大脑”。模型为一系列生理病理现象如侧支循环的存在、治疗时间窗等提供了理论依据,对于进一步的临床研究具有一定的参考价值。