Willis环是位于人脑底部的一个环状动脉结构，它的作用是将从颈内动脉和椎动脉流入的血液在颅内重新分配至大脑各部分。Willis环的环状结构保证了当其内血管发生供血不足时，存在其他间接血管保持脑部供血。然而，临床观察发现很多人存在Willis　环内血管缺失或狭窄等形态变异。与此同时，Willis环内动脉分叉处以及椎动脉交汇处是动脉粥样硬化及动脉瘤等血管损伤的多发地带，而血流动力学因素是造成血管内皮细胞损伤的主要原因之一。研究Willis环在不同病理及解剖学条件下的血流动力学及侧支循环机制有助于对脑卒中的早期诊断提供血流动力学依据，同时对Willis环局部流场特征进行研究有助于更进一步了解血流动力学因素在血管损伤中的作用。
本文基于临床CT影像构建了特异性（patient-specific）Willis环三维CFD模型，同时基于三单元弹性腔理论建立了拥有国内发明专利的颅内Willis环三维流动实验台。在上述基础上首先对单侧颈内动脉（ICA）狭窄发展过程中完整Willis环血流分配规律及血流动力学特征进行了CFD仿真及实验研究，阐明了完整Willis环在单侧颈内动脉不同程度狭窄时的血流动力学特征及侧支循环机制；进而使用CFD仿真手段研究了Willis环存在常见解剖学变异时的血流动力学特征及侧支循环机制；最后构建了基于临床CT影像的椎基底动脉(VA-BA)交汇部位的特异性实验模型，并利用PIV对该部位的局部三维流场及血流动力学特性进行了实验研究。
对单侧ICA狭窄发展过程中完整Willis环内血流动力学的研究表明，Willis环总供血量及出口各支供血量均随单侧ICA狭窄率的增加而降低。其中患侧大脑中动脉受狭窄影响最大。而完整Willis环内侧支循环通道的形成与颈内动脉狭窄率密切相关。当单侧ICA有轻中度狭窄时，仅前交通动脉（ACoA）参与了侧支循环通道的构建；单侧ICA出现重度狭窄时，患侧PCoA才构成向大脑前循环供血的侧支循环路径。ACoA是向患侧ACA提供供血代偿的主要途径，而ACoA和PCoA则共同构成了患侧MCA的脑血代偿来源。ACoA是Willis环内最为主要的侧支循环通道。ACoA内出现血液流动是单侧ICA形态改变的敏感指标。而在针对Willis环常见解剖学变异结构内血流动力学的研究指出Willis环前循环出现解剖学变异则会极大削弱其侧支循环能力。其中当单侧ICA狭窄合并对侧A1缺失时，Willis环总流量及双侧ACA供血量均为本研究所有案例中最低，是最为凶险的一种病理状态。而后循环变异则仅对PCA供血造成有限影响，对Willis环总体供血量无影响。前两部分研究从宏观角度阐明了Willis环在常见病理及解剖学状态下的血流动力学特征及侧支循环机制，为临床相关应用提供了较好的理论基础。对VA-BA段局部三维流场的实验研究结果证实了在VA-BA交汇区内存在一个低流速的回流区域，该区域与VA-BA段动脉损伤易发部位相重合，该区域内的剪切应力低于0.4　Pa。与此同时，VA-BA段内的流动还具有十分明显的三维特性。在该区域径向切面内观察到了以两个相对旋转的涡为特征的二次流的存在。该部分研究探明了该部位的血流动力学特征，阐明了该部位二次流的形成过程，论证了相关血流动力学因素在此区域动脉损伤中的作用。提出了汇流交界处的低剪切应力和交变剪切应力的综合作用是此区域内动脉血管损伤发生、发展的主要诱因。
综上所述，本文的研究为从血流动力学角度探索卒中的早期诊断方法和血管损伤机理奠定了理论基础，所做工作对更全面掌握Willis环内血流动力学特性和侧支循环机制做出了贡献。