国人冠状动脉各向异性超弹性模型建立及耦合分析

摘要

冠状动脉负责供给心脏血液,对维持人体正常的生理活动起着重要作用。从上个世纪六十年代生物力学诞生以来,很多学者都在致力于通过大量的,或健康,或病态的案例来揭示患病的力学机理,试图建立起冠状动脉的力学模型。近年来,生物力学关于血管的研究更是取得了长足的发展。2000年,Holzapfel提出了一种新型的冠状动脉本构模型,该模型基于真实的冠状动脉性质,包含了各向异性、非线性、超弹性或拟弹性性质,由三层结构组成。而后,Gasser和Ogden又对模型进行了进一步的完善。至此,一种最接近动脉本身力学属性的模型建立起来,记为“HGO”模型。本文采用了该模型利用有限元方法,对冠状动脉的力学特性做了分析研究,目的是获得国人冠脉在受到支架扩张后力学响应以及相关应力分布情况,为冠脉介入手术提供参考。
　　本文针对国人与西方人冠脉力学强度上的差异性,对冠脉材料参数C10,k1提出了合理性假设,将参数变化范围固定在一个数量级内,在此基础上对冠脉各层进行了单轴拉伸模拟,得到了与国人右冠状动脉(PCA)近侧段实验结果十分接近的a2组参数。之后鉴于残余应力、应变在改善血管应力水平方面的重要性,本文研究了不同参数、不同张开角条件下的血管周向残余应力、应变分布。这一方面给明确了残余应变的在血管中的分布特征,另一方面也证实我们关于材料参数变化范围假设的正确性,同时也为后续建立含有残余应变的“HGO”本构模型打下了坚实基础。最终建立了不同参数下的,含有残余应变的冠脉-支架接触耦合模型,得到了随支架扩张尺寸的周向、轴向、径向应力,并采用有理式拟合得到了具有极高拟合优度的应力-扩张尺寸拟合方程。
　　残余应变的研究使我们了解了材料参数、张开角对应变的影响。认识到了残余应变在血管中存在对动脉壁生理优化,改善应力水平的重要性和必要性。
　　应力-扩张尺寸拟合方程的提出对介入手术大有裨益,方程将支架扩张导致的动脉血管应力增大以准确的数值形式表述出来。将通过实验获得的血管极限应力代入拟合方程中就可以得出支架具体的扩张尺寸,这对介入手术将具有较高的数值参考价值,在实施手术前,可以参考该方程得到的扩张尺寸,结合患者的自身生理条件,在一定程度上避免手术中过大的支架扩张,导致动脉穿透威胁生命。

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第1章 绪 论

1. 1 课题来源、背景、目的与意义

1. 2 国内外在该方向的研究现状及分析

1. 3 主要研究内容

第2章 动脉壁结构与力学性质

2. 1 引言

2. 2 动脉组织学结构与作用

2. 3 动脉力学性质

2. 4 动脉本构模型

2. 5 冠状动脉功能与特点

2. 6 本章小结

第3章 单轴拉伸实验模拟分析

3. 1 引言

3. 2 软件介绍

3. 3 获取冠脉参数

3. 4 有限元建模分析

3. 5 模拟结果

3. 6 本章小结

第4章 残余应变有限元分析

4. 1 引言

4. 2 残余应变研究现状

4. 3 研究方法及参数获取

4. 4 有限元分析

4. 5 模拟结果

4. 6 本章小结

第5章 冠状动脉与支架耦合模型

5. 1 引言

5. 2动脉支架扩张模型

5. 3 冠脉-支架耦合模型

5. 4 本章小结

第6章 耦合模型模拟结果

6. 1 引言

6. 2 冠状动脉力学响应

6. 3 在体冠状动脉最大应力数值拟合

6. 4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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