基于血管内超声的冠脉三维薄片模型和流固耦合模型对斑块增长的研究

摘要

心血管疾病是人类健康的头号杀手。其中大部分临床事件的发生如急性心脏病、心绞痛以及中风都与动脉粥样硬化过程有着密切的联系。随着大量有关动脉粥样硬化易损斑块增长与破裂研究的开展，越来越多的证据表明力学因素在易损斑块的增长与破裂过程中扮演着重要的角色。研究人员引进了多种基于医学多模态影像的计算生物力学仿真模型以求理解斑块增长和破裂的机理，并为临床诊断提供更多有用的信息。由于易损斑块的结构复杂性，成分多样性，三维流固耦合易损斑块模型的搭建及求解需要大量的时间，这也限制了将生物力学模型应用于临床辅助诊疗的可能性。二维模型虽然大大减少了建模及求解时间，以三维流固耦合模型作为金标准，二维模型的精度不足以满足临床要求。因此，本文引入一种三维薄片模型作为三维流固耦合模型的近似，探究三维薄片模型替代三维流固耦合模型以及应用三维薄片模型于冠脉斑块增长预测分析和临床应用的可行性。 本文采用已有的四组病人的初访（T1）及随访（T2）数据，包括血管内超声图像（IVUS）以及血管造影数据搭建了8个三维流固耦合模型及385个三维薄片模型，提取两种模型的斑块壁面应力、斑块壁面应变及壁厚进行对比分析,确定三维薄片模型替代三维流固耦合模型产生的误差。同时本文选取壁厚增长为斑块增长的度量，分别研究比较了两种模型计算得到的应力、应变及壁厚三组力学影响因子与斑块增长的相关性及其差异。本文还进一步对力学模型中的周向收缩率、轴向拉伸过程以及循环弯曲对两种模型计算结果带来的影响进行了仔细的研究。 结果表明，三维薄片模型与三维流固耦合模型的平均壁面应力与应变的差异均小于10%（应力：9.1%；应变：8.4%）。同时，两组模型的斑块增长与影响因子的相关性也体现出了一致性(正相关负相关结论相同率：87.5%).。从时间成本考虑，三维薄片模型将构造三维流固耦合模型的10-15天压缩至数个小时，在保证一定精度的前提下，大大缩短了模型建模与求解的时间，为生物力学模型应用于临床诊断辅助分析提供了可能性。三维薄片模型仍需大量的患者数据以获得进一步的验证。

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In Vivo Intravascular Ultrasound-Based 3D Thin-Walled Model and Fluid-Structure Interaction Model for Human Coronary Plaque Progression Study

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 动脉粥样硬化与易损斑块

1.2 易损斑块数值模型

1.3 本文研究目的及内容

第二章 血管内超声(IVUS)冠状动脉医学影像及数据前处理

2.1 病人随访数据及血管造影数据

2.2 血压曲线

2.3 IVUS切片数据前处理及斑块三维重建

2.4 本章小结

第三章 生物力学基础和易损斑块仿真生物力学模型

3.1 生物力学基本原理

3.2 冠状动脉解剖学基础

3.3 冠状动脉的数学模型

3.4 有限元方法

3.5 本章小结

第四章 易损斑块仿真模型搭建与求解

4.1 模型零负载状态获取

4.2 三维流固耦合模型的搭建

4.3 三维薄片模型的搭建

4.4 三维流固耦合模型/薄片模型的求解

4.5 模型验证

4.6 本章小结

第五章 薄片模型替代三维流固耦合模型的可行性分析

5.1 数据分析方法

5.2 模型搭建时间

5.3 薄片模型/三维流固耦合模型的力学统计量与形态的比较

5.4 薄片模型/三维流固耦合模型预测斑块增长过程的比较

5.5 本章小结

第六章 薄片模型/三维流固耦合模型差异性分析

6.1 模型一览表

6.2 周向收缩率对薄片模型/三维流固耦合模型的影响

6.3 轴向收缩对薄片模型/三维流固耦合模型的影响

6.4 循环弯曲过程对薄片模型/三维流固耦合模型的影响

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 总结与讨论

7.2 不足与展望

致谢

参考文献

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