本文關(guān)鍵詞：二尖瓣有限元建模與生物力學(xué)分析

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【摘要】：二尖瓣是人體心臟中重要的瓣膜組織,它位于左房室口周緣,借助連于乳頭肌的腱索的牽拉作用,在心臟壓力與血液動力的綜合作用下做周期性的啟閉運動,保證心臟內(nèi)部正常的血液循環(huán)功能。瓣膜的受力大小是影響生物瓣膜使用性能的一個重要因素,臨床所見瓣膜撕裂、穿孔位置多出現(xiàn)在應(yīng)力集中位置,與瓣葉內(nèi)部承受的應(yīng)力分布直接相關(guān),因此通過對二尖瓣進行應(yīng)力分析有利于認(rèn)識并了解二尖瓣瓣膜失效的力學(xué)原理,對研究二尖瓣力學(xué)機理、模擬二尖瓣脫垂等病理結(jié)構(gòu)以及指導(dǎo)心臟外科瓣膜成形術(shù)等方面具有重要意義。 論文以心臟二尖瓣的結(jié)構(gòu)組成為基礎(chǔ),利用建模軟件(UG)、有限元分析軟件(ANSYS)對人工二尖瓣、人體二尖瓣進行生物力學(xué)分析,同時模擬二尖瓣瓣葉脫垂(mitral valve prolapse, MVP)的病理情況。論文首先介紹了建模過程中涉及到的心臟二尖瓣生理結(jié)構(gòu),二尖瓣病理生理知識,有限元分析的理論基礎(chǔ)以及建模的方法。然后建立長方形無支架心包人工二尖瓣的物理模型,對模型在左心室舒張期及左心室等容舒張期的應(yīng)力情況及形變進行仿真,并對結(jié)果進行驗證分析,實驗結(jié)果表明長方形無支架心包二尖瓣應(yīng)力分布形變與人體動力學(xué)實驗中結(jié)果基本一致。同時,在此模型的基礎(chǔ)上,分析了長方形無支架心包二尖瓣的瓣葉基部寬度與瓣葉應(yīng)力分布之間的關(guān)系。其次,根據(jù)人體二尖瓣的真實形態(tài)建立了人體二尖瓣的有限元模型,并仿真該模型在整個心動周期內(nèi)的動態(tài)變化,分析人體二尖瓣在整個心動周期內(nèi)的形態(tài)變化及應(yīng)力分布變化。同時建立多個比對模型,分析二尖瓣瓣膜厚度對瓣葉應(yīng)力分布以及閉合情況的影響。最后,基于人體二尖瓣的有限元模型,模擬二尖瓣瓣葉脫垂的病變情況,建立二尖瓣瓣葉脫垂對比模型,比較分析不同程度(輕、中、重)的二尖瓣瓣葉脫垂對二尖瓣形態(tài)及應(yīng)力分布的影響。論文的主要研究工作與創(chuàng)新包括如下幾點： 1.以臨床常用的人工長方形無支架心包二尖瓣模型為基礎(chǔ),對該模型進行材料定義及網(wǎng)格劃分,建立有限元模型,并通過施加邊界約束及負(fù)載條件,仿真長方形無支架心包二尖瓣在心動周期內(nèi)的形變及應(yīng)力情況,得到長方形無支架心包二尖瓣在左心室舒張期及左心室等容舒張期的形變圖以及靜態(tài)應(yīng)力分布圖。仿真得到的前后瓣葉的形變與體外流體力學(xué)的動力學(xué)實驗中實際形變結(jié)果一致,前后瓣葉的應(yīng)力分布也與臨床中二尖瓣的應(yīng)力情況相吻合,表明了有限元分析法的正確性。最后對該模型中瓣葉的應(yīng)力分布與瓣葉基部寬度的關(guān)系進行對比分析。 2.以人體二尖瓣的生理構(gòu)造為基礎(chǔ),建立接近人體二尖瓣的物理模型,同時在整個心動周期內(nèi)對該模型進行動態(tài)的生物力學(xué)分析,模擬人體二尖瓣在心動周期內(nèi)的形態(tài)變化及應(yīng)力分布變化狀態(tài)。仿真結(jié)果表明人體二尖瓣模型在心動周期內(nèi)的形態(tài)變化能很好地反應(yīng)出二尖瓣的運動狀態(tài),二尖瓣應(yīng)力最大的區(qū)域也出現(xiàn)在臨床上二尖瓣撕裂的常發(fā)生位置,結(jié)果較好地與臨床經(jīng)驗數(shù)據(jù)相符合,更充分地說明了模型與仿真方法的合理性。并在此基礎(chǔ)上,建立多個比對模型,研究分析了二尖瓣瓣膜厚度對前后瓣葉應(yīng)力的影響。 3.在人體二尖瓣模型的基礎(chǔ)上,仿真二尖瓣瓣葉脫垂的病變情況,利用有限元算法得到二尖瓣病變模型在心動周期內(nèi)的瓣葉閉合情況以及應(yīng)力分布情況,并與基礎(chǔ)二尖瓣模型的閉合情況與應(yīng)力分布進行比較,定性的分析二尖瓣瓣葉脫垂對二尖瓣正常生理功能的影響,最后建立了具有不同脫垂程度的二尖瓣瓣葉脫垂病變模型,研究瓣葉脫垂程度對二尖瓣形態(tài)及應(yīng)力的影響。
【關(guān)鍵詞】：仿真 二尖瓣 有限元分析 應(yīng)力分布
【學(xué)位授予單位】：廈門大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：R318
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目錄8-10
• Contents10-12
• 第一章 緒論12-18
• 1.1 選題背景和研究意義12-13
• 1.2 研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3 本文的主要研究工作14-15
• 1.4 本文的組織結(jié)構(gòu)及章節(jié)安排15-18
• 第二章 二尖瓣生理結(jié)構(gòu)與有限元分析建模方法18-34
• 2.1 二尖瓣概述18-20
• 2.2 二尖瓣生物性能20-26
• 2.2.1 心動周期20-22
• 2.2.2 二尖瓣工作機制22-24
• 2.2.3 長方形無支架心包二尖瓣24-26
• 2.2.4 人體二尖瓣模型26
• 2.3 二尖瓣病理26-28
• 2.3.1 二尖瓣的病理分類26-27
• 2.3.2 二尖瓣瓣葉脫垂病理27-28
• 2.4 二尖瓣建模與仿真方法28-31
• 2.4.1 二尖瓣建模方法28-29
• 2.4.2 有限元分析方法29-31
• 2.4.3 建模工具及仿真工具簡介31
• 2.5 本章小結(jié)31-34
• 第三章 人工二尖瓣的生物力學(xué)分析34-48
• 3.1 長方形無支架心包二尖瓣建模34-35
• 3.1.1 長方形無支架心包二尖瓣幾何模型34-35
• 3.1.2 材料屬性與接觸定義35
• 3.2 長方形無支架心包二尖瓣有限元模型35-36
• 3.2.1 網(wǎng)格劃分35-36
• 3.2.2 邊界條件與載荷36
• 3.3 仿真結(jié)果36-45
• 3.3.1 瓣膜開啟37-38
• 3.3.2 瓣膜關(guān)閉38-40
• 3.3.3 瓣葉應(yīng)力分布與瓣葉基部寬度的關(guān)系40-45
• 3.4 結(jié)果分析45-46
• 3.4.1 長方形無支架心包二尖瓣仿真結(jié)果分析45-46
• 3.4.2 模型對比結(jié)果分析46
• 3.5 本章小結(jié)46-48
• 第四章 人體二尖瓣的生物力學(xué)分析48-60
• 4.1 人體二尖瓣模型48-52
• 4.1.1 人體二尖瓣幾何模型48-49
• 4.1.2 材料屬性49
• 4.1.3 接觸定義49-50
• 4.1.4 網(wǎng)格劃分50
• 4.1.5 邊界條件與載荷50-52
• 4.2 仿真結(jié)果52-58
• 4.2.1 瓣膜閉合過程應(yīng)力分布52-55
• 4.2.2 瓣膜厚度與瓣膜應(yīng)力關(guān)系55-58
• 4.3 本章小結(jié)58-60
• 第五章 二尖瓣脫垂仿真60-72
• 5.1 二尖瓣脫垂模型建模60-61
• 5.2 二尖瓣瓣葉脫垂模擬結(jié)果61-65
• 5.2.1 瓣葉閉合情況61-63
• 5.2.2 瓣葉應(yīng)力分布63-65
• 5.3 二尖瓣瓣葉脫垂程度仿真65-70
• 5.3.1 病變模型建立66
• 5.3.2 瓣葉脫垂程度對二尖瓣閉合狀況的影響66-68
• 5.3.3 瓣葉脫垂程度對二尖瓣瓣葉應(yīng)力的影響68-70
• 5.4 本章小結(jié)70-72
• 第六章 總結(jié)和展望72-74
• 參考文獻74-78
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文及科研情況78-80
• 致謝80

【參考文獻】

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本文編號：1023353