生物主动脉瓣的有限元研究

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 4.04MB 53 页 15积分

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摘要

心脏瓣膜在人体心脏中起着血流导向的作用，人体心脏瓣膜若发生病变就会

对生命安全造成严重威胁。常见的心脏瓣膜病有瓣膜狭窄与瓣膜关闭不全。药物

治疗和手术换瓣是常见的治疗心脏瓣膜病方法。相对于外科手术, 介入治疗对人体

的创伤微小、术后恢复快、不留疤痕、不损伤劳动力, 解除了很多患者的疾苦。

在以往对瓣膜瓣架的分析中，通常使用计算机辅助设计（computer aided

design，CAD）软件建立瓣叶或瓣架的三维几何形状，或利用影像技术，逆向工程

构建瓣叶瓣架形态。然而，从设计角度出发，瓣叶与瓣架的具体都始于最初的二

维平面设计。且若采取成形后测量数值建立其几何形态，由于其空间构形具有一

定的复杂性，其形态参数难于制定，且受限于测量精度的影响，即使基于实物测

量数值也很难构建出忠于实际情况的几何模型。而几何模型的偏差会对后期的应

力应变分析产生很大的影响。因此，从实际的设计草图出发，利用有限元方法从

设计草图出发模拟瓣叶瓣架的处理过程，以确定其空间几何构型对后续进行进一

步的有限元分析有着重要的实际意义及应用价值。

本课题采用缝制瓣膜模型，在成形后的瓣膜瓣叶上施加一定载荷，研究其应

力分布及几何形态。通过将相应的有限元模型与对照模型及实物模型进行比较，

验证了缝制模型应力分布及成型后形态的合理性。该论文还采用有限元方法模拟

了心脏瓣膜支架的热处理成型过程，将实物几何形态测量结果与有限元支架模型

进行了对比。结果表明，有限元模型能较好地预测支架成形后的形态及应力情况。

关键词：有限元

主动脉瓣

瓣叶

支架

ABSTRACT

Heart valves in human heart plays a guiding role in blood, so the heart valve

disease will pose a serious threat to security of life. Common valvular heart diseases

include mitral stenosis and valvular regurgitation. Drug therapy and valve replacement

operation is common in the treatment of valvular heart disease method. Relative to the

surgical operation, interventional therapy on human have the advantages of tiny trauma,

rapid postoperative recovery, leaving no scars, no damage to labor, so it relieves many

patients from suffering.

In the previous analysis of valves and stents, usually using computer aided design

software to establish the 3D geometry of valve leaf or stent, or using of reversing

engineer to construction valve and stent form from images. However, from a design

perspective, valve and stent start form a two-dimensional graphic design. Because of the

space complexity of suture path, the effect of valvelets formed up is unpredictable. The

geometry of stent from graphic design after expansion and heat treatment is difficult to

predict. For the complexity of space configuration morphological parameters is difficult

to formulate and limitation to the precision of measurement, using the measurement

data to shape its true geometry is difficult. The geometry model to deal with stress

analyses produced a great influence. The deviation of geometric model exerts a great

influence on the analysis of stress and strain.

This paper uses sewing model of valve and exert a certain load on the model after

forming the valve leaflets, to study the stress distribution and geometry. The

comparison between sewing model, control model and corresponding physical model is

made to validate the rationality of stress distribution and the form of sewing model after

forming. In this paper the finite element method is used to simulate the heat treatment

process of aortic valve stent forming. The geometric results of finite element model

were compared with the real geometry measurement results. The results show that, the

sewing model can better predict the morphology and stress condition of the stent after

forming.

Key Word: finite element, aortic valve, valve, stent

摘要

ABSTRACT

第一章绪可论 .............................................. 1

§1.1 前言 ................................................ 1

§1.2 人工心脏瓣膜的发展 .................................. 2

§1.2.1.机械瓣膜 ...................................... 3

§1.2. 2 生物瓣膜 ...................................... 4

§1.2.3 组织工程心脏瓣膜 ............................... 5

§1.2.4 介入式心脏瓣膜 ................................. 6

§1.3 介入式主动脉生物瓣膜 ................................ 6

§1.3.1 主动脉瓣膜介入背景 ............................. 6

§1.3.2 主动脉瓣膜介入现状 ............................. 7

§1.3.3 介入式主动脉生物瓣膜系统介绍 .................. 10

§1.3.4 主动脉瓣膜关键性能 ............................ 11

§1.4 人工生物瓣有限元研究现状 ........................... 12

§1.4.1 生物瓣瓣膜有限元研究现状 ...................... 12

§1.4.2 主动脉生物瓣膜支架有限元研究现状 ............. 15

§1.4.3 本课题研究内容 ............................... 15

第二章主动脉瓣膜瓣叶有限元模型的建立和验证 ................ 17

§2.1 主动脉瓣膜瓣叶三维模型构建 .......................... 17

§2.1.1 缝制模型 ...................................... 17

§2.1.2 对照模型 ...................................... 18

§2.2 模型的网格划分 ...................................... 18

§2.2.1 单元选择 ...................................... 18

§2.2.2 网格划分 ...................................... 20

§2.3 材料模型 ............................................ 20

§2.4 边界条件和载荷 ...................................... 21

§2.4.1 边界条件 ...................................... 21

§2.4.2 载荷 .......................................... 21

§2.5 结果和讨论 .......................................... 22

§2.5.1 应力分布 ...................................... 22

§2.5.2 瓣叶倾角 ...................................... 23

§2.5.3 闭合形态 ...................................... 24

§2.5.4 总结 .......................................... 25

§2.6 结论 ................................................ 25

第三章主动脉瓣膜支架有限元模型的建立和验证 ................ 26

§3.1 主动脉瓣膜支架成形 .................................. 26

§3.1.1 主动脉瓣膜支架成形过程简述 .................... 26

§3.1.2 支架成形模拟三维模型的构建 .................... 26

§3.1.3 主动脉瓣膜支架有限元模型网格划分 ............. 28

§3.1.4 支架材料属性的研究和设置 ...................... 29

§3.1.5 边界条件和载荷 ............................... 32

§3.1.6 有限元模型的验证 ............................. 34

§3.2 主动脉瓣膜支架模型的支撑力分析 ...................... 38

§3.2.1 支架支撑力几何模型 ............................ 38

§3.2.2 单元设置 ...................................... 40

§3.2.3 支撑力测试边界条件和载荷 ...................... 41

§3.2.4 支撑力有限元模型的验证 ....................... 42

第四章总结与展望 .......................................... 44

§4.1 总结 ............................................... 44

§4.2 展望 ............................................... 44

第一章绪论

1.1

前言

心脏瓣膜是引导心脏血液循环流动的单向阀。心脏有四个腔室分别为右心房、

右心室、左心房和左心室，如图 1-1 所示。血液在心脏内只按照一定的方向流动泵

出而不发生倒流，这是由于其内部具有瓣膜结构，瓣膜功能类似单向阀，只能朝

一个方向开启，从而控制血液在心脏内的流动方向。

图1-1 心脏结构解剖图

人体心脏内共有四组瓣膜，即三尖瓣、二尖瓣、肺动脉瓣和主动脉瓣，如图

1-2 所示。其中主动脉瓣是位于左心室与主动脉之间，呈半月形的瓣膜。它能阻止

血液从主动脉向左心室流动，而当血液从左心室向主动脉流动时则不起阻拦作用。

图1-2 心脏瓣膜

人体心脏瓣膜若发生病变就会对生命安全造成严重威胁。常见的心脏瓣膜病

生物主动脉瓣的有限元研究

有瓣膜狭窄与瓣膜关闭不全等。药物治疗和手术换瓣是最常见的治疗心脏瓣膜病

方法。其中手术换瓣能从根本上解决病态瓣膜的结构和功能异常的问题，但存在

着一定的手术风险[1]。

1.2

人工心脏瓣膜的发展

根据瓣膜所用材料，人工心瓣可以分为机械瓣与生物瓣两大类。

机械瓣所用材料不具有生物活性，单纯从机械角度模拟天然心瓣在生理学及

医学上的功能，是以流体动力学为依据的一种机械装置。机械瓣作用于人体时其

流体类型为中心血流型，与人体心脏瓣膜的血流类型较接近，其跨瓣压差与湍流

剪应力较低，但血栓栓塞率高，且植入后需终生进行抗凝治疗，为病人带来许多

困扰。目前，生物瓣主要利用猪心包或牛心包作为瓣叶组织材料，是将生物材料

经特殊化学处理后制成的一种人工心脏瓣膜。生物瓣很好地模拟了人体瓣膜的力

学特性，血流动力学性能优越且无需终身抗凝，血栓栓塞发生率低，从而在提高

病人生活质量的同时很好地避免了抗凝相关并发症的发生。因此从最新资料来看，

生物瓣在临床心脏外科得到广泛地应用并且其使用呈逐年上升趋势[1, 4]。

目前，生物瓣与人体自体心脏瓣膜的功能之间仍存在巨大的差别，其耐久性

仍需得到极大的提高。瓣叶瓣架的几何构型不尽合理，几何精度低以及瓣膜的处

理水平、瓣叶钙化等因素都会对瓣膜的安全性有效性构成挑战。因此如何使生物

瓣拥有更加优良的性能，如何在瓣膜设计上使用现代化的设计理论与技术，以及

如何提高生物瓣膜的耐久性问题，成为今后生物瓣研制的主要目标[1]。

最先应用于临床的是机械瓣膜。机械瓣采用金属与热解碳材料制得，在生理

学及医学上模拟天然心瓣的一种机械装置。机械瓣的流场型接近于人体心脏瓣膜

的中心流型，跨瓣压差、湍流剪应力较低，但血栓栓塞率高，并且病人在植入机

械瓣膜后需作终生抗凝治疗。

生物瓣的出现略晚于机械瓣， 1965 年Binet 等首次将猪主动脉瓣直接植入人

体，1968 年Carpentier 等改进了生物瓣的工艺，为生物瓣的商业化奠定了基础。

生物瓣是将组织材料经过化学处理后制成的一种人工心脏瓣膜，其一般采用猪主

动脉瓣或牛心包等组织材料制作其瓣叶。生物瓣能很好地模拟人体瓣膜的力学特

性，较机械瓣来说其血流动力学性能优越得多，无需终身抗凝，且能大大降低血

管栓塞发生率。这些特点使病人能在使用生物瓣的同时避免抗凝相关并发症的发

生，大大地提高了病人生活质量，且提高了病人的抗感染力，避免了感染性心内

膜炎等疾病的发生，具有很多的优越性。因此，生物瓣在临床心脏外科得到广泛

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摘要：

摘要心脏瓣膜在人体心脏中起着血流导向的作用，人体心脏瓣膜若发生病变就会对生命安全造成严重威胁。常见的心脏瓣膜病有瓣膜狭窄与瓣膜关闭不全。药物治疗和手术换瓣是常见的治疗心脏瓣膜病方法。相对于外科手术,介入治疗对人体的创伤微小、术后恢复快、不留疤痕、不损伤劳动力,解除了很多患者的疾苦。在以往对瓣膜瓣架的分析中，通常使用计算机辅助设计（computeraideddesign，CAD）软件建立瓣叶或瓣架的三维几何形状，或利用影像技术，逆向工程构建瓣叶瓣架形态。然而，从设计角度出发，瓣叶与瓣架的具体都始于最初的二维平面设计。且若采取成形后测量数值建立其几何形态，由于其空间构形具有一定的复杂性，其形态参数...

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