二尖瓣有限元建模与生物力学分析

【摘要】二尖瓣是人体心脏中重要的瓣膜组织,它位于左房室口周缘,借助连于乳头肌的腱索的牵拉作用,在心脏压力与血液动力的综合作用下做周期性的启闭运动,保证心脏内部正常的血液循环功能。瓣膜的受力大小是影响生物瓣膜使用性能的一个重要因素,临床所见瓣膜撕裂、穿孔位置多出现在应力集中位置,与瓣叶内部承受的应力分布直接相关,因此通过对二尖瓣进行应力分析有利于认识并了解二尖瓣瓣膜失效的力学原理,对研究二尖瓣力学机理、模拟二尖瓣脱垂等病理结构以及指导心脏外科瓣膜成形术等方面具有重要意义。论文以心脏二尖瓣的结构组成为基础,利用建模软件(UG)、有限元分析软件(ANSYS)对人工二尖瓣、人体二尖瓣进行生物力学分析,同时模拟二尖瓣瓣叶脱垂(mitralvalveprolapse,MVP)的病理情况。论文首先介绍了建模过程中涉及到的心脏二尖瓣生理结构,二尖瓣病理生理知识,有限元分析的理论基础以及建模的方法。然后建立长方形无支架心包人工二尖瓣的物理模型,对模型在左心室舒张期及左心室等容舒张期的应力情况及形变进行仿真,并对结果进行验证分析,实验结果表明长方形无支架心包二尖瓣应力分布形变与人体动力学实验中结果基本一致。同时,在此模型的基础上,分析了长方形无支架心包二尖瓣的瓣叶基部宽度与瓣叶应力分布之间的关系。其次,根据人体二尖瓣的真实形态建立了人体二尖瓣的有限元模型,并仿真该模型在整个心动周期内的动态变化,分析人体二尖瓣在整个心动周期内的形态变化及应力分布变化。同时建立多个比对模型,分析二尖瓣瓣膜厚度对瓣叶应力分布以及闭合情况的影响。最后,基于人体二尖瓣的有限元模型,模拟二尖瓣瓣叶脱垂的病变情况,建立二尖瓣瓣叶脱垂对比模型,比较分析不同程度(轻、中、重)的二尖瓣瓣叶脱垂对二尖瓣形态及应力分布的影响。论文的主要研究工作与创新包括如下几点：1.以临床常用的人工长方形无支架心包二尖瓣模型为基础,对该模型进行材料定义及网格划分,建立有限元模型,并通过施加边界约束及负载条件,仿真长方形无支架心包二尖瓣在心动周期内的形变及应力情况,得到长方形无支架心包二尖瓣在左心室舒张期及左心室等容舒张期的形变图以及静态应力分布图。仿真得到的前后瓣叶的形变与体外流体力学的动力学实验中实际形变结果一致,前后瓣叶的应力分布也与临床中二尖瓣的应力情况相吻合,表明了有限元分析法的正确性。最后对该模型中瓣叶的应力分布与瓣叶基部宽度的关系进行对比分析。2.以人体二尖瓣的生理构造为基础,建立接近人体二尖瓣的物理模型,同时在整个心动周期内对该模型进行动态的生物力学分析,模拟人体二尖瓣在心动周期内的形态变化及应力分布变化状态。仿真结果表明人体二尖瓣模型在心动周期内的形态变化能很好地反应出二尖瓣的运动状态,二尖瓣应力最大的区域也出现在临床上二尖瓣撕裂的常发生位置,结果较好地与临床经验数据相符合,更充分地说明了模型与仿真方法的合理性。并在此基础上,建立多个比对模型,研究分析了二尖瓣瓣膜厚度对前后瓣叶应力的影响。3.在人体二尖瓣模型的基础上,仿真二尖瓣瓣叶脱垂的病变情况,利用有限元算法得到二尖瓣病变模型在心动周期内的瓣叶闭合情况以及应力分布情况,并与基础二尖瓣模型的闭合情况与应力分布进行比较,定性的分析二尖瓣瓣叶脱垂对二尖瓣正常生理功能的影响,最后建立了具有不同脱垂程度的二尖瓣瓣叶脱垂病变模型,研究瓣叶脱垂程度对二尖瓣形态及应力的影响。
【作者】罗云；
【导师】黄晓阳；
【作者基本信息】厦门大学，计算机系统结构，2014，硕士
【关键词】仿真；二尖瓣；有限元分析；应力分布；

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