基于CT圖像的生物瓣膜三維模型重建及有限元分析.pdf

1、隨著人民生活水平的提高和老年人口數(shù)量的增加，心血管疾病的發(fā)生率有所增大，其中心臟瓣膜疾病屬于心血管疾病的一種。瓣膜發(fā)生病變后危及患者生命安全、降低生活質(zhì)量，還給其家人及社會造成沉重的壓力和負(fù)擔(dān)。通常造成心臟瓣膜發(fā)生病變的原因有結(jié)構(gòu)組織功能性退化、應(yīng)力應(yīng)變引起疲勞損壞和外界原因造成瓣葉鈣化。對病情較重的患者而言，有效的治療手段是及時更換心臟瓣膜。生物瓣膜與人體心臟瓣膜極其接近，具有相似的血液動力學(xué)性能，置換后患者無需終生抗凝治療，而且引起

2、的并發(fā)癥較少。但是生物瓣膜有其自身材料特性，在不斷受到血流沖擊的影響下，會發(fā)生瓣葉鈣化、退化和撕裂，這明顯縮短了生物瓣膜的使用壽命。因此，致力于提高生物瓣膜的耐久性，找出瓣葉的破損原因，設(shè)計出具有優(yōu)良性能的生物瓣膜是當(dāng)前的重要任務(wù)。
　　本論文通過提取醫(yī)學(xué)影像掃描數(shù)據(jù)，將得到的心臟掃描二維圖像利用三維建模軟件打開，并通過閥值提取、編輯修改、區(qū)域增長以及二次網(wǎng)格劃分等工具完成心臟瓣膜和動脈壁的重建。配合逆向軟件對模型做點(diǎn)云處理、多邊

3、形處理和曲面分析對模型做進(jìn)一步優(yōu)化，使之最終能夠?qū)胗邢拊治鲕浖?。所建模型不但可以真?shí)地表達(dá)人體心臟瓣膜結(jié)構(gòu)的外型特征，還能利用有限元分析軟件進(jìn)行模擬仿真得到相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，對體外試驗是有力補(bǔ)充。
　　利用有限元分析軟件ANSYS Workbench，對瓣葉施加動態(tài)壓力來模擬血液沖擊瓣葉的過程，其中瓣葉的材料設(shè)置來源于臨床數(shù)據(jù)。通過有限元應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果表明:瓣葉撕裂與瓣葉所受的最大應(yīng)力和應(yīng)力集中程度有關(guān)，最大應(yīng)力和應(yīng)力集

4、中的區(qū)域一般容易發(fā)生瓣葉損壞和破裂，其發(fā)生部位主要在瓣葉受力最大的縫合邊。心臟瓣膜厚度一般是0.25-0.5mm，通過改變瓣葉的厚度對瓣膜進(jìn)行動態(tài)力學(xué)性能分析，發(fā)現(xiàn):當(dāng)瓣葉厚度為0.4mm時，瓣葉各項動態(tài)力學(xué)性能最優(yōu)，所以在對瓣葉的厚度選擇時應(yīng)考慮0.4mm為最佳參考值。通過提取臨床CT數(shù)據(jù)對動脈壁和心臟瓣膜進(jìn)行三維重建以及動態(tài)場分析，可知:最大等效應(yīng)力、最大主應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力隨在瓣葉厚度方向的變化較明顯，這與心臟瓣膜的真實(shí)情況相符合