基于各向異性超彈性的多層冠狀動(dòng)脈有限元模型及其應(yīng)用.pdf

1、心血管疾病是影響人類健康與生存的主要疾病之一，而心血管疾病多發(fā)生在冠狀動(dòng)脈內(nèi)。正確了解并認(rèn)識(shí)冠狀動(dòng)脈的生物力學(xué)特性對(duì)于預(yù)防和治療心血管疾病都有重要的意義，而動(dòng)脈壁的本構(gòu)關(guān)系又是研究其生物力學(xué)性質(zhì)和臨床介入診斷與治療的基礎(chǔ)。近年來(lái)，對(duì)于動(dòng)脈血管的研究不斷深入，許多的專家學(xué)者都針對(duì)動(dòng)脈壁的力學(xué)特性提出了多種本構(gòu)關(guān)系假說(shuō)。G.A.Holzapfel在2000年提出了一種動(dòng)脈壁各向異性超彈性力學(xué)性質(zhì)的本構(gòu)方程。這種本構(gòu)關(guān)系從動(dòng)脈壁血管的微觀生物

2、力學(xué)結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究了動(dòng)脈壁纖維對(duì)其生物力學(xué)性質(zhì)的影響，在此基礎(chǔ)上給出一個(gè)基于應(yīng)變張量不變量的應(yīng)變能密度函數(shù)。隨后T.C.Gasser和R.W.Ogden又分別對(duì)這種本構(gòu)方程進(jìn)行了改進(jìn)和完善，從而得到了更加準(zhǔn)確的本構(gòu)方程（即HGO材料模型）。根據(jù)本構(gòu)關(guān)系獲得的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分符合，這也驗(yàn)證了該本構(gòu)方程的合理性。
　　本研究的主要目的是建立一個(gè)真實(shí)可靠的冠狀動(dòng)脈壁血管模型，為人們了解人體軟組織的生物力學(xué)特性提供參考，同時(shí)也為研究

3、心血管介入手術(shù)治療如冠狀動(dòng)脈粥樣硬化、冠脈支架內(nèi)再狹窄等提供幫助。本文利用上述HGO本構(gòu)方程的假設(shè)進(jìn)行冠狀動(dòng)脈血管的研究，為了在有限元軟件中實(shí)現(xiàn)這種材料本構(gòu)關(guān)系，對(duì)有限元軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，編寫了基于FORTRAN語(yǔ)言的用戶子程序，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的有限元模擬。由于單獨(dú)的動(dòng)脈壁模型不涉及到接觸問(wèn)題，且?guī)缀涡螤詈?jiǎn)單，因此采用的是標(biāo)準(zhǔn)隱式的算法。通過(guò)對(duì)動(dòng)脈壁外觀形狀的簡(jiǎn)化，我們把動(dòng)脈壁看作是圓柱體。根據(jù)其對(duì)稱性，建立了動(dòng)脈壁的14有限元模型，

4、并對(duì)模型施加了預(yù)拉伸和血壓，以模擬真實(shí)的血管壁力學(xué)環(huán)境。同時(shí)對(duì)動(dòng)脈壁施加軸向和周向的拉伸載荷來(lái)模擬單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得了動(dòng)脈壁隨材料參數(shù)變化的應(yīng)力響應(yīng)。隨后對(duì)獲得的冠狀動(dòng)脈模型進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)M，對(duì)其在不同材料參數(shù)下的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明獲得的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近。
　　在此基礎(chǔ)上我們建立了冠脈支架和動(dòng)脈壁的耦合模型。動(dòng)脈壁的模型主要包括三個(gè)部分，分別是內(nèi)膜層、中膜層和外膜層。冠脈支架和動(dòng)脈壁的耦