冠狀動(dòng)脈狹窄血液動(dòng)力學(xué)建模與仿真研究.pdf

1、冠狀動(dòng)脈性心臟?。╟oronaryheartdisease，CHD），簡(jiǎn)稱冠心病，是由冠狀動(dòng)脈各種病變導(dǎo)致心肌供血不足或中斷所引起的心臟疾病。據(jù)世界衛(wèi)生組織2010年報(bào)告統(tǒng)計(jì)，在2008年估計(jì)有1730萬(wàn)人死于心血管疾病，占全球死亡總數(shù)的30％，其中約730萬(wàn)人死于冠心病，已經(jīng)嚴(yán)重危害人類的健康。研究CHD病理狀態(tài)下冠狀動(dòng)脈循環(huán)系統(tǒng)并分析其血液動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)于進(jìn)一步明確CHD發(fā)病機(jī)理和促進(jìn)臨床治療手段的提高具有重要的意義。由于有創(chuàng)介入性

2、臨床實(shí)驗(yàn)存在一些禁忌癥和并發(fā)癥的問(wèn)題，同時(shí)也由于生理系統(tǒng)自身的錯(cuò)綜復(fù)雜機(jī)制以及無(wú)擾動(dòng)在體實(shí)驗(yàn)手段的缺乏，通常采用建模與仿真方法研究生理系統(tǒng)的不同特征。
　　本文以冠狀動(dòng)脈系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)檢測(cè)采集數(shù)據(jù)和生理特征為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理、心血管系統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)模型和動(dòng)脈流體力學(xué)有限元分析方法，對(duì)冠狀動(dòng)脈狹窄的建模與仿真中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究。論文首先介紹了建模過(guò)程中涉及到的冠狀動(dòng)脈相關(guān)生理、病理知識(shí)，計(jì)算機(jī)圖像處理和仿真的理論基礎(chǔ)以及生理系統(tǒng)

3、建模、有限元分析常用方法。然后提出了一種改進(jìn)區(qū)域生長(zhǎng)算法，對(duì)亮度不均的冠狀動(dòng)脈造影圖像進(jìn)行血管分割提取，并使用MICCAI準(zhǔn)則對(duì)分割后的圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)。接著根據(jù)冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病病理特征建立冠狀動(dòng)脈血液循環(huán)電網(wǎng)絡(luò)模型，該模型能仿真冠狀動(dòng)脈狹窄病理情況，并分別仿真了不同程度（輕、中、重）度狹窄情況。最后在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同程度的冠狀動(dòng)脈狹窄的病變異常情況進(jìn)行流體力學(xué)有限元數(shù)值模擬分析，仿真結(jié)果與臨床實(shí)際生理現(xiàn)象相吻合。
　　本文的

4、主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新工作如下:
　　1.冠狀動(dòng)脈造影過(guò)程中，由于人體骨骼、肌肉、器官等組織對(duì)X射線吸收程度不同，得到的冠狀動(dòng)脈造影圖像亮度不均勻，傳統(tǒng)的區(qū)域生長(zhǎng)算法無(wú)法準(zhǔn)確分割不均勻亮度的圖像，而且種子點(diǎn)的選取需要人工交互，效率低下。針對(duì)傳統(tǒng)區(qū)域生長(zhǎng)算法的不足之處，提出了一種改進(jìn)區(qū)域生長(zhǎng)算法，該算法自動(dòng)生成一組種子點(diǎn)，種子點(diǎn)生長(zhǎng)時(shí)，使用生長(zhǎng)區(qū)域的局部平均值作為生長(zhǎng)準(zhǔn)則中的參數(shù)，最后使用MICCAI準(zhǔn)則對(duì)分割后的圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)表明

5、，使用該算法對(duì)冠狀動(dòng)脈造影圖像進(jìn)行分割，能得到較好的結(jié)果，且不需要人工交互，提高了圖像分割的效率和準(zhǔn)確性。
　　2.在左心循環(huán)系統(tǒng)的血流動(dòng)力學(xué)仿真建模的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的病理學(xué)特點(diǎn)及臨床數(shù)據(jù)，建立了描述心血管冠狀循環(huán)與系統(tǒng)循環(huán)之間血液動(dòng)力學(xué)關(guān)系的模擬電路模型，并運(yùn)用Matlab/Simulink工具對(duì)模型進(jìn)行仿真，模擬冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病病理狀態(tài)下的冠狀動(dòng)脈循環(huán)血流情況。通過(guò)修改模型參數(shù)，能模擬不同個(gè)體生理情況

6、特征，仿真不同程度的冠狀動(dòng)脈狹窄的血流情況。仿真波形與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，通過(guò)對(duì)血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)FFRmyo的計(jì)算，也進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。
　　3.根據(jù)冠狀動(dòng)脈局部狹窄的特點(diǎn)，通過(guò)基于有限元分析的CFD軟件ANSYS/FLOTRAN以心血管系統(tǒng)中冠狀動(dòng)脈血液的流動(dòng)作為研究對(duì)象，對(duì)不同程度的冠狀動(dòng)脈狹窄的病變異常情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到冠狀動(dòng)脈內(nèi)血流的速度矢量圖及壓力等值線圖，直觀地反映狹窄冠狀動(dòng)脈內(nèi)血流場(chǎng)的壓力變化，研究局部