基于逆向工程的動(dòng)脈瘤及支架的數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著技術(shù)進(jìn)步，支架介入治療心腦血管動(dòng)脈瘤越來越普及。支架結(jié)構(gòu)、支架絲截面形狀、通透率、支架放置位置、支架連接體形狀及支架疲勞特性等這些因素會(huì)對(duì)支架治療動(dòng)脈瘤產(chǎn)生不同的影響。在相等通透率條件下，對(duì)不同結(jié)構(gòu)、不同截面形狀支架對(duì)個(gè)體化頸內(nèi)動(dòng)脈瘤治療有何不同的血液動(dòng)力學(xué)方面的影響，還沒有這方面的研究報(bào)告。為了研究支架對(duì)個(gè)體化腦動(dòng)脈瘤血液動(dòng)力學(xué)特性的影響，首先必須建立基于醫(yī)學(xué)掃描圖像的個(gè)體化血管模型。本文基于逆向工程思想構(gòu)建了人體個(gè)體化動(dòng)脈瘤模型

2、，進(jìn)行了動(dòng)脈痛及其支架治療的血液動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究。
　　 以提高個(gè)體化動(dòng)脈血管進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析效率和減小計(jì)算誤差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探討了兩種從醫(yī)學(xué)掃捕圖像到數(shù)值模擬計(jì)算流程的優(yōu)缺點(diǎn)（分別基于STL模型與NURBS模型）。以快速準(zhǔn)確構(gòu)建動(dòng)脈血管表面模型為標(biāo)準(zhǔn)，探討了不同圖像分割方法的優(yōu)缺點(diǎn)。以提高動(dòng)脈血管模型體網(wǎng)格質(zhì)量為目標(biāo)，探討了如何提高表面模型面網(wǎng)格質(zhì)量。
　　 依據(jù)上述建模方法，分別構(gòu)建了一個(gè)胸主動(dòng)脈和一個(gè)頸內(nèi)動(dòng)脈

3、瘤血管模型，以便于進(jìn)行生物力學(xué)分析。在此基礎(chǔ)上，按照逆向工程中生成NURBS曲面模型的方法，建立了頸內(nèi)動(dòng)脈瘤血管壁模型。所建立的個(gè)體化頸內(nèi)動(dòng)脈瘤模型，不僅具有一個(gè)側(cè)壁動(dòng)脈瘤，而且有一個(gè)較大的S型彎曲。為了研究Von Mises Stress在血管壁面上的分布特性及隨時(shí)間變化特性，對(duì)建立的個(gè)體化頸內(nèi)動(dòng)脈血管模型進(jìn)行了瞬態(tài)流固耦合計(jì)算。對(duì)建立的血管壁模型進(jìn)行了靜態(tài)有限元分析，以確定是否可用靜態(tài)有限元分析替代流固耦合計(jì)算來推斷Von Mise

4、s Stress分布特性。經(jīng)過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)雖然個(gè)體化血管模型幾何形狀復(fù)雜，但靜態(tài)有限元分析獲得的Von Mises Stress分布特性可以替代流固耦合計(jì)算，兩者之間相差不大。根據(jù)臨床實(shí)踐測得的血流速度值同數(shù)值模擬獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，初步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。
　　 為了探討支架結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)脈痛血流動(dòng)力學(xué)的影響，設(shè)計(jì)構(gòu)建了五種不同結(jié)構(gòu)、不同截面形狀裸支架（通透率近似相等）的三維實(shí)體模型。利用計(jì)算流體力學(xué)方法，借助于有限元軟

5、件ANSYS CFX11.0對(duì)五種支架分別植入頸內(nèi)動(dòng)脈瘤前后進(jìn)行數(shù)值模擬研究。提取和分析了支架植入動(dòng)脈瘤前后瘤腔內(nèi)的流線、速度等值面面積、壁面切應(yīng)力和壓力等血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明支架植入動(dòng)脈瘤后瘤腔內(nèi)的血流速度被削弱，血流對(duì)動(dòng)脈瘤遠(yuǎn)端沖擊面積減小，其中以圓形截面螺旋支架及矩形截面網(wǎng)格支架沖擊面積減小最多。植入支架的五個(gè)模型中動(dòng)脈瘤頂部局部較高壁面切應(yīng)力區(qū)域完全消失，動(dòng)脈瘤壁面壓力略有增加，但增加值可忽略不計(jì)。
　　 本文摸索出

6、來的方法具有較強(qiáng)的通用性，不僅適用于人體動(dòng)脈血管，同樣可以用于建立類似的血管甚至其他組織的個(gè)體化有限元模型。依據(jù)醫(yī)學(xué)掃描圖像建立的個(gè)體化模型在幾何形狀上更接近真實(shí)情況，為真實(shí)反映血液真實(shí)流動(dòng)情形（特別是局部流動(dòng)特性）打下了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：(1)對(duì)具有較大S型彎曲且?guī)в袀?cè)壁動(dòng)脈瘤的個(gè)體化頸內(nèi)動(dòng)脈模型進(jìn)行了瞬態(tài)流固數(shù)值模擬計(jì)算。經(jīng)過對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)脈痛血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬中，可以使用靜態(tài)有限元分析替代流固耦合計(jì)

7、算獲得的內(nèi)壁而Von Mises Stress大小和分布特性。(2)在近似相等通透率條件下，對(duì)五種不同支架對(duì)動(dòng)脈瘤腔的血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算研究，綜合考慮動(dòng)脈瘤遠(yuǎn)端血流沖擊面積減小量、動(dòng)脈瘤WSS減小情況及支架彎曲變形能力，發(fā)現(xiàn)矩形截面網(wǎng)格支架具有較優(yōu)的性能。這可以為支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些理論指導(dǎo)意義。(3)通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在植入支架后，動(dòng)脈瘤壁面壓力值略有增加（同沒有支架的血管模型比較）。這同已有的一些研究報(bào)告結(jié)論正好相反