生物瓣膜非線性力學(xué)性能分析.pdf

1、瓣膜置換手術(shù)是目前治療心臟瓣膜疾病最有效的方法,自1965年生物瓣首次植入人體以來,由于生物瓣較機(jī)械瓣具有優(yōu)良的生物相容性,且病人無需進(jìn)行長期抗凝治療,因此在臨床中得到廣泛應(yīng)用。但是,生物瓣應(yīng)用的最大問題是其耐久性不如機(jī)械瓣。國內(nèi)外研究表明生物瓣的失效形式主要有鈣化和撕裂,這兩種失效形式均與瓣葉內(nèi)部的應(yīng)力分布有關(guān)。
　　 生物瓣膜瓣葉通常采用豬主動脈瓣和牛心包作為材料,豬主動脈瓣可以看作是一種按特殊規(guī)律排列的膠原纖維加強(qiáng)的彈性網(wǎng)

2、,其表現(xiàn)出如同各向異性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特性。材料非線性各項(xiàng)同性及正交各向異性對于心臟瓣膜的力學(xué)性能與機(jī)械損傷有著重要的影響,然而,由于瓣膜復(fù)雜的自然結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)和模擬瓣膜材料非線性特性仍存在很大的挑戰(zhàn)。因此,建立生物瓣膜有限元模型,并對其進(jìn)行材料非線性力學(xué)性能分析,研究瓣膜閉合階段材料非線性各項(xiàng)同性及正交各向異性的應(yīng)力分布及變形情況對于分析生物瓣膜應(yīng)力分布和優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要的作用。同時對于研究影響人工心臟瓣膜應(yīng)力分布的因素具有十分重要的

3、理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文利用殼模型及拉格朗日方法,通過建立符合空間幾何方程的圓柱面、圓球面、旋轉(zhuǎn)拋物面和橢球面四種參考型面,依次與其對應(yīng)的倒圓錐面相交確定邊界線和重要點(diǎn)的空間位置,得到一系列較為精確的尺寸參數(shù),建立瓣葉數(shù)學(xué)模型,并對其進(jìn)行幾何非線性、材料非線性各項(xiàng)同性及正交各向異性的力學(xué)性能分析,得到接近自然瓣膜的應(yīng)力分布情況,通過比較各種型面瓣葉的應(yīng)力分布及變形情況發(fā)現(xiàn):瓣葉幾何非線性與材料非線性分析中應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在

4、瓣葉與瓣架結(jié)合點(diǎn)的最高處,在正交各向異性分析中,橢球型面與旋轉(zhuǎn)拋物型面瓣葉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在瓣葉與瓣架縫合區(qū)域的最低處,圓球型面與圓柱型面瓣葉峰值出現(xiàn)在瓣葉與瓣架結(jié)合點(diǎn)的最高處,瓣葉最大應(yīng)力值高于各項(xiàng)同性瓣葉,這是由于各項(xiàng)異性瓣葉在徑向方向上有較高的楊氏模量,同時,由于各向異性材料在軸向方向上剛度減小,所以對稱邊的變形較大。綜上所述,橢球型面瓣葉的力學(xué)性能較好,優(yōu)于圓球型面瓣葉、旋轉(zhuǎn)拋物型面瓣葉和圓柱型面瓣葉,同時生物瓣膜材料各向異性特性對