（設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)專業(yè)論文）計(jì)算機(jī)輔助生物瓣膜參數(shù)化造型設(shè)計(jì)與有限元分析.pdf

摘要 摘要 對(duì)心臟瓣膜疾病患者進(jìn)行瓣膜置換手術(shù)是挽救病人生命的有效手段 面對(duì)有 關(guān)人工心瓣瓣型設(shè)計(jì) 流場(chǎng)理論 啟閉機(jī)理研究 湍流射流效應(yīng) 生物材料等理 論研究的不斷深入 圍繞人工生物瓣膜抗血栓 防鈣化 大幅度提高使用壽命展 開的計(jì)算機(jī)輔助心瓣造型設(shè)計(jì)理論與技術(shù)的研究表現(xiàn)出廣闊的前景 本文依據(jù)心臟解剖學(xué) 薄膜殼體理論 以接近或達(dá)到人體天然心瓣的性能為 目的 將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法相結(jié)合 提出構(gòu)建人工生物心臟瓣膜參數(shù) 化模型的新方法 以采集臨床心瓣動(dòng)態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ) 通過對(duì)人體心瓣自然形態(tài)的 分析導(dǎo)引出人工生物瓣膜的基本雛形 構(gòu)建生物瓣膜參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái) 在薄膜應(yīng) 力分析的基礎(chǔ)上參考四種瓣葉參考型面 運(yùn)用c a i d 參數(shù)化軟件p r o e 分別創(chuàng)建符 合空間幾何方程的圓柱面 圓球面 旋轉(zhuǎn)拋物面和橢球面 隨之依次與其對(duì)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) 建立瓣葉參數(shù)化模型 并利用有限元軟件a n s y s 對(duì)各構(gòu)型瓣葉參數(shù)的變化進(jìn)行了 應(yīng)力分析 有限元分析是目前心瓣應(yīng)力計(jì)算普遍采用的方法 是人工心臟瓣膜抗疲勞 防鈣化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟 而有限元軟件自身存在著建模功能薄弱的不足 計(jì)算機(jī) 輔助心瓣造型設(shè)計(jì)的引入為人工生物瓣膜的參數(shù)化造型提供了極大的方便 并在 保證建模效果的前提下進(jìn)一步提高了各參數(shù)的準(zhǔn)確性 人工心瓣的計(jì)算機(jī)輔助設(shè) 計(jì)為生物瓣膜的有限元分析和動(dòng)態(tài)模擬創(chuàng)造了條件 同時(shí)又能夠根據(jù)有限元分析 結(jié)果評(píng)測(cè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)造型的優(yōu)劣性 進(jìn)而選擇一種優(yōu)化的生物瓣膜瓣型 文 中對(duì)不同構(gòu)型 不同厚度 不同傾角以及不同材料特性等系列瓣葉參數(shù)化模型進(jìn) 行了分析 并在有限元分析結(jié)果的指導(dǎo)下 通過比較各構(gòu)型瓣葉應(yīng)力分布情況 最終選擇應(yīng)力分布較為均勻合理的有一定傾角的橢球面型瓣葉構(gòu)型 以用于生物 瓣膜的設(shè)計(jì) 制作 為生物瓣膜的進(jìn)一步研究 進(jìn)行離體和在體實(shí)驗(yàn)及批量生產(chǎn) 奠定良好的基礎(chǔ) 關(guān)鍵詞生物瓣膜 c a i d 有限元分析 參數(shù)化模型 i x 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 a b s t r a c t t h ev a l v er e p l a c e m e n ts u r g e r yo np a t i e n t sw i t hh e a r tv a l v ed i s e a s ei sa ne f f e c t i v e m e a n so fs a v i n gt h e i rl i v e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e o r e t i c a ls t u d yo nb i o p r o s t h e t i c h e a r tv a l v ed e s i g n f l o wf i e l dt h e o r y o p e na n dc l o s em e c h a n i s m t u r b u l e n tje t b i o m a t e r i a l s e t c c o m p u t e r a i d e dt h e o r ya n dt e c h n o l o g yr e s e a r c ha r o u n da n t i t h r o m b u s a n t i c a l c i f i c a t i o na n dt h ed u r a b i l i t yo fb i o p r o s t h e t i ch e a r tv a l v ew i l ls h o wb r o a d p r o s p e c t s b a s e do nt h eh e a r ta n a t o m y m e m b r a n et h e o r y w ee s t a b l i s ht h eg e o m e t r i c a l p a r a m e t r i cm o d e lo fb i o p r o s t h e t i ch e a r tv a l v eb yp r o et or e a c h 也ef u n c t i o no ft h e h u m a nh e a r tv a l v e s o nt h eb a s i so fc l i n i c a ld y n a m i cp a r a m e t e r s w eg e tp r o t o t y p ea n d c o n s t r u c tp a r a m e t r i cm o d e lo fb i o p r o s t h e t i cv a l v eb ya n a l y z i n gn a t u r a lf o r mo fh u m a n v a l v e c o n s i d e r i n gb o t ht r a d i t i o n a ld e s i g nt h e o r i e sa n dm o d e md e s i g nm e t h o d w et a k e t u m st oc r e a t et h ec y l i n d e r s p h e r e p a r a b o l o i d e l l i p s o i ds u r f a c e sa n dt h e nm a k et h e mt o i n t e r s e c tw i t hi n v e r s ec o n i cs u r f a c e si no r d e rt og e ts a t i s f yb o u n d a r yc u r v e sa n d i m p o r t a n tp o i n t so nt h ea c t u a lc o n d i t i o n a f t e rc o n s t r u c t i n gp a r a m e t r i cm o d e l so f b i o p r o s t h e t i ch e a r tv a l v e sv i ac o m p u t e ra i d e dd e s i g n as e r i e so fa c c u r a t ed i m e n s i o n p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d t h e na n a l y z et h e s t r e s sd i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tp a r a m e t r i c m o d e l sb yt h ea n s y ss o f t w a r e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sd e f e c t i v ei nm o d e l i n gf u n c t i o nt h o u g hi ti su s e d c o m m o n l yo ns t r e s sa n a l y s i s w h i c hi sa l s oc r u c i a lt o t h ed e s i g no fa n t i f a t i g u ea n d a n t i c a l c i f i c a t i o no fb i o p r o s t h e t i ch e a r tv a l v e t h ei n t r o d u c t i o no fc o m p u t e ra i d e d d e s i g np r o v i d eac o n v e n i e n c et ot h ep a r a m e t r i cm o d e lo fb i o p r o s t h e t i ch e a r tv a l v ea n d i m p r o v e t h ea c c u r a c yo fp a r a m e t r i cm o d e l s c o m p u t e ra i d e dd e s i g nc r e a t et h e c o n d i t i o n sf o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dd y n a m i cs i m u l a t i o no fb i o p r o s t h e t i ch e a r t v a l v e a n da l s oc a nc h o o s et h eo p t i m i z a t i o nc o n f i g u r a t i o nb yt h er e s u l t so ff i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s i nt h i sa r t i c l e w ea n a l y s et h ep a r a m e t r i cm o d e lo fb i o p r o s t h e t i ch e a r t v a l v ew i t hd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n s d i f f e r e n tt h i c k n e s s d i f f e r e n ta n g l e sa n dd i f f e r e n t m a t e r i a lp r o p e r t i e s a n dc o m p a r et h es t r e s sd i s t r i b u t i o na c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s f i n a l l yc h o o s e t h e e l l i p s o i d s u r f a c ec o n f i g u r a t i o n i ms t r e s s d i s t r i b u t i o nm o r er e a s o n a b l ew h i c hc a nb ea p p l i e di nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e t h i s w o r ki sv e r yh e l p f u lt om a k eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rt h eb i o p r e s t h e t i ch e a r tv a l v ea n d p r o l o n gt h el i f e t i m eo ft h es y n t h e t i ch e a r tv a l v e k e yw o r d sb i o p r o s t h e t i ch e a r tv a l v e c a i d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s p a r a m e t r i cm o d e l x 縮略語 縮略語 b h v b i o p r o s t h e t i ch e a r tv a l v e f e af i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s f e mf i n i t ee l e m e n tm o d e l 生物心臟瓣膜 有限元分析 有限元模型 c a i d c o m p u t e ra i d e di n d u s t r i a ld e s i g n計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì) c a d c o m p u t e ra i d e dd e s i g n計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) c a e c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g計(jì)算機(jī)輔助工程 c a m c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g計(jì)算機(jī)輔助制造 c i m s c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) s y s t e m r e r e v e r s ee n g i n e e r i n g w c sw o r l dc o o r d i n a t es y s t e m 反求工程 世界坐標(biāo)系 e o ae f f e c t i v eo r i f i c ea r e a 有效瓣口面積 t p gt r a n s v a l v u l a rp r e s s u r eg r a d i e n t 跨瓣壓差 m r vm e a n r e g u r g i t a n tv o l u m e平均返流量 x i 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不 包含任何其他個(gè)人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果 對(duì)本文的研 究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本聲明 的法律責(zé)任由本人承擔(dān) 論文作者簽名 至墮生日期 哆 f 墅 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人同意學(xué)校保留或向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的印刷件和 電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論 文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印 或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 論文作者簽名 蘭蛛師簽名 日期 型魚 三 蘭 第1 章緒論 1 1 課題的提出與意義 第1 章緒論 人體心臟有四組瓣膜 它們與心臟舒縮同步開關(guān) 達(dá)到控制血液流向的目的 從工程角度而言 人的心臟恰似血泵 而瓣膜則是導(dǎo)致血液循環(huán)流動(dòng)的單向閥 人體天然心瓣不僅效率高 而且壽命長(zhǎng) 一個(gè)人若活7 0 歲 其心瓣要不停的開閉 達(dá)3 0 億次 心臟瓣膜疾病是最常見的心臟病 其發(fā)病占整個(gè)心臟病的一半 人體 心臟瓣膜一旦發(fā)生病變就會(huì)危及生命 一旦心臟瓣膜受損 尤其是瓣膜病變嚴(yán)重 的患者 人工瓣膜的替換將成為唯一有效的治療手段 其成功率可達(dá)9 8 5 以上 目前對(duì)于心臟瓣膜疾病的治療仍以實(shí)施完全的人工瓣膜置換為主 人工心臟 瓣膜是指能使血液?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)而不返流 具有并能代替天然心臟瓣膜功能 臨床應(yīng) 用較為廣泛的一種人工器官 大量的文獻(xiàn)資料 人工心瓣權(quán)威專家的意見都表明 提高人工心瓣的在體耐久性 即壽命 是一切人工心瓣研究工作的最高目標(biāo) 迄今國(guó)內(nèi)外對(duì)生物瓣的研究主要集中在流體動(dòng)力學(xué)范疇 且多用常規(guī)技術(shù)方法 目前研制成型的h a n c o c k 瓣 c a r p e n t i e re d w a r d s c e 瓣 m e d i c a lm i t r o f l o w 瓣 l o n e s c u s h i l e y l s 瓣等不同結(jié)構(gòu) 葉面形狀 瓣葉材料的生物瓣 卜2 1 雖都已成 功的應(yīng)用于臨床 但目前國(guó)內(nèi)外的生物瓣的功能與人體天然心瓣仍差別很大 在 體壽命仍不理想 其耐久性有待提高 究其原因主要有 瓣架幾何精度不高 構(gòu) 型不盡合理以至瓣葉撕裂 瓣膜可靠性較差及瓣葉鈣化等因素 針對(duì)生物瓣膜耐 久性欠佳 可能出現(xiàn)鈣化和撕裂等失效形式 研制性能優(yōu)良的生物瓣膜 探索現(xiàn) 代化設(shè)計(jì)理論與技術(shù) 是國(guó)內(nèi)外生物瓣膜研究領(lǐng)域亟待解決的問題 成為現(xiàn)今人 工生物心瓣設(shè)計(jì)的焦點(diǎn) 3 6 運(yùn)用新方法改進(jìn)瓣型設(shè)計(jì)是生物瓣膜性能改善的主要研究方向之一 利用計(jì) 算機(jī)造型設(shè)計(jì)理論與技術(shù)將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法相結(jié)合成為較為普遍的 心瓣設(shè)計(jì)手段 國(guó)內(nèi)外一些研究表明 生物瓣膜的失效形式主要有鈣化和撕裂 這 兩種失效形式與瓣葉內(nèi)部的應(yīng)力分布有關(guān) 然而 由于瓣膜的工作環(huán)境 瓣葉的材 料特性的獨(dú)特性等原因 很難實(shí)測(cè)瓣葉產(chǎn)生鈣化后的內(nèi)應(yīng)力的分布 使得對(duì)瓣葉的 山東大學(xué)碩十學(xué)何論文 耐久力的分析尚無科學(xué)性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ) 因此研究人工心臟瓣膜的應(yīng)力分布情況及 其影響因素具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義 計(jì)算機(jī)有限元分析方法在生物 瓣膜設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)力分布的分析已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展 但缺少系統(tǒng)性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)參 數(shù)化模型以便進(jìn)行比較 7 9 基于這樣的認(rèn)識(shí) 本文以心瓣流體動(dòng)力學(xué) 薄膜殼體 理論為依據(jù) 以采集臨床心瓣動(dòng)態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ) 以p r o e a n s y s 等軟件為工具 通過對(duì)人體心瓣自然形態(tài)的分析導(dǎo)引出人工生物瓣膜的基本雛形 構(gòu)建生物瓣膜 參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái) 建立瓣葉參數(shù)化模型 進(jìn)行幾何造型 參數(shù)優(yōu)化處理 對(duì)瓣膜 進(jìn)行力學(xué)性能分析及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 通過c a i d 的三維造型功能與有限元分析的結(jié) 合 最終得出設(shè)計(jì)生物瓣膜的新理論與新方法 為進(jìn)一步的模具設(shè)計(jì) 數(shù)控加工 和激光焊接工藝提供依據(jù) 通過這些理論與技術(shù) 設(shè)計(jì) 研制新的造型結(jié)構(gòu)的生 物瓣膜 為人工心瓣的發(fā)展及心臟病患者康復(fù)作出重要貢獻(xiàn) 通過對(duì)生物瓣膜進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)關(guān)于造型設(shè)計(jì)理論與技術(shù)的研究 可將人工心瓣仿形模擬設(shè)計(jì)推進(jìn)到結(jié)構(gòu)參數(shù)化計(jì)算機(jī)造型設(shè)計(jì) 從二維流場(chǎng)推進(jìn) 到更逼真的三維動(dòng)態(tài)場(chǎng) 將應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算機(jī)有限元分析理論與計(jì)算機(jī)輔助工業(yè) 設(shè)計(jì)相結(jié)合 推動(dòng)心臟瓣膜研究理論與技術(shù)的發(fā)展 顯著提高生物瓣膜的性能及 在體壽命 同時(shí) 通過對(duì)計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)在生物瓣膜設(shè)計(jì) 制造的應(yīng)用理論 研究 可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程提供c a i d 理論指導(dǎo) 1 2 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)及研究進(jìn)展 1 2 1 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)概述 工業(yè)設(shè)計(jì) i n d u s t r i a ld e s i g n i d 是一門科學(xué)技術(shù)與美學(xué)藝術(shù)相互滲透 交叉 結(jié)合形成的以現(xiàn)代化批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)為主要研究對(duì)象的綜合性學(xué) 科 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) c o m p u t e r a i d e dd e s i g n c a d 是指相關(guān)人員利用計(jì)算機(jī)軟 硬件系統(tǒng) 對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì) 分析 修改以及交互式顯示輸出的一種方法 或手段 是綜合了多學(xué)科的技術(shù)應(yīng)用 1 0 現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于航天 航空 船舶 機(jī) 械 電子 建筑 汽車 化工 冶金 環(huán)境工程等領(lǐng)域 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì) c a i d c o m p u t e ra i d e di n d u s t r i a ld e s i g n 是以計(jì)算 2 第1 章緒論 機(jī)技術(shù)為核心的信息時(shí)代環(huán)境下的產(chǎn)物 它是以計(jì)算機(jī)為工具的工業(yè)設(shè)計(jì) 是由 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)發(fā)展而來 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)包括工業(yè)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面 涉及 到了c a d 技術(shù) 人工智能技術(shù) 多媒體技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 優(yōu)化技術(shù) 模糊技 術(shù) 人機(jī)工程學(xué)等信息技術(shù)領(lǐng)域 1 1 1 2 廣義上 c a i d 是c a d 的一個(gè)分支 許多 c a d 領(lǐng)域的方法和技術(shù)都可加以借鑒和引用 c a i d 技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用給 設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)手段帶來根本性的變革 與傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)相比 c a i d 在設(shè)計(jì) 方法 設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率等各方面都發(fā)生了質(zhì)的變化 c a i d 主要是提供 一個(gè)數(shù)字化的平臺(tái) 包括數(shù)字化建模 數(shù)字化裝配 數(shù)字化評(píng)價(jià)以及數(shù)字化信息 交換等方面內(nèi)容 極大的方便了設(shè)計(jì) 分析和修改 其中數(shù)字化建模 數(shù)字化評(píng) 價(jià)是該系統(tǒng)中集中體現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)特征的部分 1 3 1 它使工業(yè)設(shè)計(jì)的知識(shí)體系對(duì)設(shè)計(jì) 過程的指導(dǎo)真正具有可操作性 比如生成的渲染效果圖或?qū)嶓w模型 可以進(jìn)行機(jī) 構(gòu)仿真 外型 色彩 材質(zhì) 工藝等方面的分析評(píng)價(jià) 更直觀且經(jīng)濟(jì)實(shí)用 計(jì)算 機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)可以模擬展現(xiàn)物體的各個(gè)側(cè)面及細(xì)節(jié) 同時(shí)又能在空間的視點(diǎn)中 對(duì)物體進(jìn)行三維修改 通過c a m 系統(tǒng) 又可使設(shè)計(jì)得以成型制作 c a i d 設(shè)計(jì)平 臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)與工藝 制造等其它數(shù)字平臺(tái)共享信息資源 1 4 1 7 1 2 2 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)比傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)具有無可比擬的優(yōu)越性 它具有靈 活性 高質(zhì)量 高效率 系統(tǒng)優(yōu)化 高水平和宜人性的優(yōu)點(diǎn) 能提高產(chǎn)品整體設(shè)計(jì) 質(zhì)量 強(qiáng)化產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力 近幾年來 隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 多媒體 虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展和c a d c a m 應(yīng)用的逐步深入 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè) 設(shè)計(jì)技術(shù)已成為c a d c a m 先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 這門技術(shù)正 深深地影響著工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展 當(dāng)前 國(guó)內(nèi)外關(guān)于c a i d 的研究主要集中在計(jì)算 機(jī)輔助造型技術(shù) 人機(jī)工程技術(shù) 智能技術(shù)以及新興技術(shù)的應(yīng)用研究等方面 l 引 目前 c a i d 造型技術(shù)主要有參數(shù)造型與變量化造型兩種 它們都是基于約束 的實(shí)體造型技術(shù) 其中 參數(shù)化造型技術(shù)采用預(yù)先設(shè)置的幾何圖形約束方法 同 時(shí) 與一個(gè)幾何圖形相關(guān)聯(lián)的所有尺寸參數(shù)可以用來產(chǎn)生其他幾何圖形 它的特 點(diǎn)是 基于特征 全尺寸約束 尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改 全數(shù)據(jù)相關(guān) 參數(shù)化造型技 術(shù)作為一項(xiàng)成熟的實(shí)用造型技術(shù)被廣泛應(yīng)用在零件設(shè)計(jì)領(lǐng)域中 也適用于c a i d 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 設(shè)計(jì)過程后期的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 變量化造型理論結(jié)合了參數(shù)化造型的優(yōu)點(diǎn) 但在約束 定義方面做了根本性的改變 采用先形狀后尺寸的設(shè)計(jì)方式 給設(shè)計(jì)工作增加了 靈活性 變量化造型技術(shù)適用于新產(chǎn)品開發(fā) 產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)等創(chuàng)新設(shè)計(jì) 隨著對(duì)c a i d 研究的深入 各類c a i d 軟件技術(shù)也在不斷提高和成熟 雖然不 同軟件運(yùn)用的造型方法不盡相同 但其基本原理基本一致 造型生成過程也十分 相近 由于實(shí)體建模能夠完整定義形體的物質(zhì)特性 因此三維c a i d 軟件普遍采 用實(shí)體建模方式 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)部支撐技術(shù) 1 9 2 0 1 工業(yè) 設(shè)計(jì)不是孤立的 產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)涉及功能 結(jié)構(gòu) 材料 工藝 成本控制 市場(chǎng) 導(dǎo)向等多重因素 設(shè)計(jì)師需要與用戶 市場(chǎng)銷售人員 結(jié)構(gòu)工程師 工藝師 產(chǎn) 品策劃 管理人員進(jìn)行實(shí)時(shí) 有效的溝通 因此獨(dú)立存在的c a i d 系統(tǒng)并不能發(fā) 揮計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大信息處理能力 必須與c i m s 環(huán)境下的c a d c a m 系統(tǒng)集成 形 成信息充分共享的設(shè)計(jì)平臺(tái) 使各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交換 管理與更新i r o n 進(jìn)行 才能發(fā)揮計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的重要作用 1 3 生物瓣膜的研究現(xiàn)狀及分析 1 3 1 生物瓣膜研究現(xiàn)狀 人工心臟瓣膜主要有機(jī)械瓣與生物瓣兩類 所謂機(jī)械瓣是以流體動(dòng)力學(xué)為依 據(jù) 在生理學(xué)及醫(yī)學(xué)上模擬天然心瓣的一種機(jī)械裝置 機(jī)械瓣有較強(qiáng)的耐磨性和 耐疲勞性 但生物相容性較差 因而置換后必須終生抗凝治療 這不僅影響病人 生活質(zhì)量 而且血栓栓塞以及出血等嚴(yán)重合并癥仍對(duì)換瓣病人是一個(gè)嚴(yán)重威脅 大量臨床調(diào)查表明 盡管經(jīng)過嚴(yán)格的抗凝治療 置換機(jī)械瓣的病人術(shù)后l o 一1 5 年 仍有2 5 3 0 以上死于抗凝相關(guān)并發(fā)癥 術(shù)后2 2 年患者的實(shí)際生存率約為4 6 3 0 年只有8 因此 在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家 機(jī)械瓣的占有率一直呈下降趨勢(shì) 目前 己不到整個(gè)市場(chǎng)的3 0 生物瓣主要利用豬主動(dòng)脈瓣或牛心包作為組織材料 經(jīng)過不同的化學(xué)處理后 制成 其形狀更接近天然心瓣 流場(chǎng)特征也接近天然心瓣 與機(jī)械瓣相比 生物 4 第1 章緒論 瓣膜不需要抗凝處理和具有較好的血液動(dòng)力學(xué)的優(yōu)點(diǎn) 不易于血栓的發(fā)生 病人 可享受正常生活和工作質(zhì)量 2 1 1 過去 生物瓣的使用壽命一般短于機(jī)械瓣 但隨 著生物技術(shù)的發(fā)展 特別是近年來生物瓣耐久性的研究取得許多重要突破 其術(shù) 后隨訪l o 年 1 5 年以及2 0 年患者的實(shí)際生存率與機(jī)械瓣已無差別 根據(jù)最近的 一份研究報(bào)告顯示 牛心包生物瓣2 0 年患者生存率已達(dá)到9 0 以上 這一結(jié)果明 顯優(yōu)于機(jī)械瓣 生物瓣能最大限度的延長(zhǎng)患者的生存時(shí)間 明顯降低死亡率 這就是發(fā)達(dá)國(guó) 家越來越多的患者選擇生物瓣的主要原因 增進(jìn)生物瓣膜耐久性問題 仍是今后 生物瓣研制的主要目標(biāo) 2 0 世紀(jì)8 0 年代以來對(duì)生物瓣膜的衰壞做了大量的實(shí)驗(yàn)和分析 已發(fā)現(xiàn)的影響 生物瓣膜壽命的因素包括植入物的組織結(jié)構(gòu) 瓣葉工作應(yīng)力 鈣化 宿主的代謝 與免疫反應(yīng)等 但生物瓣膜的研究活動(dòng)總體上以醫(yī)學(xué)科研人員 外科醫(yī)生獨(dú)立開 發(fā)為主 工程科學(xué)研究未曾深入 呈現(xiàn)一種工程研究與開發(fā)相脫節(jié)的態(tài)勢(shì) 新一 代耐久性更好的生物瓣膜的開發(fā)工作因而缺乏一個(gè)充分而堅(jiān)實(shí)的工程學(xué)知識(shí)基礎(chǔ) 的支持 生物瓣膜是由瓣葉 架體和縫合環(huán)三部分組成的人工心瓣 瓣葉是瓣膜開閉 的可動(dòng)部分 一般用牛心包或豬主動(dòng)脈經(jīng)戊二醛鞣劑處理后形成的穩(wěn)定生物高分 子組合材料制成 架體與縫合環(huán)構(gòu)成瓣膜支架 架體通常為金屬合金或塑料支架 外包滌綸編織物 滌綸編織物為新組織膜提供生長(zhǎng)床 瓣架則起到構(gòu)型 支撐和 承力的作用 縫合環(huán)由滌綸織布包覆增強(qiáng)硅膠密閉環(huán)構(gòu)成 是瓣膜與心臟過渡連 接部分 生物瓣膜的基本問題是其耐久性問題 到目前為止 瓣葉組織都難以在 宿主體內(nèi)繼續(xù)存活 它只是作為一種無生命的生物組織而存在 因長(zhǎng)期植入體內(nèi) 并承受一定血液壓力 生物瓣膜會(huì)發(fā)生組織退化 變性與磨損 生物瓣膜組織中 的蛋白質(zhì)成分也會(huì)在體內(nèi)引起免疫學(xué)排異反應(yīng) 從而降低瓣膜的強(qiáng)度 2 0 世紀(jì)6 0 年代曾試用新鮮有活性的生物瓣膜 也應(yīng)用過各種生物膜消毒與貯存方法 但效 果很差 直到改用戊二醛處理 才使生物瓣膜組織材料強(qiáng)度大大提高 生物瓣膜的基本結(jié)構(gòu)是模仿人類主動(dòng)脈瓣 用3 片半月瓣葉保證血液?jiǎn)蜗蛄?動(dòng) 由于瓣口開放時(shí)瓣葉向外周運(yùn)動(dòng) 血流中心沒有任何阻擋 故稱為 中心血 流型 結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)對(duì)血流阻力小 不易破壞血液成分 早期使用的主動(dòng)脈瓣 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 是直接將供給的主動(dòng)脈瓣剝下 然后縫在病人的主動(dòng)脈瓣環(huán)上 這種方法操作困 難 術(shù)后發(fā)生 瓣周漏 的幾率較多 2 0 世紀(jì)7 0 年代以后的各種生物瓣膜幾乎均 用支架法 即將供體的主動(dòng)脈瓣或生物瓣 牛心包 硬腦膜等 鑲在塑料或金屬 合金支架上 可以防止生物瓣變形 且便于手術(shù)縫合 近幾年來 為了克服機(jī)械 瓣的血栓形成和血液動(dòng)力學(xué)問題以及生物瓣膜的耐久性問題 研究者又開發(fā)出了 無支架生物瓣膜 組織工程心臟瓣膜等許多新型人工心臟瓣膜并得到應(yīng)用 2 2 乏5 1 研制性能優(yōu)良的生物瓣膜 探索生物瓣膜的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理論與技術(shù) 是國(guó)內(nèi) 外人工心臟瓣膜研究領(lǐng)域亟待解決的問題 從最新資料來看 美國(guó)俄亥俄少l l l e m e r 研究院 英國(guó)愛丁堡n a p i e r 大學(xué)等歐美國(guó)家的高等院校及科研機(jī)構(gòu)對(duì)生物瓣膜的研 制技術(shù)有較深的研究 目前國(guó)際上技術(shù)水平較為先進(jìn) 性能較為良好的生物瓣為 美國(guó)m e d t r o n i c 公司制造的h a n c o c k 瓣 美國(guó)e d w a r d s 公司制造的c a r p e n t i e r e d w a r d s 瓣等幾種瓣型 我國(guó)生物瓣的研制從1 9 7 2 年起步 廣州心血管病研究所 中國(guó)醫(yī) 學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院 上海中山醫(yī)院等先后研制出各種生物瓣膜并得到應(yīng)用 國(guó)內(nèi) 以西安交通大學(xué) 上海交通大學(xué) 成都科技大學(xué)等少數(shù)幾所高校著重對(duì)生物瓣膜 的材料及力學(xué)性能進(jìn)行研究 但目前我國(guó)臨床上使用的生物瓣膜大部分仍依賴于 進(jìn)口 價(jià)格昂貴 我國(guó)生物瓣膜無論從瓣型設(shè)計(jì)還是加工方法及制作工藝與國(guó)外 的產(chǎn)品都有一定的差距 1 3 2 生物瓣膜設(shè)計(jì)原則 生物瓣膜的形狀及流場(chǎng)特性與天然心瓣較為接近 其血流中心流型相對(duì)于邊 緣流型而言 跨瓣壓差較小 湍流剪應(yīng)力較小 這種有利的血流動(dòng)力學(xué)特性使其 在生理上抗溶血和抗血栓的性能較好 但由于目前瓣型設(shè)計(jì)尚不夠完善 故此在 避免瓣口的湍流射流形成 降低跨瓣壓差方面 仍與天然心瓣差別很大 從心瓣 流體動(dòng)力學(xué)的理論分析可知增大瓣口的有效面積是降低跨瓣壓差 增強(qiáng)抗溶血 抗血栓形成的有效途徑 生物瓣膜瓣口的大小受到病人瓣環(huán)和心腔大小因素的限 制 由于生物瓣膜體積較大 在心腔和主動(dòng)脈的狹小空間內(nèi) 植入后可能造成梗 阻和磨損主動(dòng)脈壁或室內(nèi)膈等毗鄰組織 因而不可能無限制的選用大口徑生物瓣 以二尖瓣生物瓣膜為例 血液由左心房經(jīng)過生物瓣和左心室流入主動(dòng)脈瓣要經(jīng)過 三個(gè)口徑 第一個(gè)口徑相當(dāng)于座環(huán)平面的實(shí)際有效口徑 它應(yīng)該接近正常人的二 6 第1 章緒論 尖瓣口徑 一般認(rèn)為正常人二尖瓣口面積為4 5 e m 2 據(jù)國(guó)內(nèi)正常人的瓣口測(cè)量數(shù) 據(jù) 二尖瓣口面積平均為4 1 c m 2 第二口徑相當(dāng)于生物瓣腳平面的實(shí)際有效內(nèi)徑 亦可理解為生物瓣的出口 豬心瓣的第一和第二口徑基本相同 而牛心瓣的第二 口徑略小于第一口徑 第三口徑相當(dāng)于生物瓣支架和左心室內(nèi)壁之間的縫隙 如 果左室腔太小或瓣架太大則第三口徑會(huì)變小而造成梗阻 按照我國(guó)正常人的心室 深度 牛心瓣或豬心瓣的瓣腳高度都不及心室深度的一半 僅相當(dāng)于房室瓣大瓣 的長(zhǎng)度 人工心瓣支架高度的選擇應(yīng)適宜 既要避免因瓣膜過低而造成的心包膜 聯(lián)合部位應(yīng)力增加 又不應(yīng)因支架高度過高侵入心室而增加占位性并發(fā)癥的機(jī)率 環(huán)壁部有一定的傾斜角度 可使主動(dòng)脈瓣的孔徑均勻擴(kuò)展 配裝容易 并使節(jié)流 面積增加 生物瓣膜常見的損傷是機(jī)械性撕裂 好發(fā)部位是在聯(lián)合附著處 因此 減小 在閉合狀態(tài)下附著處的應(yīng)力是延長(zhǎng)瓣膜使用壽命的重要措施 比較各類人工心臟 瓣膜可見 目前任何種類人工心瓣尚不能完全沒有梗阻 都有不同程度的輕度狹 窄 如果病人接受的人工瓣膜口徑不夠大 病人體重太大或從事劇烈活動(dòng)時(shí)都有 可能出現(xiàn)一定程度的血液動(dòng)力障礙 因此臨床上選用適當(dāng)大小的生物瓣膜是十分 重要的 上述分析可見 生物瓣膜在其瓣口的大小 瓣架高度基本適應(yīng)我國(guó)正常 人的心臟解剖學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的前提下 適當(dāng)增加瓣口的有效面積 使瓣架高度趨于最佳 值 減少瓣口閉合時(shí)瓣葉與瓣架之間的應(yīng)力等 對(duì)于避免瓣膜湍流射流形成 降 低跨瓣壓差 延長(zhǎng)生物瓣膜的使用壽命有著積極的作用 四十多年來 生物瓣膜在流體力學(xué)性能 機(jī)體相容性以及心瓣功能的持久性 方面都達(dá)到了可以接受的程度 但都還未達(dá)到人體天然心瓣的理想標(biāo)準(zhǔn) 因此目 前使用的各類人工心瓣都還有待于迸一步的研究和發(fā)展 其目標(biāo)包括四個(gè)方面 1 具有近似天然心瓣的流體力學(xué)性能 即瓣口開放阻力最小 瓣口兩側(cè)無 壓力階差 瓣口關(guān)閉迅速嚴(yán)密 瓣口附近的流場(chǎng)近乎生理狀態(tài) 無異常湍流 2 具有充分的使用壽命 瓣葉材料和結(jié)構(gòu)的物理和化學(xué)性能長(zhǎng)期穩(wěn)定不變 3 與機(jī)體有良好的相容性 無致血栓作用 無明顯的異物反應(yīng) 不破壞血 液成份 不引起免疫學(xué)的排斥反應(yīng) 不影響病人正常生活 4 便于外科原位替換 易于制造 價(jià)格合理 便于推廣應(yīng)用 針對(duì)生物瓣膜設(shè)計(jì)目標(biāo)和實(shí)際情況的要求 生物瓣膜瓣葉 瓣架設(shè)計(jì)的力學(xué) 7 山東大學(xué)碩十學(xué)付論文 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)遵循下列原則 1 瓣膜的結(jié)構(gòu)造型形狀應(yīng)力求使瓣葉運(yùn)動(dòng)過程跨瓣壓差較小 開閉靈活 對(duì)瓣架設(shè)置一定傾角 從血流動(dòng)力學(xué)角度分析可減輕瓣葉的彎曲變形 降低應(yīng)力 2 瓣膜瓣尖形狀應(yīng)有助于血液光滑流動(dòng) 關(guān)閉時(shí)瓣尖貼緊在最小接觸面上 以使血液中的紅細(xì)胞在接觸面之間的損壞最小 又使瓣尖不致粘連而阻礙瓣葉的 開啟 3 瓣葉曲面形狀應(yīng)密切吻合瓣葉在開閉運(yùn)動(dòng)過程中由瓣葉的構(gòu)型母線運(yùn)動(dòng) 軌跡所形成的曲面 以使瓣葉薄膜的內(nèi)應(yīng)力最小 4 瓣膜流場(chǎng)應(yīng)避免形成湍流 射流等不良流態(tài) 當(dāng)瓣膜開啟時(shí)瓣口應(yīng)足夠 大 接近圓桶形流道 關(guān)閉時(shí)返流量要小 1 4 生物瓣膜與c a i d c a e 1 4 1 生物瓣膜與c a i d 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)是生物瓣膜設(shè)計(jì)過程中的一部分 它為設(shè)計(jì)者提供了一 個(gè)方便 高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)對(duì)象的數(shù)字化表現(xiàn)工具 其中 數(shù)字化 表示用 數(shù)字形式為計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的設(shè)計(jì)對(duì)象生成內(nèi)部數(shù)學(xué)描述 如二維圖 三維線框 曲 面 實(shí)體及特征模型等 而 數(shù)字化表現(xiàn) 則是指在計(jì)算機(jī)屏幕上生成富有真實(shí) 感的圖形 創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境 交互式的多通道人機(jī)界面 以及多媒體技術(shù)等 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)可將富有變化的形體 復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行模擬表現(xiàn) 可以展現(xiàn)出物體的各個(gè)側(cè)面及細(xì)節(jié) 同時(shí)又能在空間的視點(diǎn)中對(duì)物體進(jìn)行三維修 改 通過c a m 系統(tǒng) 又可使設(shè)計(jì)得以成型制作 在生物瓣膜設(shè)計(jì)過程中 c a i d 可以在開始時(shí)就將設(shè)計(jì)思維中的三維形象展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上 通過編輯和修改 構(gòu)成預(yù)想的三維模型 能夠形象表現(xiàn)瓣膜造型的各參數(shù)與視角 并能夠與c a e 有 限元分析合作 對(duì)瓣膜進(jìn)行應(yīng)力情況分析 驗(yàn)證瓣膜構(gòu)型優(yōu)劣 同時(shí) 在產(chǎn)品制 造過程中 c a i d 可省卻以往昂貴的模型制作與各種試驗(yàn) 使設(shè)計(jì)的可行性得到保 障 天然主動(dòng)脈瓣在舒張期關(guān)閉狀態(tài)的幾何形態(tài)很復(fù)雜 既依賴于人的個(gè)體 也 8 第1 章緒論 依賴于承受的血液流場(chǎng)的壓力大小與分布 在進(jìn)行c a i d 計(jì)算機(jī)輔助參數(shù)化造型 設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)力求滿足心臟解剖學(xué)和心瓣最佳流場(chǎng)條件對(duì)心臟瓣膜設(shè)計(jì)提出的三個(gè) 基本要求 1 三片瓣葉與主動(dòng)脈根部相交 應(yīng)將其周長(zhǎng)分成相等的三部分 2 心瓣關(guān)閉時(shí)不能有泄漏 3 三片瓣葉自由邊沿瓣環(huán)方向的投影面積總和至少等于主動(dòng)脈根部的面 積 依據(jù)解剖學(xué) 瓣葉柔韌薄膜的受力分析 最佳血液流場(chǎng)條件所設(shè)計(jì)的瓣葉工 作狀態(tài)應(yīng)當(dāng)是當(dāng)心瓣關(guān)閉時(shí) 每個(gè)瓣尖與主動(dòng)脈的對(duì)稱軸相切于它們的邊緣點(diǎn) 三片瓣葉沿邊緣有完善的接觸 互相支撐的瓣葉閉合承受關(guān)閉瞬間的壓力梯度 并使關(guān)閉過程中血液回流極少 在滿足以上前提的設(shè)計(jì)思維指導(dǎo)下 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)為人工生物瓣膜的 參數(shù)化造型提供了極大的方便 提高了各參數(shù)的準(zhǔn)確性 并為生物瓣膜的有限元 分析和動(dòng)畫模擬提供了前提和基礎(chǔ) 又能夠結(jié)合有限元分析的結(jié)果對(duì)生物瓣膜參 數(shù)構(gòu)型進(jìn)行評(píng)測(cè) 進(jìn)而完善生物瓣膜設(shè)計(jì)理論與方法 1 4 2 生物瓣膜與c a e 計(jì)算機(jī)輔助工程 c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g c a e 其核心理論是基于現(xiàn)代 計(jì)算力學(xué)的有限元分析技術(shù) 廣義上指所有在計(jì)算機(jī)幫助下能實(shí)現(xiàn)的技術(shù) c a e 目前應(yīng)用范圍涵蓋軍事 航空 航天 機(jī)械 電子 化工 汽車 生物醫(yī)學(xué) 建 筑 能源 計(jì)算機(jī)設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域 能夠貫穿產(chǎn)品開發(fā)的每一個(gè)環(huán)節(jié)口眈7 1 c a e 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于牙齒 骨骼等器官組織的應(yīng)力分析 其在心臟瓣膜等人工器 官領(lǐng)域的應(yīng)用研究也在不斷深入 人工生物瓣膜的失效主要?dú)w因于材料鈣化和瓣葉的撕裂 現(xiàn)在廣泛認(rèn)為應(yīng)力 的集中在生物瓣膜的失效過程中承擔(dān)了重大作用 因此研究瓣膜應(yīng)力分布狀況 力爭(zhēng)改善其內(nèi)部應(yīng)力分布 延長(zhǎng)在體內(nèi)的壽命就顯得愈來愈重要 在過去的二十 年中 已經(jīng)有大量的應(yīng)力分析應(yīng)用于心臟瓣膜 2 8 1 1 目前對(duì)生物瓣膜的c a e 有限 元分析可以肯定 通過對(duì)有幾個(gè)鈣化區(qū)域的瓣葉的數(shù)值模擬 可觀察到鈣化使得 9 山東大學(xué)碩十學(xué)何論文 鈣化點(diǎn)應(yīng)力明顯增高 發(fā)生應(yīng)力集中 因此易導(dǎo)致撕裂與穿孔 鈣化點(diǎn)的分布與 應(yīng)力集中點(diǎn)的分布有著驚人的一致性 說明鈣化與瓣葉內(nèi)部應(yīng)力集中的位置有著 直接的聯(lián)系 然而瓣膜的受力是一個(gè)較復(fù)雜的問題 現(xiàn)有的分析是在假設(shè)對(duì)瓣膜 存在某些限定條件 如承受均勻載荷等情況下進(jìn)行的 難免存在一定的誤差 盡 管如此 生物瓣膜的有限元分析對(duì)在考慮心瓣流體動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)因素的條件下 研究瓣葉應(yīng)力分布 改進(jìn)瓣葉形狀和瓣膜設(shè)計(jì)提供了依據(jù) 對(duì)生物瓣膜的性能進(jìn)行改進(jìn)的一條重要途徑就是基于對(duì)瓣葉受力分析的基礎(chǔ) 上引導(dǎo)出來的 分析的數(shù)據(jù)為改善瓣葉應(yīng)力應(yīng)變分布情況 減少瓣葉上的最大剪 應(yīng)力和彎曲應(yīng)力 從而為減少因撕裂和鈣化而產(chǎn)生的瓣膜失效提供了有力的證據(jù) 1 5 本文主要研究?jī)?nèi)容 本課題是山東省自然科學(xué)基金批準(zhǔn)立項(xiàng)項(xiàng)目 y 2 0 0 6 f 2 2 生物瓣膜動(dòng)態(tài)場(chǎng)分 析及新型加工方法研究 的組成部分 作為項(xiàng)目組主要成員主要進(jìn)行以下幾個(gè)方 面的研究 1 以心瓣流體力學(xué) 薄膜殼體理論和臨床采集數(shù)據(jù)為依據(jù) 通過工業(yè)設(shè)計(jì) 方法實(shí)現(xiàn)生物瓣膜產(chǎn)品概念原型化 建立瓣葉型面和瓣架的原始數(shù)學(xué)模型 2 以良好的生物力學(xué)性能 降低跨瓣壓差 避免湍流射流等不良流態(tài)形成 開啟時(shí)瓣膜口徑足夠大 關(guān)閉時(shí)回流量小 為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 綜合考慮瓣環(huán)半徑 瓣 架高度 瓣架傾角及瓣葉厚度對(duì)瓣膜力學(xué)性能的影響 3 結(jié)合c a i d 技術(shù) 將數(shù)學(xué)模型描述的瓣膜進(jìn)行三維實(shí)體造型后導(dǎo)入靜力 學(xué) 動(dòng)力學(xué)c a e 分析軟件并施加約束和載荷進(jìn)行有限元分析 根據(jù)計(jì)算結(jié)果 客 觀評(píng)價(jià)瓣葉的應(yīng)力分布情況 優(yōu)化瓣架 瓣葉幾何造型及參數(shù) 并提供模型數(shù)據(jù) 用于c a m 系統(tǒng) 1 0 第2 章生物瓣膜造型設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 第2 章生物瓣膜造型設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 2 1 心瓣流體動(dòng)力學(xué) 2 1 1 心瓣流體動(dòng)力學(xué)概述 心瓣發(fā)生病變 無論是出現(xiàn)關(guān)閉不全或是狹窄狀況 都將使瓣膜功能發(fā)生障 礙 引起血流動(dòng)力學(xué)特性的改變 影響整個(gè)心臟的功能和效率 為了解瓣膜功能 障礙所引起血流動(dòng)力學(xué)特性的改變 應(yīng)用人工心臟瓣膜置換手術(shù)所起的治療作用 以及為設(shè)計(jì)制作人工心臟瓣膜提供血流動(dòng)力學(xué)的依據(jù) 首先應(yīng)明了血液流過瓣膜 時(shí)的流動(dòng)特征及諸如血流速度 壓力 流量等血流動(dòng)力學(xué)參量的分布與變化規(guī)律 瓣膜的運(yùn)動(dòng)過程 以及瓣膜關(guān)閉的流體力學(xué)原理等 3 2 4 1 心瓣流體動(dòng)力學(xué)是2 0 世紀(jì)8 0 年代形成的一門新興邊緣學(xué)科分支 是心血管 系統(tǒng)流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中形成較晚的一個(gè)分支學(xué)科 它主要研究 1 心瓣流場(chǎng)中的血液流動(dòng)及其響應(yīng) 它既包括血液流動(dòng)與心瓣運(yùn)動(dòng)的耦聯(lián) 問題 也包括血液流動(dòng)與動(dòng)脈管壁的耦聯(lián)問題 對(duì)主動(dòng)脈瓣來說 包括在v a l s a v a 竇內(nèi)的流動(dòng)問題 對(duì)二尖瓣來說 還包括血液與乳頭肌腱索的作用問題 2 心房 心室的收縮與舒張相位與瓣膜運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系 3 對(duì)于發(fā)生病變的心瓣和人工心瓣 還必須特別進(jìn)行對(duì)血液流動(dòng)的剪應(yīng)力 沖壓力等的測(cè)定與分析 因而涉及研究血栓現(xiàn)象問題 以上研究的流動(dòng)現(xiàn)象都將影響瓣膜的疲勞特性和耐久性 都將涉及瓣膜本身 的應(yīng)力分布與變形 從而直接關(guān)聯(lián)到瓣膜的材料特性 人工心瓣的設(shè)計(jì) 制作工 藝等問題 2 1 2 心瓣流體動(dòng)力學(xué)研究的幾個(gè)方面 1 瓣膜的開啟運(yùn)動(dòng)機(jī)制 測(cè)量表明 心臟收縮開始后 經(jīng)過5 3 毫秒瓣膜才開啟 再經(jīng)過4 7 毫秒達(dá)到 全開位置 這表明開啟時(shí)間非常短 流動(dòng)是高速加速 這樣在瓣膜開啟相的血液 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 流動(dòng)可以作為勢(shì)流來處理 研究結(jié)果表明 主動(dòng)脈壓力對(duì)瓣葉形狀和運(yùn)動(dòng)速度很 敏感 改變瓣葉的幾何形狀和材料特性 對(duì)主動(dòng)脈瓣的血液動(dòng)力學(xué)特性有很大影 響 2 瓣膜的關(guān)閉運(yùn)動(dòng)機(jī)制 健康人的瓣膜打開時(shí) 對(duì)流動(dòng)的阻力極小 而在很小的壓差下它們立即關(guān)閉 倒流量很小 天然心瓣的啟閉完全受流體動(dòng)力控制 在加速相即已關(guān)閉1 6 減 速相再關(guān)閉7 4 兩者合達(dá)9 0 因而在射血中止后 只靠少許回流即可完全關(guān) 閉 這樣的關(guān)閉過程是平緩漸進(jìn)的 既防止了瓣膜關(guān)閉時(shí)的沖擊 也排除了產(chǎn)生 高值剪應(yīng)力和沖壓力 從而減少溶血和血栓栓塞的形成 所有人工心臟瓣膜迄今為止還無法實(shí)現(xiàn)射血加速相的早期關(guān)閉 主要是靠回 流實(shí)現(xiàn)部分或大部分的關(guān)閉 因而關(guān)閉是不平滑而是突然的 于是 溶血和血栓 栓塞加速發(fā)生 對(duì)人體的危害相當(dāng)嚴(yán)重 心臟有節(jié)律的收縮和舒張運(yùn)動(dòng) 以及心臟瓣膜的單向?qū)Я鏖y作用 保證了心 臟具有推動(dòng)血液循環(huán)的動(dòng)力泵功能 瓣膜材料性能和心瓣結(jié)構(gòu)特性將直接影響血 液流動(dòng)參數(shù)一壓力 流動(dòng) 功效等 因而人工心瓣的開啟 關(guān)閉運(yùn)動(dòng)機(jī)制研究 尤為重要 通過心瓣流體動(dòng)力學(xué)的研究 我們可得出瓣膜運(yùn)動(dòng)是多種因素綜合作 用的結(jié)果 心臟的心室充盈以及射血的流體力學(xué)問題與心臟瓣膜的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān) 瓣膜啟閉完全受流體動(dòng)力控制 射血后期流動(dòng)減速 造成的逆壓力梯度使主動(dòng)脈 瓣 或肺動(dòng)脈瓣 關(guān)閉 由于瓣膜關(guān)閉是加速度引起的 故非常靈敏 基本上無 倒流 而射流減速及與此相關(guān)的逆壓力梯度是舒張期二尖瓣關(guān)閉的機(jī)理 流體減 速是心室壁運(yùn)動(dòng)減速所致 因減速而造成的逆壓力梯度則使瓣膜間流體壓力低于 心室內(nèi)周圍流體的壓力 從而使瓣膜關(guān)閉 因而 對(duì)于生物瓣膜的設(shè)計(jì)應(yīng)力求達(dá) 到在其開啟時(shí)受力最小 或者說對(duì)血流的阻力最小 在關(guān)閉時(shí)應(yīng)具有高的生理效 應(yīng) 這也是影響生物瓣膜數(shù)字原型的選擇和參數(shù)定義的重要因素 2 1 3 心瓣流體動(dòng)力學(xué)參數(shù) 在考慮為特定病人植入最佳的人工心臟瓣膜時(shí) 需參照有關(guān)瓣膜性能的定量 標(biāo)準(zhǔn) 因此 需要對(duì)人工心臟瓣膜的有效瓣口面積和面積指數(shù) 跨瓣壓差 反流 量 啟閉性能等血流動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行評(píng)價(jià) 3 弼6 1 這也與生物瓣膜造型參數(shù)的選擇 1 2 第2 章生物瓣膜造型設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 密切相關(guān) 1 有效瓣口面積和面積指數(shù) 瓣葉開啟口徑與瓣環(huán)構(gòu)成口徑并不一致 前者稱為有效瓣口 其面積稱為有 效瓣口面積 有效瓣口面積作為評(píng)價(jià)天然心瓣和人工心臟瓣膜性能的一種方法 廣泛應(yīng)用于體外脈動(dòng)流模擬試驗(yàn)和在體評(píng)價(jià)中 目前常用的有效瓣口面積計(jì)算公 式為g o r l i n 公式 g o r l i n 公式為g o r l i n 等根據(jù)水力學(xué)公式 在定常流下從流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)推導(dǎo)出 計(jì)算有效瓣口面積的公式 由于公式中使用了流出系數(shù) 而瓣膜幾何形狀的差異 導(dǎo)致流出系數(shù)是不同的 因而對(duì)不同類型瓣膜的有效瓣口面積評(píng)價(jià) 應(yīng)采用不同 的數(shù)值 該公式局限性不斷顯現(xiàn) 后期經(jīng)過不斷修正衍生出多種形式 目前采用 的形式之一如下 主動(dòng)脈瓣 e o a 4 附 i i 瓦c 矛o i 習(xí)面 2 1 式中e o a a 蹦 主動(dòng)脈瓣有效面積 e r a 2 c d 心輸出量 l m i n 艦 心率 次 分 妒 收縮射血期 s c 經(jīng)驗(yàn)常數(shù) 主動(dòng)脈瓣取值約為4 4 3 a p 平均收縮期主動(dòng)脈瓣壓差 m m h g 二尖瓣 e 面面c 麗o 2 2 式中e 0 1 釓蹦 二尖瓣有效面積 c m 2 c d 心輸出量 l m i n 月r 心率 次 分 d e p 舒張射血期 s c 經(jīng)驗(yàn)常數(shù) 二尖瓣取值約為3 7 9 p 平均舒張期二尖瓣壓差 m m h g 迄今為止 盡管i s o 對(duì)定常流下有效瓣口面積的計(jì)算提出了建議公式 但仍未 對(duì)在脈動(dòng)流下有效瓣口面積的計(jì)算作出規(guī)定 g o r l i n 公式對(duì)瓣膜性能的計(jì)算 目前 山東大學(xué)碩 學(xué)位論文 仍是瓣膜狹窄程度判斷和人工心臟瓣膜體外實(shí)驗(yàn)應(yīng)用較多的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 面積指數(shù) a r e ai n d e x 是有效瓣口面積與總面積 理論上的最大開啟面積 或縫 環(huán)面積之比 這種無量綱指數(shù)是心動(dòng)周期的前向流動(dòng)階段瓣膜性能的表現(xiàn) 有效 瓣口面積指數(shù) e f f e c t i v ea r e ai n d e x 是有效瓣口面積與體表面積之比 反映了瓣膜的 流動(dòng)面積與身體大小的匹配關(guān)系 2 跨瓣壓差 血液流過心臟瓣膜時(shí) 瓣膜的流入面與流出面的心強(qiáng)壓力是不同的 其差值 成為跨瓣壓差 跨瓣壓差是描述人工心臟瓣膜血流動(dòng)力學(xué)性能最常用的參數(shù) 用 于推斷人工心臟瓣膜在體內(nèi)對(duì)血流的阻塞程度 其值的大小 反映了流過心瓣所 受阻力的大小 并會(huì)影響單位時(shí)間內(nèi)血流量的大小 它與瓣口的有效面積 閥體 的結(jié)構(gòu)以及血流速度等有密切的關(guān)系 阻抗大的瓣膜 意味著心臟的負(fù)荷大 由 于瓣膜正后方流動(dòng)的不規(guī)律性 使瓣膜下游壓力的測(cè)量值產(chǎn)生誤差 導(dǎo)致高的總 壓力損耗 峰值跨瓣壓差由瓣膜關(guān)閉瞬間的峰值