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

摘要 摘要 對心臟瓣膜疾病患者進行瓣膜置換手術(shù)是挽救病人生命的有效手段 面對有 關(guān)人工心瓣瓣型設(shè)計 流場理論 啟閉機理研究 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 開的計算機輔助心瓣造型設(shè)計理論與技術(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)計理論與現(xiàn)代設(shè)計方法相結(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 以采集臨床心瓣動態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ) 通過對人體心瓣自然形態(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)計平臺 在薄膜應(yīng) 力分析的基礎(chǔ)上參考四種瓣葉參考型面 運用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 隨之依次與其對應(yīng)的倒 圓錐面相交確定邊界線和重要點的空間位置 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 對各構(gòu)型瓣葉參數(shù)的變化進行了 應(yīng)力分析 有限元分析是目前心瓣應(yīng)力計算普遍采用的方法 是人工心臟瓣膜抗疲勞 防鈣化設(shè)計的關(guān)鍵步驟 而有限元軟件自身存在著建模功能薄弱的不足 計算機 輔助心瓣造型設(shè)計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一步提高了各參數(shù)的準(zhǔn)確性 人工心瓣的計算機輔助設(shè) 計為生物瓣膜的有限元分析和動態(tài)模擬創(chuàng)造了條件 同時又能夠根據(jù)有限元分析 結(jié)果評測計算機輔助設(shè)計造型的優(yōu)劣性 進而選擇一種優(yōu)化的生物瓣膜瓣型 文 中對不同構(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 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 制作 為生物瓣膜的進一步研究 進行離體和在體實驗及批量生產(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計算機輔助工業(yè)設(shè)計 c a d c o m p u t e ra i d e dd e s i g n計算機輔助設(shè)計 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計算機輔助工程 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計算機輔助制造 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 計算機集成制造系統(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 立進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 包含任何其他個人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果 對本文的研 究作出重要貢獻的個人和集體 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)校保留或向國家有關(guān)部門或機構(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)庫進行檢索 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)流動的單向閥 人體天然心瓣不僅效率高 而且壽命長 一個人若活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)病占整個心臟病的一半 人體 心臟瓣膜一旦發(fā)生病變就會危及生命 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 目前對于心臟瓣膜疾病的治療仍以實施完全的人工瓣膜置換為主 人工心臟 瓣膜是指能使血液單向流動而不返流 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) 迄今國內(nèi)外對生物瓣的研究主要集中在流體動力學(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)計理論與技術(shù) 是國內(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)計的焦點 3 6 運用新方法改進瓣型設(shè)計是生物瓣膜性能改善的主要研究方向之一 利用計 算機造型設(shè)計理論與技術(shù)將傳統(tǒng)設(shè)計理論與現(xiàn)代設(shè)計方法相結(jié)合成為較為普遍的 心瓣設(shè)計手段 國內(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 料特性的獨特性等原因 很難實測瓣葉產(chǎn)生鈣化后的內(nèi)應(yīng)力的分布 使得對瓣葉的 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值和現(xiàn)實意義 計算機有限元分析方法在生物 瓣膜設(shè)計中對應(yīng)力分布的分析已經(jīng)取得了一定的進展 但缺少系統(tǒng)性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)參 數(shù)化模型以便進行比較 7 9 基于這樣的認(rèn)識 本文以心瓣流體動力學(xué) 薄膜殼體 理論為依據(jù) 以采集臨床心瓣動態(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)計平臺 建立瓣葉參數(shù)化模型 進行幾何造型 參數(shù)優(yōu)化處理 對瓣膜 進行力學(xué)性能分析及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計 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)計生物瓣膜的新理論與新方法 為進一步的模具設(shè)計 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 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 通過對生物瓣膜進行計算機輔助工業(yè)設(shè)計關(guān)于造型設(shè)計理論與技術(shù)的研究 可將人工心瓣仿形模擬設(shè)計推進到結(jié)構(gòu)參數(shù)化計算機造型設(shè)計 從二維流場推進 到更逼真的三維動態(tài)場 將應(yīng)力應(yīng)變的計算機有限元分析理論與計算機輔助工業(yè) 設(shè)計相結(jié)合 推動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 通過對計算機輔助工業(yè)設(shè)計在生物瓣膜設(shè)計 制造的應(yīng)用理論 研究 可以為產(chǎn)品設(shè)計流程提供c a i d 理論指導(dǎo) 1 2 計算機輔助工業(yè)設(shè)計及研究進展 1 2 1 計算機輔助工業(yè)設(shè)計概述 工業(yè)設(shè)計 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)計為主要研究對象的綜合性學(xué) 科 計算機輔助設(shè)計 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)人員利用計算機軟 硬件系統(tǒng) 對產(chǎn)品或工程進行設(shè)計 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 械 電子 建筑 汽車 化工 冶金 環(huán)境工程等領(lǐng)域 計算機輔助工業(yè)設(shè)計 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 是以計算 2 第1 章緒論 機技術(shù)為核心的信息時代環(huán)境下的產(chǎn)物 它是以計算機為工具的工業(yè)設(shè)計 是由 計算機輔助設(shè)計發(fā)展而來 計算機輔助工業(yè)設(shè)計包括工業(yè)設(shè)計的各個方面 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)實技術(shù) 優(yōu)化技術(shù) 模糊技 術(shù) 人機工程學(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)計中的應(yīng)用給 設(shè)計師的設(shè)計手段帶來根本性的變革 與傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計相比 c a i d 在設(shè)計 方法 設(shè)計過程 設(shè)計質(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 一個數(shù)字化的平臺 包括數(shù)字化建模 數(shù)字化裝配 數(shù)字化評價以及數(shù)字化信息 交換等方面內(nèi)容 極大的方便了設(shè)計 分析和修改 其中數(shù)字化建模 數(shù)字化評 價是該系統(tǒng)中集中體現(xiàn)工業(yè)設(shè)計特征的部分 1 3 1 它使工業(yè)設(shè)計的知識體系對設(shè)計 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 可以進行機 構(gòu)仿真 外型 色彩 材質(zhì) 工藝等方面的分析評價 更直觀且經(jīng)濟實用 計算 機輔助工業(yè)設(shè)計可以模擬展現(xiàn)物體的各個側(cè)面及細(xì)節(jié) 同時又能在空間的視點中 對物體進行三維修改 通過c a m 系統(tǒng) 又可使設(shè)計得以成型制作 c a i d 設(shè)計平 臺能夠?qū)崿F(xiàn)與工藝 制造等其它數(shù)字平臺共享信息資源 1 4 1 7 1 2 2 計算機輔助工業(yè)設(shè)計現(xiàn)狀 計算機輔助工業(yè)設(shè)計技術(shù)比傳統(tǒng)工程設(shè)計具有無可比擬的優(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 能提高產(chǎn)品整體設(shè)計 質(zhì)量 強化產(chǎn)品市場競爭能力 近幾年來 隨著計算機圖形學(xué) 計算機輔助設(shè)計 多媒體 虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的發(fā)展和c a d c a m 應(yīng)用的逐步深入 計算機輔助工業(yè) 設(shè)計技術(shù)已成為c a d c a m 先進制造與自動化技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點 這門技術(shù)正 深深地影響著工業(yè)設(shè)計的發(fā)展 當(dāng)前 國內(nèi)外關(guān)于c a i d 的研究主要集中在計算 機輔助造型技術(shù) 人機工程技術(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 與一個幾何圖形相關(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 點是 基于特征 全尺寸約束 尺寸驅(qū)動設(shè)計修改 全數(shù)據(jù)相關(guān) 參數(shù)化造型技 術(shù)作為一項成熟的實用造型技術(shù)被廣泛應(yīng)用在零件設(shè)計領(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)計過程后期的細(xì)節(jié)設(shè)計 變量化造型理論結(jié)合了參數(shù)化造型的優(yōu)點 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)計方式 給設(shè)計工作增加了 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)計等創(chuàng)新設(shè)計 隨著對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 用實體建模方式 計算機輔助工業(yè)設(shè)計技術(shù)是計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的內(nèi)部支撐技術(shù) 1 9 2 0 1 工業(yè) 設(shè)計不是孤立的 產(chǎn)品造型設(shè)計涉及功能 結(jié)構(gòu) 材料 工藝 成本控制 市場 導(dǎo)向等多重因素 設(shè)計師需要與用戶 市場銷售人員 結(jié)構(gòu)工程師 工藝師 產(chǎn) 品策劃 管理人員進行實時 有效的溝通 因此獨立存在的c a i d 系統(tǒng)并不能發(fā) 揮計算機的強大信息處理能力 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)計平臺 使各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交換 管理與更新i r o n 進行 才能發(fā)揮計算機輔助設(shè)計的重要作用 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械瓣與生物瓣兩類 所謂機械瓣是以流體動力學(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械裝置 機械瓣有較強的耐磨性和 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)重合并癥仍對換瓣病人是一個嚴(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 年患者的實際生存率約為4 6 3 0 年只有8 因此 在美國等發(fā)達(dá)國家 機械瓣的占有率一直呈下降趨勢 目前 己不到整個市場的3 0 生物瓣主要利用豬主動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 流場特征也接近天然心瓣 與機械瓣相比 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力學(xué)的優(yōu)點 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 年患者的實際生存率與機械瓣已無差別 根據(jù)最近的 一份研究報告顯示 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)于機械瓣 生物瓣能最大限度的延長患者的生存時間 明顯降低死亡率 這就是發(fā)達(dá)國 家越來越多的患者選擇生物瓣的主要原因 增進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 年代以來對生物瓣膜的衰壞做了大量的實驗和分析 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總體上以醫(yī)學(xué)科研人員 外科醫(yī)生獨立開 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 新一 代耐久性更好的生物瓣膜的開發(fā)工作因而缺乏一個充分而堅實的工程學(xué)知識基礎(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 的可動部分 一般用牛心包或豬主動脈經(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 因長期植入體內(nèi) 并承受一定血液壓力 生物瓣膜會發(fā)生組織退化 變性與磨損 生物瓣膜組織中 的蛋白質(zhì)成分也會在體內(nèi)引起免疫學(xué)排異反應(yīng) 從而降低瓣膜的強度 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度大大提高 生物瓣膜的基本結(jié)構(gòu)是模仿人類主動脈瓣 用3 片半月瓣葉保證血液單向流 動 由于瓣口開放時瓣葉向外周運動 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)對血流阻力小 不易破壞血液成分 早期使用的主動脈瓣 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 是直接將供給的主動脈瓣剝下 然后縫在病人的主動脈瓣環(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 為了克服機械 瓣的血栓形成和血液動力學(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)計理論與技術(shù) 是國內(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 美國俄亥俄少l l l e m e r 研究院 英國愛丁堡n a p i e r 大學(xué)等歐美國家的高等院校及科研機構(gòu)對生物瓣膜的研 制技術(shù)有較深的研究 目前國際上技術(shù)水平較為先進 性能較為良好的生物瓣為 美國m e d t r o n i c 公司制造的h a n c o c k 瓣 美國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)幾所高校著重對生物瓣膜 的材料及力學(xué)性能進行研究 但目前我國臨床上使用的生物瓣膜大部分仍依賴于 進口 價格昂貴 我國生物瓣膜無論從瓣型設(shè)計還是加工方法及制作工藝與國外 的產(chǎn)品都有一定的差距 1 3 2 生物瓣膜設(shè)計原則 生物瓣膜的形狀及流場特性與天然心瓣較為接近 其血流中心流型相對于邊 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 在心腔和主動脈的狹小空間內(nèi) 植入后可能造成梗 阻和磨損主動脈壁或室內(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脈瓣要經(jīng)過 三個口徑 第一個口徑相當(dāng)于座環(huán)平面的實際有效口徑 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)國內(nèi)正常人的瓣口測量數(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變小而造成梗阻 按照我國正常人的心室 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)癥的機率 環(huán)壁部有一定的傾斜角度 可使主動脈瓣的孔徑均勻擴展 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時都有 可能出現(xiàn)一定程度的血液動力障礙 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 減少瓣口閉合時瓣葉與瓣架之間的應(yīng)力等 對于避免瓣膜湍流射流形成 降 低跨瓣壓差 延長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)性能長期穩(wěn)定不變 3 與機體有良好的相容性 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 價格合理 便于推廣應(yīng)用 針對生物瓣膜設(shè)計目標(biāo)和實際情況的要求 生物瓣膜瓣葉 瓣架設(shè)計的力學(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)力求使瓣葉運動過程跨瓣壓差較小 開閉靈活 對瓣架設(shè)置一定傾角 從血流動力學(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 關(guān)閉時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動過程中由瓣葉的構(gòu)型母線運動 軌跡所形成的曲面 以使瓣葉薄膜的內(nèi)應(yīng)力最小 4 瓣膜流場應(yīng)避免形成湍流 射流等不良流態(tài) 當(dāng)瓣膜開啟時瓣口應(yīng)足夠 大 接近圓桶形流道 關(guān)閉時返流量要小 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 計算機輔助工業(yè)設(shè)計是生物瓣膜設(shè)計過程中的一部分 它為設(shè)計者提供了一 個方便 高效的產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)對象的數(shù)字化表現(xiàn)工具 其中 數(shù)字化 表示用 數(shù)字形式為計算機創(chuàng)建的設(shè)計對象生成內(nèi)部數(shù)學(xué)描述 如二維圖 三維線框 曲 面 實體及特征模型等 而 數(shù)字化表現(xiàn) 則是指在計算機屏幕上生成富有真實 感的圖形 創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實環(huán)境 交互式的多通道人機界面 以及多媒體技術(shù)等 計算機輔助工業(yè)設(shè)計可將富有變化的形體 復(fù)雜的空間曲面進行模擬表現(xiàn) 可以展現(xiàn)出物體的各個側(cè)面及細(xì)節(jié) 同時又能在空間的視點中對物體進行三維修 改 通過c a m 系統(tǒng) 又可使設(shè)計得以成型制作 在生物瓣膜設(shè)計過程中 c a i d 可以在開始時就將設(shè)計思維中的三維形象展現(xiàn)在計算機屏幕上 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 對瓣膜進行應(yīng)力情況分析 驗證瓣膜構(gòu)型優(yōu)劣 同時 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 使設(shè)計的可行性得到保 障 天然主動脈瓣在舒張期關(guān)閉狀態(tài)的幾何形態(tài)很復(fù)雜 既依賴于人的個體 也 8 第1 章緒論 依賴于承受的血液流場的壓力大小與分布 在進行c a i d 計算機輔助參數(shù)化造型 設(shè)計時 應(yīng)力求滿足心臟解剖學(xué)和心瓣最佳流場條件對心臟瓣膜設(shè)計提出的三個 基本要求 1 三片瓣葉與主動脈根部相交 應(yīng)將其周長分成相等的三部分 2 心瓣關(guān)閉時不能有泄漏 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 最佳血液流場條件所設(shè)計的瓣葉工 作狀態(tài)應(yīng)當(dāng)是當(dāng)心瓣關(guān)閉時 每個瓣尖與主動脈的對稱軸相切于它們的邊緣點 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)計思維指導(dǎo)下 計算機輔助工業(yè)設(shè)計為人工生物瓣膜的 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)果對生物瓣膜參 數(shù)構(gòu)型進行評測 進而完善生物瓣膜設(shè)計理論與方法 1 4 2 生物瓣膜與c a e 計算機輔助工程 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 計算力學(xué)的有限元分析技術(shù) 廣義上指所有在計算機幫助下能實現(xiàn)的技術(shù) c a e 目前應(yīng)用范圍涵蓋軍事 航空 航天 機械 電子 化工 汽車 生物醫(yī)學(xué) 建 筑 能源 計算機設(shè)備等各個領(lǐng)域 能夠貫穿產(chǎn)品開發(fā)的每一個環(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歸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 力爭改善其內(nèi)部應(yīng)力分布 延長在體內(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 目前對生物瓣膜的c a e 有限 元分析可以肯定 通過對有幾個鈣化區(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 鈣化點的分布與 應(yīng)力集中點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較復(fù)雜的問題 現(xiàn)有的分析是在假設(shè)對瓣膜 存在某些限定條件 如承受均勻載荷等情況下進行的 難免存在一定的誤差 盡 管如此 生物瓣膜的有限元分析對在考慮心瓣流體動力學(xué)和運動學(xué)因素的條件下 研究瓣葉應(yīng)力分布 改進瓣葉形狀和瓣膜設(shè)計提供了依據(jù) 對生物瓣膜的性能進行改進的一條重要途徑就是基于對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 本文主要研究內(nèi)容 本課題是山東省自然科學(xué)基金批準(zhǔn)立項項目 y 2 0 0 6 f 2 2 生物瓣膜動態(tài)場分 析及新型加工方法研究 的組成部分 作為項目組主要成員主要進行以下幾個方 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 方法實現(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 開啟時瓣膜口徑足夠大 關(guān)閉時回流量小 為設(shè)計標(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)模型描述的瓣膜進行三維實體造型后導(dǎo)入靜力 學(xué) 動力學(xué)c a e 分析軟件并施加約束和載荷進行有限元分析 根據(jù)計算結(jié)果 客 觀評價瓣葉的應(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)計理論基礎(chǔ) 第2 章生物瓣膜造型設(shè)計理論基礎(chǔ) 2 1 心瓣流體動力學(xué) 2 1 1 心瓣流體動力學(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 引起血流動力學(xué)特性的改變 影響整個心臟的功能和效率 為了解瓣膜功能 障礙所引起血流動力學(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)計制作人工心臟瓣膜提供血流動力學(xué)的依據(jù) 首先應(yīng)明了血液流過瓣膜 時的流動特征及諸如血流速度 壓力 流量等血流動力學(xué)參量的分布與變化規(guī)律 瓣膜的運動過程 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)流體動力學(xué)領(lǐng)域中形成較晚的一個分支學(xué)科 它主要研究 1 心瓣流場中的血液流動及其響應(yīng) 它既包括血液流動與心瓣運動的耦聯(lián) 問題 也包括血液流動與動脈管壁的耦聯(lián)問題 對主動脈瓣來說 包括在v a l s a v a 竇內(nèi)的流動問題 對二尖瓣來說 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動之間的關(guān)系 3 對于發(fā)生病變的心瓣和人工心瓣 還必須特別進行對血液流動的剪應(yīng)力 沖壓力等的測定與分析 因而涉及研究血栓現(xiàn)象問題 以上研究的流動現(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 制作工 藝等問題 2 1 2 心瓣流體動力學(xué)研究的幾個方面 1 瓣膜的開啟運動機制 測量表明 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 這表明開啟時間非常短 流動是高速加速 這樣在瓣膜開啟相的血液 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 流動可以作為勢流來處理 研究結(jié)果表明 主動脈壓力對瓣葉形狀和運動速度很 敏感 改變瓣葉的幾何形狀和材料特性 對主動脈瓣的血液動力學(xué)特性有很大影 響 2 瓣膜的關(guān)閉運動機制 健康人的瓣膜打開時 對流動的阻力極小 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)閉過程是平緩漸進的 既防止了瓣膜關(guān)閉時的沖擊 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現(xiàn)射血加速相的早期關(guān)閉 主要是靠回 流實現(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 對人體的危害相當(dāng)嚴(yán)重 心臟有節(jié)律的收縮和舒張運動 以及心臟瓣膜的單向?qū)Я鏖y作用 保證了心 臟具有推動血液循環(huán)的動力泵功能 瓣膜材料性能和心瓣結(jié)構(gòu)特性將直接影響血 液流動參數(shù)一壓力 流動 功效等 因而人工心瓣的開啟 關(guān)閉運動機制研究 尤為重要 通過心瓣流體動力學(xué)的研究 我們可得出瓣膜運動是多種因素綜合作 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動密切相關(guān) 瓣膜啟閉完全受流體動力控制 射血后期流動減速 造成的逆壓力梯度使主動脈 瓣 或肺動脈瓣 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)閉的機理 流體減 速是心室壁運動減速所致 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 對于生物瓣膜的設(shè)計應(yīng)力求達(dá) 到在其開啟時受力最小 或者說對血流的阻力最小 在關(guān)閉時應(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 需參照有關(guān)瓣膜性能的定量 標(biāo)準(zhǔn) 因此 需要對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 啟閉性能等血流動力學(xué)特性進行評價 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價天然心瓣和人工心臟瓣膜性能的一種方法 廣泛應(yīng)用于體外脈動流模擬試驗和在體評價中 目前常用的有效瓣口面積計算公 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力學(xué)系統(tǒng)推導(dǎo)出 計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 因而對不同類型瓣膜的有效瓣口面積評價 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)驗常數(shù) 主動脈瓣取值約為4 4 3 a p 平均收縮期主動脈瓣壓差 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 對定常流下有效瓣口面積的計算提出了建議公式 但仍未 對在脈動流下有效瓣口面積的計算作出規(guī)定 g o r l i n 公式對瓣膜性能的計算 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驗應(yīng)用較多的評價標(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)是心動周期的前向流動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 瓣膜的流入面與流出面的心強壓力是不同的 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 并會影響單位時間內(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 于瓣膜正后方流動的不規(guī)律性 使瓣膜下游壓力的測量值產(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