（设计艺术学专业论文）计算机辅助生物瓣膜参数化造型设计与有限元分析.pdf

摘要 摘要 对心脏瓣膜疾病患者进行瓣膜置换手术是挽救病人生命的有效手段 面对有 关人工心瓣瓣型设计 流场理论 启闭机理研究 湍流射流效应 生物材料等理 论研究的不断深入 围绕人工生物瓣膜抗血栓 防钙化 大幅度提高使用寿命展 开的计算机辅助心瓣造型设计理论与技术的研究表现出广阔的前景 本文依据心脏解剖学 薄膜壳体理论 以接近或达到人体天然心瓣的性能为 目的 将传统设计理论与现代设计方法相结合 提出构建人工生物心脏瓣膜参数 化模型的新方法 以采集临床心瓣动态参数为基础 通过对人体心瓣自然形态的 分析导引出人工生物瓣膜的基本雏形 构建生物瓣膜参数化设计平台 在薄膜应 力分析的基础上参考四种瓣叶参考型面 运用c a i d 参数化软件p r o e 分别创建符 合空间几何方程的圆柱面 圆球面 旋转抛物面和椭球面 随之依次与其对应的倒 圆锥面相交确定边界线和重要点的空间位置 得到一系列较为精确的尺寸参数 建立瓣叶参数化模型 并利用有限元软件a n s y s 对各构型瓣叶参数的变化进行了 应力分析 有限元分析是目前心瓣应力计算普遍采用的方法 是人工心脏瓣膜抗疲劳 防钙化设计的关键步骤 而有限元软件自身存在着建模功能薄弱的不足 计算机 辅助心瓣造型设计的引入为人工生物瓣膜的参数化造型提供了极大的方便 并在 保证建模效果的前提下进一步提高了各参数的准确性 人工心瓣的计算机辅助设 计为生物瓣膜的有限元分析和动态模拟创造了条件 同时又能够根据有限元分析 结果评测计算机辅助设计造型的优劣性 进而选择一种优化的生物瓣膜瓣型 文 中对不同构型 不同厚度 不同倾角以及不同材料特性等系列瓣叶参数化模型进 行了分析 并在有限元分析结果的指导下 通过比较各构型瓣叶应力分布情况 最终选择应力分布较为均匀合理的有一定倾角的椭球面型瓣叶构型 以用于生物 瓣膜的设计 制作 为生物瓣膜的进一步研究 进行离体和在体实验及批量生产 奠定良好的基础 关键词生物瓣膜 c a i d 有限元分析 参数化模型 i x 山东大学硕十学位论文 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 缩略语 缩略语 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 生物心脏瓣膜 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计算机辅助工业设计 c a d c o m p u t e ra i d e dd e s i g n计算机辅助设计 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计算机辅助工程 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计算机辅助制造 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 计算机集成制造系统 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 世界坐标系 e o ae f f e c t i v eo r i f i c ea r e a 有效瓣口面积 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 跨瓣压差 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 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果 对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明 的法律责任由本人承担 论文作者签名 至堕生日期 哆 f 墅 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和 电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 兰蛛师签名 日期 型鱼 三 兰 第1 章绪论 1 1 课题的提出与意义 第1 章绪论 人体心脏有四组瓣膜 它们与心脏舒缩同步开关 达到控制血液流向的目的 从工程角度而言 人的心脏恰似血泵 而瓣膜则是导致血液循环流动的单向阀 人体天然心瓣不仅效率高 而且寿命长 一个人若活7 0 岁 其心瓣要不停的开闭 达3 0 亿次 心脏瓣膜疾病是最常见的心脏病 其发病占整个心脏病的一半 人体 心脏瓣膜一旦发生病变就会危及生命 一旦心脏瓣膜受损 尤其是瓣膜病变严重 的患者 人工瓣膜的替换将成为唯一有效的治疗手段 其成功率可达9 8 5 以上 目前对于心脏瓣膜疾病的治疗仍以实施完全的人工瓣膜置换为主 人工心脏 瓣膜是指能使血液单向流动而不返流 具有并能代替天然心脏瓣膜功能 临床应 用较为广泛的一种人工器官 大量的文献资料 人工心瓣权威专家的意见都表明 提高人工心瓣的在体耐久性 即寿命 是一切人工心瓣研究工作的最高目标 迄今国内外对生物瓣的研究主要集中在流体动力学范畴 且多用常规技术方法 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 瓣等不同结构 叶面形状 瓣叶材料的生物瓣 卜2 1 虽都已成 功的应用于临床 但目前国内外的生物瓣的功能与人体天然心瓣仍差别很大 在 体寿命仍不理想 其耐久性有待提高 究其原因主要有 瓣架几何精度不高 构 型不尽合理以至瓣叶撕裂 瓣膜可靠性较差及瓣叶钙化等因素 针对生物瓣膜耐 久性欠佳 可能出现钙化和撕裂等失效形式 研制性能优良的生物瓣膜 探索现 代化设计理论与技术 是国内外生物瓣膜研究领域亟待解决的问题 成为现今人 工生物心瓣设计的焦点 3 6 运用新方法改进瓣型设计是生物瓣膜性能改善的主要研究方向之一 利用计 算机造型设计理论与技术将传统设计理论与现代设计方法相结合成为较为普遍的 心瓣设计手段 国内外一些研究表明 生物瓣膜的失效形式主要有钙化和撕裂 这 两种失效形式与瓣叶内部的应力分布有关 然而 由于瓣膜的工作环境 瓣叶的材 料特性的独特性等原因 很难实测瓣叶产生钙化后的内应力的分布 使得对瓣叶的 山东大学硕十学何论文 耐久力的分析尚无科学性的数据基础 因此研究人工心脏瓣膜的应力分布情况及 其影响因素具有十分重要的理论价值和现实意义 计算机有限元分析方法在生物 瓣膜设计中对应力分布的分析已经取得了一定的进展 但缺少系统性标准数学参 数化模型以便进行比较 7 9 基于这样的认识 本文以心瓣流体动力学 薄膜壳体 理论为依据 以采集临床心瓣动态参数为基础 以p r o e a n s y s 等软件为工具 通过对人体心瓣自然形态的分析导引出人工生物瓣膜的基本雏形 构建生物瓣膜 参数化设计平台 建立瓣叶参数化模型 进行几何造型 参数优化处理 对瓣膜 进行力学性能分析及参数优化设计 通过c a i d 的三维造型功能与有限元分析的结 合 最终得出设计生物瓣膜的新理论与新方法 为进一步的模具设计 数控加工 和激光焊接工艺提供依据 通过这些理论与技术 设计 研制新的造型结构的生 物瓣膜 为人工心瓣的发展及心脏病患者康复作出重要贡献 通过对生物瓣膜进行计算机辅助工业设计关于造型设计理论与技术的研究 可将人工心瓣仿形模拟设计推进到结构参数化计算机造型设计 从二维流场推进 到更逼真的三维动态场 将应力应变的计算机有限元分析理论与计算机辅助工业 设计相结合 推动心脏瓣膜研究理论与技术的发展 显著提高生物瓣膜的性能及 在体寿命 同时 通过对计算机辅助工业设计在生物瓣膜设计 制造的应用理论 研究 可以为产品设计流程提供c a i d 理论指导 1 2 计算机辅助工业设计及研究进展 1 2 1 计算机辅助工业设计概述 工业设计 i n d u s t r i a ld e s i g n i d 是一门科学技术与美学艺术相互渗透 交叉 结合形成的以现代化批量生产的工业产品造型设计为主要研究对象的综合性学 科 计算机辅助设计 c o m p u t e r a i d e dd e s i g n c a d 是指相关人员利用计算机软 硬件系统 对产品或工程进行设计 分析 修改以及交互式显示输出的一种方法 或手段 是综合了多学科的技术应用 1 0 现己广泛应用于航天 航空 船舶 机 械 电子 建筑 汽车 化工 冶金 环境工程等领域 计算机辅助工业设计 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 是以计算 2 第1 章绪论 机技术为核心的信息时代环境下的产物 它是以计算机为工具的工业设计 是由 计算机辅助设计发展而来 计算机辅助工业设计包括工业设计的各个方面 涉及 到了c a d 技术 人工智能技术 多媒体技术 虚拟现实技术 优化技术 模糊技 术 人机工程学等信息技术领域 1 1 1 2 广义上 c a i d 是c a d 的一个分支 许多 c a d 领域的方法和技术都可加以借鉴和引用 c a i d 技术在产品设计中的应用给 设计师的设计手段带来根本性的变革 与传统的工业产品设计相比 c a i d 在设计 方法 设计过程 设计质量和效率等各方面都发生了质的变化 c a i d 主要是提供 一个数字化的平台 包括数字化建模 数字化装配 数字化评价以及数字化信息 交换等方面内容 极大的方便了设计 分析和修改 其中数字化建模 数字化评 价是该系统中集中体现工业设计特征的部分 1 3 1 它使工业设计的知识体系对设计 过程的指导真正具有可操作性 比如生成的渲染效果图或实体模型 可以进行机 构仿真 外型 色彩 材质 工艺等方面的分析评价 更直观且经济实用 计算 机辅助工业设计可以模拟展现物体的各个侧面及细节 同时又能在空间的视点中 对物体进行三维修改 通过c a m 系统 又可使设计得以成型制作 c a i d 设计平 台能够实现与工艺 制造等其它数字平台共享信息资源 1 4 1 7 1 2 2 计算机辅助工业设计现状 计算机辅助工业设计技术比传统工程设计具有无可比拟的优越性 它具有灵 活性 高质量 高效率 系统优化 高水平和宜人性的优点 能提高产品整体设计 质量 强化产品市场竞争能力 近几年来 随着计算机图形学 计算机辅助设计 多媒体 虚拟现实等技术的发展和c a d c a m 应用的逐步深入 计算机辅助工业 设计技术已成为c a d c a m 先进制造与自动化技术领域的研究热点 这门技术正 深深地影响着工业设计的发展 当前 国内外关于c a i d 的研究主要集中在计算 机辅助造型技术 人机工程技术 智能技术以及新兴技术的应用研究等方面 l 引 目前 c a i d 造型技术主要有参数造型与变量化造型两种 它们都是基于约束 的实体造型技术 其中 参数化造型技术采用预先设置的几何图形约束方法 同 时 与一个几何图形相关联的所有尺寸参数可以用来产生其他几何图形 它的特 点是 基于特征 全尺寸约束 尺寸驱动设计修改 全数据相关 参数化造型技 术作为一项成熟的实用造型技术被广泛应用在零件设计领域中 也适用于c a i d 山东大学硕十学位论文 设计过程后期的细节设计 变量化造型理论结合了参数化造型的优点 但在约束 定义方面做了根本性的改变 采用先形状后尺寸的设计方式 给设计工作增加了 灵活性 变量化造型技术适用于新产品开发 产品改型设计等创新设计 随着对c a i d 研究的深入 各类c a i d 软件技术也在不断提高和成熟 虽然不 同软件运用的造型方法不尽相同 但其基本原理基本一致 造型生成过程也十分 相近 由于实体建模能够完整定义形体的物质特性 因此三维c a i d 软件普遍采 用实体建模方式 计算机辅助工业设计技术是计算机辅助设计系统的内部支撑技术 1 9 2 0 1 工业 设计不是孤立的 产品造型设计涉及功能 结构 材料 工艺 成本控制 市场 导向等多重因素 设计师需要与用户 市场销售人员 结构工程师 工艺师 产 品策划 管理人员进行实时 有效的沟通 因此独立存在的c a i d 系统并不能发 挥计算机的强大信息处理能力 必须与c i m s 环境下的c a d c a m 系统集成 形 成信息充分共享的设计平台 使各系统之间数据的交换 管理与更新i r o n 进行 才能发挥计算机辅助设计的重要作用 1 3 生物瓣膜的研究现状及分析 1 3 1 生物瓣膜研究现状 人工心脏瓣膜主要有机械瓣与生物瓣两类 所谓机械瓣是以流体动力学为依 据 在生理学及医学上模拟天然心瓣的一种机械装置 机械瓣有较强的耐磨性和 耐疲劳性 但生物相容性较差 因而置换后必须终生抗凝治疗 这不仅影响病人 生活质量 而且血栓栓塞以及出血等严重合并症仍对换瓣病人是一个严重威胁 大量临床调查表明 尽管经过严格的抗凝治疗 置换机械瓣的病人术后l o 一1 5 年 仍有2 5 3 0 以上死于抗凝相关并发症 术后2 2 年患者的实际生存率约为4 6 3 0 年只有8 因此 在美国等发达国家 机械瓣的占有率一直呈下降趋势 目前 己不到整个市场的3 0 生物瓣主要利用猪主动脉瓣或牛心包作为组织材料 经过不同的化学处理后 制成 其形状更接近天然心瓣 流场特征也接近天然心瓣 与机械瓣相比 生物 4 第1 章绪论 瓣膜不需要抗凝处理和具有较好的血液动力学的优点 不易于血栓的发生 病人 可享受正常生活和工作质量 2 1 1 过去 生物瓣的使用寿命一般短于机械瓣 但随 着生物技术的发展 特别是近年来生物瓣耐久性的研究取得许多重要突破 其术 后随访l o 年 1 5 年以及2 0 年患者的实际生存率与机械瓣已无差别 根据最近的 一份研究报告显示 牛心包生物瓣2 0 年患者生存率已达到9 0 以上 这一结果明 显优于机械瓣 生物瓣能最大限度的延长患者的生存时间 明显降低死亡率 这就是发达国 家越来越多的患者选择生物瓣的主要原因 增进生物瓣膜耐久性问题 仍是今后 生物瓣研制的主要目标 2 0 世纪8 0 年代以来对生物瓣膜的衰坏做了大量的实验和分析 已发现的影响 生物瓣膜寿命的因素包括植入物的组织结构 瓣叶工作应力 钙化 宿主的代谢 与免疫反应等 但生物瓣膜的研究活动总体上以医学科研人员 外科医生独立开 发为主 工程科学研究未曾深入 呈现一种工程研究与开发相脱节的态势 新一 代耐久性更好的生物瓣膜的开发工作因而缺乏一个充分而坚实的工程学知识基础 的支持 生物瓣膜是由瓣叶 架体和缝合环三部分组成的人工心瓣 瓣叶是瓣膜开闭 的可动部分 一般用牛心包或猪主动脉经戊二醛鞣剂处理后形成的稳定生物高分 子组合材料制成 架体与缝合环构成瓣膜支架 架体通常为金属合金或塑料支架 外包涤纶编织物 涤纶编织物为新组织膜提供生长床 瓣架则起到构型 支撑和 承力的作用 缝合环由涤纶织布包覆增强硅胶密闭环构成 是瓣膜与心脏过渡连 接部分 生物瓣膜的基本问题是其耐久性问题 到目前为止 瓣叶组织都难以在 宿主体内继续存活 它只是作为一种无生命的生物组织而存在 因长期植入体内 并承受一定血液压力 生物瓣膜会发生组织退化 变性与磨损 生物瓣膜组织中 的蛋白质成分也会在体内引起免疫学排异反应 从而降低瓣膜的强度 2 0 世纪6 0 年代曾试用新鲜有活性的生物瓣膜 也应用过各种生物膜消毒与贮存方法 但效 果很差 直到改用戊二醛处理 才使生物瓣膜组织材料强度大大提高 生物瓣膜的基本结构是模仿人类主动脉瓣 用3 片半月瓣叶保证血液单向流 动 由于瓣口开放时瓣叶向外周运动 血流中心没有任何阻挡 故称为 中心血 流型 结构 这种结构对血流阻力小 不易破坏血液成分 早期使用的主动脉瓣 山东大学硕十学位论文 是直接将供给的主动脉瓣剥下 然后缝在病人的主动脉瓣环上 这种方法操作困 难 术后发生 瓣周漏 的几率较多 2 0 世纪7 0 年代以后的各种生物瓣膜几乎均 用支架法 即将供体的主动脉瓣或生物瓣 牛心包 硬脑膜等 镶在塑料或金属 合金支架上 可以防止生物瓣变形 且便于手术缝合 近几年来 为了克服机械 瓣的血栓形成和血液动力学问题以及生物瓣膜的耐久性问题 研究者又开发出了 无支架生物瓣膜 组织工程心脏瓣膜等许多新型人工心脏瓣膜并得到应用 2 2 乏5 1 研制性能优良的生物瓣膜 探索生物瓣膜的现代化设计理论与技术 是国内 外人工心脏瓣膜研究领域亟待解决的问题 从最新资料来看 美国俄亥俄少l l l e m e r 研究院 英国爱丁堡n a p i e r 大学等欧美国家的高等院校及科研机构对生物瓣膜的研 制技术有较深的研究 目前国际上技术水平较为先进 性能较为良好的生物瓣为 美国m e d t r o n i c 公司制造的h a n c o c k 瓣 美国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 瓣等几种瓣型 我国生物瓣的研制从1 9 7 2 年起步 广州心血管病研究所 中国医 学科学院阜外医院 上海中山医院等先后研制出各种生物瓣膜并得到应用 国内 以西安交通大学 上海交通大学 成都科技大学等少数几所高校着重对生物瓣膜 的材料及力学性能进行研究 但目前我国临床上使用的生物瓣膜大部分仍依赖于 进口 价格昂贵 我国生物瓣膜无论从瓣型设计还是加工方法及制作工艺与国外 的产品都有一定的差距 1 3 2 生物瓣膜设计原则 生物瓣膜的形状及流场特性与天然心瓣较为接近 其血流中心流型相对于边 缘流型而言 跨瓣压差较小 湍流剪应力较小 这种有利的血流动力学特性使其 在生理上抗溶血和抗血栓的性能较好 但由于目前瓣型设计尚不够完善 故此在 避免瓣口的湍流射流形成 降低跨瓣压差方面 仍与天然心瓣差别很大 从心瓣 流体动力学的理论分析可知增大瓣口的有效面积是降低跨瓣压差 增强抗溶血 抗血栓形成的有效途径 生物瓣膜瓣口的大小受到病人瓣环和心腔大小因素的限 制 由于生物瓣膜体积较大 在心腔和主动脉的狭小空间内 植入后可能造成梗 阻和磨损主动脉壁或室内膈等毗邻组织 因而不可能无限制的选用大口径生物瓣 以二尖瓣生物瓣膜为例 血液由左心房经过生物瓣和左心室流入主动脉瓣要经过 三个口径 第一个口径相当于座环平面的实际有效口径 它应该接近正常人的二 6 第1 章绪论 尖瓣口径 一般认为正常人二尖瓣口面积为4 5 e m 2 据国内正常人的瓣口测量数 据 二尖瓣口面积平均为4 1 c m 2 第二口径相当于生物瓣脚平面的实际有效内径 亦可理解为生物瓣的出口 猪心瓣的第一和第二口径基本相同 而牛心瓣的第二 口径略小于第一口径 第三口径相当于生物瓣支架和左心室内壁之间的缝隙 如 果左室腔太小或瓣架太大则第三口径会变小而造成梗阻 按照我国正常人的心室 深度 牛心瓣或猪心瓣的瓣脚高度都不及心室深度的一半 仅相当于房室瓣大瓣 的长度 人工心瓣支架高度的选择应适宜 既要避免因瓣膜过低而造成的心包膜 联合部位应力增加 又不应因支架高度过高侵入心室而增加占位性并发症的机率 环壁部有一定的倾斜角度 可使主动脉瓣的孔径均匀扩展 配装容易 并使节流 面积增加 生物瓣膜常见的损伤是机械性撕裂 好发部位是在联合附着处 因此 减小 在闭合状态下附着处的应力是延长瓣膜使用寿命的重要措施 比较各类人工心脏 瓣膜可见 目前任何种类人工心瓣尚不能完全没有梗阻 都有不同程度的轻度狭 窄 如果病人接受的人工瓣膜口径不够大 病人体重太大或从事剧烈活动时都有 可能出现一定程度的血液动力障碍 因此临床上选用适当大小的生物瓣膜是十分 重要的 上述分析可见 生物瓣膜在其瓣口的大小 瓣架高度基本适应我国正常 人的心脏解剖学标准的前提下 适当增加瓣口的有效面积 使瓣架高度趋于最佳 值 减少瓣口闭合时瓣叶与瓣架之间的应力等 对于避免瓣膜湍流射流形成 降 低跨瓣压差 延长生物瓣膜的使用寿命有着积极的作用 四十多年来 生物瓣膜在流体力学性能 机体相容性以及心瓣功能的持久性 方面都达到了可以接受的程度 但都还未达到人体天然心瓣的理想标准 因此目 前使用的各类人工心瓣都还有待于迸一步的研究和发展 其目标包括四个方面 1 具有近似天然心瓣的流体力学性能 即瓣口开放阻力最小 瓣口两侧无 压力阶差 瓣口关闭迅速严密 瓣口附近的流场近乎生理状态 无异常湍流 2 具有充分的使用寿命 瓣叶材料和结构的物理和化学性能长期稳定不变 3 与机体有良好的相容性 无致血栓作用 无明显的异物反应 不破坏血 液成份 不引起免疫学的排斥反应 不影响病人正常生活 4 便于外科原位替换 易于制造 价格合理 便于推广应用 针对生物瓣膜设计目标和实际情况的要求 生物瓣膜瓣叶 瓣架设计的力学 7 山东大学硕十学付论文 标准应遵循下列原则 1 瓣膜的结构造型形状应力求使瓣叶运动过程跨瓣压差较小 开闭灵活 对瓣架设置一定倾角 从血流动力学角度分析可减轻瓣叶的弯曲变形 降低应力 2 瓣膜瓣尖形状应有助于血液光滑流动 关闭时瓣尖贴紧在最小接触面上 以使血液中的红细胞在接触面之间的损坏最小 又使瓣尖不致粘连而阻碍瓣叶的 开启 3 瓣叶曲面形状应密切吻合瓣叶在开闭运动过程中由瓣叶的构型母线运动 轨迹所形成的曲面 以使瓣叶薄膜的内应力最小 4 瓣膜流场应避免形成湍流 射流等不良流态 当瓣膜开启时瓣口应足够 大 接近圆桶形流道 关闭时返流量要小 1 4 生物瓣膜与c a i d c a e 1 4 1 生物瓣膜与c a i d 计算机辅助工业设计是生物瓣膜设计过程中的一部分 它为设计者提供了一 个方便 高效的产品设计和生产对象的数字化表现工具 其中 数字化 表示用 数字形式为计算机创建的设计对象生成内部数学描述 如二维图 三维线框 曲 面 实体及特征模型等 而 数字化表现 则是指在计算机屏幕上生成富有真实 感的图形 创建虚拟现实环境 交互式的多通道人机界面 以及多媒体技术等 计算机辅助工业设计可将富有变化的形体 复杂的空间曲面进行模拟表现 可以展现出物体的各个侧面及细节 同时又能在空间的视点中对物体进行三维修 改 通过c a m 系统 又可使设计得以成型制作 在生物瓣膜设计过程中 c a i d 可以在开始时就将设计思维中的三维形象展现在计算机屏幕上 通过编辑和修改 构成预想的三维模型 能够形象表现瓣膜造型的各参数与视角 并能够与c a e 有 限元分析合作 对瓣膜进行应力情况分析 验证瓣膜构型优劣 同时 在产品制 造过程中 c a i d 可省却以往昂贵的模型制作与各种试验 使设计的可行性得到保 障 天然主动脉瓣在舒张期关闭状态的几何形态很复杂 既依赖于人的个体 也 8 第1 章绪论 依赖于承受的血液流场的压力大小与分布 在进行c a i d 计算机辅助参数化造型 设计时 应力求满足心脏解剖学和心瓣最佳流场条件对心脏瓣膜设计提出的三个 基本要求 1 三片瓣叶与主动脉根部相交 应将其周长分成相等的三部分 2 心瓣关闭时不能有泄漏 3 三片瓣叶自由边沿瓣环方向的投影面积总和至少等于主动脉根部的面 积 依据解剖学 瓣叶柔韧薄膜的受力分析 最佳血液流场条件所设计的瓣叶工 作状态应当是当心瓣关闭时 每个瓣尖与主动脉的对称轴相切于它们的边缘点 三片瓣叶沿边缘有完善的接触 互相支撑的瓣叶闭合承受关闭瞬间的压力梯度 并使关闭过程中血液回流极少 在满足以上前提的设计思维指导下 计算机辅助工业设计为人工生物瓣膜的 参数化造型提供了极大的方便 提高了各参数的准确性 并为生物瓣膜的有限元 分析和动画模拟提供了前提和基础 又能够结合有限元分析的结果对生物瓣膜参 数构型进行评测 进而完善生物瓣膜设计理论与方法 1 4 2 生物瓣膜与c a e 计算机辅助工程 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 其核心理论是基于现代 计算力学的有限元分析技术 广义上指所有在计算机帮助下能实现的技术 c a e 目前应用范围涵盖军事 航空 航天 机械 电子 化工 汽车 生物医学 建 筑 能源 计算机设备等各个领域 能够贯穿产品开发的每一个环节口眈7 1 c a e 技术已经广泛应用于牙齿 骨骼等器官组织的应力分析 其在心脏瓣膜等人工器 官领域的应用研究也在不断深入 人工生物瓣膜的失效主要归因于材料钙化和瓣叶的撕裂 现在广泛认为应力 的集中在生物瓣膜的失效过程中承担了重大作用 因此研究瓣膜应力分布状况 力争改善其内部应力分布 延长在体内的寿命就显得愈来愈重要 在过去的二十 年中 已经有大量的应力分析应用于心脏瓣膜 2 8 1 1 目前对生物瓣膜的c a e 有限 元分析可以肯定 通过对有几个钙化区域的瓣叶的数值模拟 可观察到钙化使得 9 山东大学硕十学何论文 钙化点应力明显增高 发生应力集中 因此易导致撕裂与穿孔 钙化点的分布与 应力集中点的分布有着惊人的一致性 说明钙化与瓣叶内部应力集中的位置有着 直接的联系 然而瓣膜的受力是一个较复杂的问题 现有的分析是在假设对瓣膜 存在某些限定条件 如承受均匀载荷等情况下进行的 难免存在一定的误差 尽 管如此 生物瓣膜的有限元分析对在考虑心瓣流体动力学和运动学因素的条件下 研究瓣叶应力分布 改进瓣叶形状和瓣膜设计提供了依据 对生物瓣膜的性能进行改进的一条重要途径就是基于对瓣叶受力分析的基础 上引导出来的 分析的数据为改善瓣叶应力应变分布情况 减少瓣叶上的最大剪 应力和弯曲应力 从而为减少因撕裂和钙化而产生的瓣膜失效提供了有力的证据 1 5 本文主要研究内容 本课题是山东省自然科学基金批准立项项目 y 2 0 0 6 f 2 2 生物瓣膜动态场分 析及新型加工方法研究 的组成部分 作为项目组主要成员主要进行以下几个方 面的研究 1 以心瓣流体力学 薄膜壳体理论和临床采集数据为依据 通过工业设计 方法实现生物瓣膜产品概念原型化 建立瓣叶型面和瓣架的原始数学模型 2 以良好的生物力学性能 降低跨瓣压差 避免湍流射流等不良流态形成 开启时瓣膜口径足够大 关闭时回流量小 为设计标准 综合考虑瓣环半径 瓣 架高度 瓣架倾角及瓣叶厚度对瓣膜力学性能的影响 3 结合c a i d 技术 将数学模型描述的瓣膜进行三维实体造型后导入静力 学 动力学c a e 分析软件并施加约束和载荷进行有限元分析 根据计算结果 客 观评价瓣叶的应力分布情况 优化瓣架 瓣叶几何造型及参数 并提供模型数据 用于c a m 系统 1 0 第2 章生物瓣膜造型设计理论基础 第2 章生物瓣膜造型设计理论基础 2 1 心瓣流体动力学 2 1 1 心瓣流体动力学概述 心瓣发生病变 无论是出现关闭不全或是狭窄状况 都将使瓣膜功能发生障 碍 引起血流动力学特性的改变 影响整个心脏的功能和效率 为了解瓣膜功能 障碍所引起血流动力学特性的改变 应用人工心脏瓣膜置换手术所起的治疗作用 以及为设计制作人工心脏瓣膜提供血流动力学的依据 首先应明了血液流过瓣膜 时的流动特征及诸如血流速度 压力 流量等血流动力学参量的分布与变化规律 瓣膜的运动过程 以及瓣膜关闭的流体力学原理等 3 2 4 1 心瓣流体动力学是2 0 世纪8 0 年代形成的一门新兴边缘学科分支 是心血管 系统流体动力学领域中形成较晚的一个分支学科 它主要研究 1 心瓣流场中的血液流动及其响应 它既包括血液流动与心瓣运动的耦联 问题 也包括血液流动与动脉管壁的耦联问题 对主动脉瓣来说 包括在v a l s a v a 窦内的流动问题 对二尖瓣来说 还包括血液与乳头肌腱索的作用问题 2 心房 心室的收缩与舒张相位与瓣膜运动之间的关系 3 对于发生病变的心瓣和人工心瓣 还必须特别进行对血液流动的剪应力 冲压力等的测定与分析 因而涉及研究血栓现象问题 以上研究的流动现象都将影响瓣膜的疲劳特性和耐久性 都将涉及瓣膜本身 的应力分布与变形 从而直接关联到瓣膜的材料特性 人工心瓣的设计 制作工 艺等问题 2 1 2 心瓣流体动力学研究的几个方面 1 瓣膜的开启运动机制 测量表明 心脏收缩开始后 经过5 3 毫秒瓣膜才开启 再经过4 7 毫秒达到 全开位置 这表明开启时间非常短 流动是高速加速 这样在瓣膜开启相的血液 山东大学硕十学位论文 流动可以作为势流来处理 研究结果表明 主动脉压力对瓣叶形状和运动速度很 敏感 改变瓣叶的几何形状和材料特性 对主动脉瓣的血液动力学特性有很大影 响 2 瓣膜的关闭运动机制 健康人的瓣膜打开时 对流动的阻力极小 而在很小的压差下它们立即关闭 倒流量很小 天然心瓣的启闭完全受流体动力控制 在加速相即已关闭1 6 减 速相再关闭7 4 两者合达9 0 因而在射血中止后 只靠少许回流即可完全关 闭 这样的关闭过程是平缓渐进的 既防止了瓣膜关闭时的冲击 也排除了产生 高值剪应力和冲压力 从而减少溶血和血栓栓塞的形成 所有人工心脏瓣膜迄今为止还无法实现射血加速相的早期关闭 主要是靠回 流实现部分或大部分的关闭 因而关闭是不平滑而是突然的 于是 溶血和血栓 栓塞加速发生 对人体的危害相当严重 心脏有节律的收缩和舒张运动 以及心脏瓣膜的单向导流阀作用 保证了心 脏具有推动血液循环的动力泵功能 瓣膜材料性能和心瓣结构特性将直接影响血 液流动参数一压力 流动 功效等 因而人工心瓣的开启 关闭运动机制研究 尤为重要 通过心瓣流体动力学的研究 我们可得出瓣膜运动是多种因素综合作 用的结果 心脏的心室充盈以及射血的流体力学问题与心脏瓣膜的运动密切相关 瓣膜启闭完全受流体动力控制 射血后期流动减速 造成的逆压力梯度使主动脉 瓣 或肺动脉瓣 关闭 由于瓣膜关闭是加速度引起的 故非常灵敏 基本上无 倒流 而射流减速及与此相关的逆压力梯度是舒张期二尖瓣关闭的机理 流体减 速是心室壁运动减速所致 因减速而造成的逆压力梯度则使瓣膜间流体压力低于 心室内周围流体的压力 从而使瓣膜关闭 因而 对于生物瓣膜的设计应力求达 到在其开启时受力最小 或者说对血流的阻力最小 在关闭时应具有高的生理效 应 这也是影响生物瓣膜数字原型的选择和参数定义的重要因素 2 1 3 心瓣流体动力学参数 在考虑为特定病人植入最佳的人工心脏瓣膜时 需参照有关瓣膜性能的定量 标准 因此 需要对人工心脏瓣膜的有效瓣口面积和面积指数 跨瓣压差 反流 量 启闭性能等血流动力学特性进行评价 3 弼6 1 这也与生物瓣膜造型参数的选择 1 2 第2 章生物瓣膜造型设计理论基础 密切相关 1 有效瓣口面积和面积指数 瓣叶开启口径与瓣环构成口径并不一致 前者称为有效瓣口 其面积称为有 效瓣口面积 有效瓣口面积作为评价天然心瓣和人工心脏瓣膜性能的一种方法 广泛应用于体外脉动流模拟试验和在体评价中 目前常用的有效瓣口面积计算公 式为g o r l i n 公式 g o r l i n 公式为g o r l i n 等根据水力学公式 在定常流下从流体动力学系统推导出 计算有效瓣口面积的公式 由于公式中使用了流出系数 而瓣膜几何形状的差异 导致流出系数是不同的 因而对不同类型瓣膜的有效瓣口面积评价 应采用不同 的数值 该公式局限性不断显现 后期经过不断修正衍生出多种形式 目前采用 的形式之一如下 主动脉瓣 e o a 4 附 i i 瓦c 矛o i 习面 2 1 式中e o a a 蹦 主动脉瓣有效面积 e r a 2 c d 心输出量 l m i n 舰 心率 次 分 妒 收缩射血期 s c 经验常数 主动脉瓣取值约为4 4 3 a p 平均收缩期主动脉瓣压差 m m h g 二尖瓣 e 面面c 丽o 2 2 式中e 0 1 钆蹦 二尖瓣有效面积 c m 2 c d 心输出量 l m i n 月r 心率 次 分 d e p 舒张射血期 s c 经验常数 二尖瓣取值约为3 7 9 p 平均舒张期二尖瓣压差 m m h g 迄今为止 尽管i s o 对定常流下有效瓣口面积的计算提出了建议公式 但仍未 对在脉动流下有效瓣口面积的计算作出规定 g o r l i n 公式对瓣膜性能的计算 目前 山东大学硕 学位论文 仍是瓣膜狭窄程度判断和人工心脏瓣膜体外实验应用较多的评价标准 面积指数 a r e ai n d e x 是有效瓣口面积与总面积 理论上的最大开启面积 或缝 环面积之比 这种无量纲指数是心动周期的前向流动阶段瓣膜性能的表现 有效 瓣口面积指数 e f f e c t i v ea r e ai n d e x 是有效瓣口面积与体表面积之比 反映了瓣膜的 流动面积与身体大小的匹配关系 2 跨瓣压差 血液流过心脏瓣膜时 瓣膜的流入面与流出面的心强压力是不同的 其差值 成为跨瓣压差 跨瓣压差是描述人工心脏瓣膜血流动力学性能最常用的参数 用 于推断人工心脏瓣膜在体内对血流的阻塞程度 其值的大小 反映了流过心瓣所 受阻力的大小 并会影响单位时间内血流量的大小 它与瓣口的有效面积 阀体 的结构以及血流速度等有密切的关系 阻抗大的瓣膜 意味着心脏的负荷大 由 于瓣膜正后方流动的不规律性 使瓣膜下游压力的测量值产生误差 导致高的总 压力损耗 峰值跨瓣压差由瓣膜关闭瞬间的峰值