主动脉根部手术方式的选择来自于临床医生的经验,对其中的生物力学机理需要进一步理论分析,指导以证据为基础的手术决策,防止手术后发生新主动脉瓣关闭不全。本课题侧重于采用有限元分析的方法,研究升主动脉根部几何构型,包括窦管交界、窦部直径和冠状窦口位置,对主动脉瓣关闭功能的影响,从结构动力学、血流动力学方面,用结构有限元和二维流固耦合方法探讨主动脉瓣关闭不全的生物力学机理,为外科手术中确定主动脉根部几何尺寸提供手术规划的科学依据;分析研究主动脉根部应力分布、瓣膜开口面积、瓣环直径变化量、瓣叶对合力、瓣叶轴向位移等有关主动脉瓣性能的评价指标,结合文献中提供的数据,提出手术规划的临床应用建议;而且可以为人工心脏瓣膜的设计提供参考。本课题的主要研究内容包括以下几个方面:课题背景部分论述了主动脉瓣关闭不全的分类和治疗方法,主动脉根部有限元和体外实验建模,主动脉根部力学规律,几何构型异常导致主动脉瓣反流和主动脉根部形态变化规律等主动脉根部生物力学研究的国内外现状;主动脉根部生物力学机理研究理论论述了六种几何模型构建方法,常用的材料模型,有限元求解方法,主动脉瓣膜生物力学性能评价参数和数值模拟计算结果的体外实验验证方法等方面的内容;结构有限元模型数值模拟部分主要由两部分组成,分别是对比研究壳单元和纤维组织单元模型对计算结果的影响,用结构有限元模型研究改变窦管交界和窦部直径对主动脉瓣关闭功能的影响;二维流固耦合模型数值模拟由两部分内容组成,分别是改变窦管交界和窦部直径对主动脉瓣关闭功能的影响,以及冠状窦口位置对瓣膜关闭功能的影响;主动脉根部几何构型术前规划软件设计与实现部分论述了主动脉根部手术规划软件方案、程序设计、程序实现、以及应用举例;全文的结论和展望论述了本研究的局限性,研究过程中出现的新问题,提出解决方案。通过本课题的研究得到了一些有意义的研究结果。一、使用结构有限元模型研究窦管交界和窦部直径对主动脉瓣关闭功能的影响研究,研究结果表明增加窦管交界和窦部直径20%,会增加瓣叶接触力;反之亦然。这可能是主动脉根部手术后,新主动脉瓣关闭不全的原因;二、通过二维流固耦合方法研究窦管交界和窦部直径对主动脉瓣关闭功能的影响,得到如下结果,手术后新主动脉瓣关闭功能会受到手术中窦管交界和窦部直径尺寸选择的的影响,研究结果表明与窦部直径相比较,窦管交界直径改变20%的范围内,对主动脉瓣关闭性能的影响更大,因此,主动脉根部手术时应当给予主动脉窦的尺寸更多的考虑;三、通过冠状窦口位置对主动脉瓣膜关闭功能的研究,得到如下结果,当冠状窦口位于窦底部时,窦部最大直径处出现局部高压;当冠状窦口位于窦中部时,由于冠状动脉入口的存在,在窦最大直径处不会出现局部高压;此处的局部高压有利于三个窦产生对称的变形,降低瓣叶对合错位的风险;四、初步开发主动脉根部几何构型术前规划软件。上述量化的理论分析结果可以作为主动脉根部几何构型术前规划的理论依据。这将有助于手术医生方便、高效、科学合理、有依据地制定主动脉根部手术方案,也可以为患者提供更为详细的病理信息,对避免医患纠纷具有积极的促进意义。