基于亚区结构的二尖瓣有限元建模与仿真研究

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二尖瓣是人体心脏的重要瓣膜组织之一,它位于左心房与左心室之间,由二尖瓣瓣环、瓣叶、腱索、乳头肌等结构组成,它保证了血液从左心房流到左心室的单向流动,对心脏正常功能的维持具有重要作用。通过对人体二尖瓣进行有限元建模仿真,可以更好地认识二尖瓣的力学机理,对分析二尖瓣关闭不全等病理结构以及指导瓣膜修复术具有重要的意义。  本文根据人体二尖瓣的实际生理结构,建立以亚区结构为特征的精细的二尖瓣有限元模型,对正常的人体二尖瓣及关闭不全的人体二尖瓣进行生物力学分析,并对二尖瓣边对边修复术进行了研究,分析边对边修复术前、后二尖瓣瓣叶的闭合情况及瓣膜应力变化,并研究了边对边修复术缝合长度对于瓣膜应力的影响。  论文的研究内容主要有以下几个方面:  1.综合考虑二尖瓣瓣叶形态、腱索与瓣叶的连接位置等,建立以亚区结构为特征的精细的人体二尖瓣三维有限元模型:后瓣叶分为3个亚区结构,腱索分为粗糙带腱索、基底部腱索以及裂口处腱索。二尖瓣瓣膜厚度分为两种情况:(1)前后瓣叶厚度相同的厚度均匀模型;(2)前后瓣叶厚度不相同的厚度不均匀模型。两种模型,分别模拟其瓣叶在心脏收缩初期心房心室压力差的作用下的闭合过程,并比较了两种仿真模型的差异。在瓣叶厚度不均匀的模型基础上,按照临床数据及相关描述,设置瓣环与乳头肌的二维运动过程,更加准确地模拟二尖瓣的闭合过程,并分析二尖瓣瓣叶闭合情况和瓣膜应力的变化。  2.二尖瓣关闭不全是一种较为常见的心脏瓣膜疾病,腱索断裂导致瓣叶脱垂是二尖瓣关闭不全比较常见的病因之一。同时后瓣叶脱垂是二尖瓣脱垂中概率比较高的,因而建立不同程度人体二尖瓣腱索断裂的有限元模型,并施加对应脱垂程度下的瓣膜载荷,模拟二尖瓣脱垂情况下的闭合过程,并分析二尖瓣在不同程度脱垂情况下的应力、最大位移等。  3.边对边修复术是一种比较常见的二尖瓣瓣膜修复术。本文基于二尖瓣前后瓣叶混合脱垂模型,分别建立了手术前、手术后二尖瓣有限元模型,对手术的整个过程进行了仿真。首先模拟了二尖瓣前后瓣叶在弹簧单元牵拉作用下逐渐并拢的过程,然后模拟了前后瓣叶缝合后,在轻度脱垂模型的载荷下二尖瓣的闭合过程,通过对比手术前、后模型中瓣叶的闭合形态以及瓣叶的受力情况,证实了边对边修复术对二尖瓣脱垂模型的影响,同时研究了缝合宽度对瓣叶闭合形态和瓣膜应力的影响。
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