面向數(shù)值仿真的胸主動(dòng)脈力學(xué)性能研究及本構(gòu)模型優(yōu)化.pdf

1、本文從以下幾個(gè)部分展開(kāi)論述：
　　第一部分 胸主動(dòng)脈力學(xué)性能測(cè)試方案的建立
　　目的:確立系列試驗(yàn)方案，闡明胸主動(dòng)脈的粘彈性特性，尋找不同類型胸主動(dòng)脈應(yīng)力應(yīng)變、彈性模量及順應(yīng)性計(jì)算衡量方法，為后期本構(gòu)模型的建立及數(shù)值仿真提供基礎(chǔ)條件。
　　方法:采集豬胸主動(dòng)脈標(biāo)本，分別進(jìn)行胸主動(dòng)脈片狀試樣周向拉伸斷裂試驗(yàn)和頂破試驗(yàn)、管狀試樣順應(yīng)性試驗(yàn)和雙向拉伸試驗(yàn)等，試驗(yàn)獲得原始數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)處理及相關(guān)公式計(jì)算，獲得反映胸主動(dòng)脈彈性和

2、硬化程度等的生物力學(xué)指標(biāo)。
　　結(jié)果:胸主動(dòng)脈在體和離體狀態(tài)下的長(zhǎng)度的回縮比率約20％。預(yù)調(diào)時(shí)壓力和直徑、拉力和位移呈正相關(guān)，但出現(xiàn)滯后環(huán)。片狀試樣周向拉伸斷裂試驗(yàn)時(shí)，初始模量為0.529±0.145N/mm2。片狀試樣頂破試驗(yàn)時(shí)，平均頂破強(qiáng)力9.329±2.112N，平均頂破位移為8.038±1.282mm。管狀試樣靜態(tài)和動(dòng)態(tài)順應(yīng)性試驗(yàn):在50-90mmHg、80-120mmHg和110-150mmHg壓力段，靜態(tài)順應(yīng)性分別是2

3、3.895±4.094％/100mmHg、20.847±5.085％/100mmHg和17.062±3.525％/100mmHg;動(dòng)態(tài)順應(yīng)性分別是17.215±2.787％/100mmHg、11.126±2.329％/100mmHg和4.615±1.490％/100mmHg;組內(nèi)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)順應(yīng)性值各壓力段依次遞減，組間靜態(tài)順應(yīng)性值大于動(dòng)態(tài)順應(yīng)性值，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。管狀試樣雙向拉伸試驗(yàn):各標(biāo)本周向和軸向應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增大;同一標(biāo)

4、本不同應(yīng)力比時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率趨向相同，周向和軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率不同;同一應(yīng)力比不同標(biāo)本時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率不同，周向和軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率趨向不同。
　　結(jié)論:豬胸主動(dòng)脈標(biāo)本裝機(jī)后應(yīng)在平衡原來(lái)已回縮的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。滯后環(huán)反映試樣的粘彈性特性。片狀試樣周向拉伸斷裂獲得初始模量，頂破試驗(yàn)明確試樣頂破強(qiáng)力和位移，為不同群體標(biāo)本力學(xué)性能的比較提供基礎(chǔ)。管狀試樣的順應(yīng)性反映血管的硬化程度，表征動(dòng)脈彈性可擴(kuò)張度;雙向拉伸驗(yàn)證了主動(dòng)脈的各

5、向異性，為胸主動(dòng)脈本構(gòu)模型的建立優(yōu)化及數(shù)值模擬提供可能。
　　第二部分 不同人群胸主動(dòng)脈力學(xué)測(cè)試分析
　　目的:通過(guò)不同人群胸主動(dòng)脈力學(xué)指標(biāo)的測(cè)試并進(jìn)行比較，了解各人群胸主動(dòng)脈力學(xué)性能的差異，為胸主動(dòng)脈疾病的病因探索提供生物力學(xué)數(shù)據(jù)支持，有利于胸主動(dòng)脈損傷機(jī)理的分析，指導(dǎo)臨床治療和腔內(nèi)材料的研發(fā)改進(jìn)。
　　方法:將人體胸主動(dòng)脈分為正常主動(dòng)脈、主動(dòng)脈瘤及主動(dòng)脈夾層三組。通過(guò)周向拉伸斷裂試驗(yàn)對(duì)三組標(biāo)本分別進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，構(gòu)建

6、位移和載荷的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，計(jì)算出各標(biāo)本的初始模量，將各組初始模量進(jìn)行比較分析。頂破試驗(yàn)測(cè)量三組標(biāo)本試樣的厚度、頂破強(qiáng)力和位移，明確厚度、位移及頂破強(qiáng)力的關(guān)系，分別將三組標(biāo)本的頂破強(qiáng)力和位移進(jìn)行對(duì)比分析。
　　結(jié)果:正常主動(dòng)脈、主動(dòng)脈瘤和主動(dòng)脈夾層三組的初始模量值依次增大，分別為0.305N/mm2，0.568N/mm2，0.680N/mm2;去除不同厚度的影響后，各組間進(jìn)行方差分析，經(jīng)檢驗(yàn)F=112.55，P=0.000，P＜0

7、.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;經(jīng)Bonferroni法檢驗(yàn)，正常主動(dòng)脈組和主動(dòng)脈瘤組之間，正常主動(dòng)脈組和主動(dòng)脈夾層組之間，主動(dòng)脈瘤組和主動(dòng)脈夾層組之間P值均＜0.05，三組之間兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。正常主動(dòng)脈、主動(dòng)脈瘤和主動(dòng)脈夾層三組標(biāo)本的平均頂破強(qiáng)力分別為10.121±2.543N、6.116±3.008N和5.461±2.224N，平均位移分別為9.791±1.927mm、5.498±1.223mm和4.605±1.534mm，三

8、組標(biāo)本的頂破強(qiáng)力和位移依次減少;各組之間頂破強(qiáng)力在經(jīng)過(guò)協(xié)方差分析，去除不同厚度的影響后，經(jīng)檢驗(yàn)F=6.485，P=0.010，P＜0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;位移經(jīng)檢驗(yàn)F=13.641，P=0.001，P＜0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
　　結(jié)論:正常人體胸主動(dòng)脈、主動(dòng)脈瘤及主動(dòng)脈夾層組織的彈性和血管壁抵抗局部垂直力破壞的能力依次減低，其參數(shù)是計(jì)算固體力學(xué)分析中的必備，符合人體胸主動(dòng)脈的病理解剖基礎(chǔ)。測(cè)試和評(píng)估結(jié)果在人體胸主動(dòng)脈支架

9、對(duì)血管壁損傷的生物力學(xué)建模與數(shù)值仿真中意義重大。
　　第三部分 胸主動(dòng)脈本構(gòu)模型的建立和優(yōu)化
　　目的:通過(guò)反映胸主動(dòng)脈各向同性的本構(gòu)模型的建立，實(shí)現(xiàn)片狀試樣向管狀試樣生物力學(xué)性能的推導(dǎo);建立胸主動(dòng)脈各向異性本構(gòu)模型，獲得優(yōu)化的本構(gòu)材料常數(shù)，為數(shù)值仿真提供基礎(chǔ)條件。
　　方法:基于豬胸主動(dòng)脈片狀試樣周向拉伸斷裂試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，經(jīng)過(guò)反復(fù)擬合比對(duì)，確定合適的本構(gòu)方程，建立各向同性本構(gòu)模型;通過(guò)管狀試樣靜態(tài)順應(yīng)性試驗(yàn)的應(yīng)

10、力應(yīng)變曲線，驗(yàn)證各向同性本構(gòu)模型的合理性和可行性。豬胸主動(dòng)脈實(shí)際測(cè)量的幾何參數(shù)建立幾何模型，根據(jù)管狀試樣雙向拉伸試驗(yàn)的周向和軸向的實(shí)際加載和能反映各向異性的Holzapfel-Gasser-Ogden本構(gòu)方程，分別獲得周向和軸向應(yīng)力比為1.5∶1、2∶1和3∶1的仿真的應(yīng)力應(yīng)變曲線;通過(guò)反復(fù)迭代，修正材料常數(shù)及纖維取向夾角值，將仿真獲得的周向和軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線與管狀試樣雙向拉伸試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，從而確定優(yōu)化的材料常數(shù)及纖維取向夾角。

11、r>　　結(jié)果:經(jīng)過(guò)反復(fù)擬合與評(píng)價(jià)，減縮多項(xiàng)式（階數(shù)=4）本構(gòu)方程最適合建立各向同性本構(gòu)模型;標(biāo)本在0-200mmHg各壓力點(diǎn)，通過(guò)模型擬合的直徑值與靜態(tài)順應(yīng)性試驗(yàn)實(shí)際測(cè)量的直徑值之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，應(yīng)力應(yīng)變曲線匹配較好。在相同的周向和軸向的應(yīng)力比情況下，模型仿真的周向外徑變化和軸向伸長(zhǎng)量結(jié)果與管狀試樣雙向拉伸試驗(yàn)結(jié)果之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，應(yīng)力應(yīng)變曲線匹配良好;優(yōu)化的材料常數(shù)及纖維取向夾角分別為C10-3.82KPa、D-0Kpa、K

12、1-996.6、K2-524.6、κ-0.226和γ-48.6°。
　　結(jié)論:片狀試樣推導(dǎo)管狀試樣的生物力學(xué)各向同性本構(gòu)模型具有合理性和可行性。結(jié)合Holzapfel-Gasser-Ogden本構(gòu)方程建立的各向異性的本構(gòu)模型，既反映了胸主動(dòng)脈的各向異性特性，又獲得了優(yōu)化的材料常數(shù)及纖維取向夾角。
　　第四部分 基于CT影像和本構(gòu)模型常數(shù)的胸主動(dòng)脈-血管內(nèi)支架數(shù)值仿真初探
　　目的:通過(guò)對(duì)胸主動(dòng)脈和血管內(nèi)支架的數(shù)值仿真，

13、進(jìn)行主動(dòng)脈與支架相互作用的有限元分析，企盼闡明支架徑向支撐力、彈性回直力及支架源性損傷的作用機(jī)制。
　　方法:采用臨床患者薄層CTA的圖像資料，運(yùn)用Mimics軟件進(jìn)行主動(dòng)脈三維數(shù)值模的構(gòu)建,結(jié)合血管和支架的本構(gòu)模型常數(shù)，使用Abaqus軟件對(duì)主動(dòng)脈及支架模型進(jìn)行有限元建模，對(duì)模擬支架在人體內(nèi)置入及釋放的過(guò)程通過(guò)有限元方法進(jìn)行分析和運(yùn)算，獲得相關(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)及分布。
　　結(jié)果:在胸降主動(dòng)脈近段，由近端而遠(yuǎn)端截取3個(gè)橫截面，觀察各

14、自周長(zhǎng)和截面積的變化。結(jié)果顯示:原先的周長(zhǎng)分別為72.406mm、69.571mm和65.381mm，支架置入后分別增加至77.468mm、75.931 mm和71.013mm，增長(zhǎng)率分別6.99％、9.14％和8.61％;原先的截面積分別為410.690mm2、379.788mm2和337.648mm2，支架置入后分別增加至469.697mm2、453.749mm2和399.111mm2，增長(zhǎng)率分別為14.37％、19.47％和18.