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基于各向异性超弹性的多层冠状动脉有限元模型及其应用

作　者: 李宁
导　师: 郭同彤
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 力学
关键词: 生物力学 动脉壁 冠脉支架 各向异性超弹性 多层结构 有限元模型
分类号: R318.01
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


心血管疾病是影响人类健康与生存的主要疾病之一,而心血管疾病多发生在冠状动脉内。正确了解并认识冠状动脉的生物力学特性对于预防和治疗心血管疾病都有重要的意义,而动脉壁的本构关系又是研究其生物力学性质和临床介入诊断与治疗的基础。近年来,对于动脉血管的研究不断深入,许多的专家学者都针对动脉壁的力学特性提出了多种本构关系假说。G.A.Holzapfel在2000年提出了一种动脉壁各向异性超弹性力学性质的本构方程。这种本构关系从动脉壁血管的微观生物力学结构出发,研究了动脉壁纤维对其生物力学性质的影响,在此基础上给出一个基于应变张量不变量的应变能密度函数。随后T.C.Gasser和R.W.Ogden又分别对这种本构方程进行了改进和完善,从而得到了更加准确的本构方程(即HGO材料模型)。根据本构关系获得的模拟结果与实验结果十分符合,这也验证了该本构方程的合理性。本研究的主要目的是建立一个真实可靠的冠状动脉壁血管模型,为人们了解人体软组织的生物力学特性提供参考,同时也为研究心血管介入手术治疗如冠状动脉粥样硬化、冠脉支架内再狭窄等提供帮助。本文利用上述HGO本构方程的假设进行冠状动脉血管的研究,为了在有限元软件中实现这种材料本构关系,对有限元软件进行了二次开发,编写了基于FORTRAN语言的用户子程序,成功实现了对其的有限元模拟。由于单独的动脉壁模型不涉及到接触问题,且几何形状简单,因此采用的是标准隐式的算法。通过对动脉壁外观形状的简化,我们把动脉壁看作是圆柱体。根据其对称性,建立了动脉壁的1 4有限元模型,并对模型施加了预拉伸和血压,以模拟真实的血管壁力学环境。同时对动脉壁施加轴向和周向的拉伸载荷来模拟单轴拉伸实验,获得了动脉壁随材料参数变化的应力响应。随后对获得的冠状动脉模型进行拉伸实验模拟,对其在不同材料参数下的力学性质进行了分析,并与实验结果进行了对比。结果表明获得的模拟结果与实验结果十分接近。在此基础上我们建立了冠脉支架和动脉壁的耦合模型。动脉壁的模型主要包括三个部分,分别是内膜层、中膜层和外膜层。冠脉支架和动脉壁的耦合模型除了血管壁本身外,还含有斑块和支架的模型。其中动脉壁采用了HGO材料模型和Mooney-Rivlin材料模型,而冠脉支架的材料为316L医用不锈钢,这是一种理想的弹塑性材料。由于在耦合结构中涉及到接触和非线性大变形问题,因此采用了动态显式的有限元算法来模拟冠脉支架与血管壁之间的接触变形,并获得了不同材料模型下的动脉壁应力分布和位移分布。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-15
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 研究的目的及意义  11-12
  1.3 国内外相关技术发展现状  12-13
  1.4 本文主要研究内容  13-15
第2章 动脉壁力学性质和本构模型  15-25
  2.1 引言  15
  2.2 动脉壁的组织学结构  15-18
  2.3 动脉壁的主要力学性质  18-20
    2.3.1 动脉的基本力学性质  18-20
    2.3.2 在体动脉壁的力学环境  20
  2.4 各向异性超弹性本构方程  20-24
    2.4.1 应变能密度函数  20-22
    2.4.2 各向异性超弹性本构模型  22-24
  2.5 本章小结  24-25
第3章 建立多层动脉壁厚筒有限元模型  25-37
  3.1 引言  25
  3.2 有限元软件介绍  25-27
    3.2.1 ABAQUS 介绍  25-26
    3.2.2 用户子程序与FORTRAN 语言  26-27
  3.3 建立多层动脉壁有限元模型  27-36
    3.3.1 参数获取  27-30
    3.3.2 有限元建模过程  30-36
  3.4 本章小结  36-37
第4章 冠状动脉支架和动脉壁耦合结构模型  37-48
  4.1 引言  37-39
  4.2 冠脉支架和动脉壁耦合结构建模过程  39-47
    4.2.1 参数获取  39-40
    4.2.2 建立耦合结构实体模型  40-41
    4.2.3 网格划分和载荷边界条件  41-43
    4.2.4 定义冠脉支架和动脉壁材料参数  43-47
  4.3 本章小结  47-48
第5章 有限元模拟结果  48-67
  5.1 引言  48-49
  5.2 动脉壁拉伸实验模拟结果  49-55
    5.2.1 随纤维色散度变化的模拟结果  49-53
    5.2.2 随平均纤维角度变化的模拟结果  53-55
  5.3 冠脉支架与动脉壁耦合模型模拟结果  55-66
    5.3.1 准静态过程检验方法与结果  55-59
    5.3.2 两种材料模型的模拟结果与分析  59-66
  5.4 本章小结  66-67
结论  67-69
参考文献  69-73
攻读学位期间发表的学术论文  73-75
致谢  75

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中图分类: > 医药、卫生 > 基础医学 > 医用一般科学 > 生物医学工程 > 一般性问题 > 生物力学
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