心脑血管植介入器械建模仿真与应用_基础医学

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内容提要

心脑血管疾病是当前导致人类死亡最多的疾病。外科治疗和介入治疗是心脑血管疾病治疗最主要和最有效的方式。在治疗过程中需要使用各种植介入器械，包括血管支架、人工心脏瓣

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前言

心脑血管疾病是当前导致人类死亡最多的疾病。外科治疗和介入治疗是心脑血管疾病治疗最主要和最有效的方式。在治疗过程中需要使用各种植介入器械，包括血管支架、人工心脏瓣

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第1章　基础知识简介

心脑血管植介入器械的建模仿真是一个多学科交叉的研究领域，它涉及基础医学、临床医学、机械设计、加工制造、力学、计算方法、程序设计、图像处理等很多知识。本章主要介绍

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1.1　医学成像技术

心脑血管植介入器械的计算机建模和仿真的步骤是：首先建立心脑血管和植介入器械的三维几何模型，接着基于几何模型进行网格划分、赋予材料参数、施加边界条件，从而建立数值

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1.1.1　数字减影血管造影

血管造影（angiography）是一种专业的血管成像方法，它利用X线无法穿透显影剂的特性，将显影剂注入血管里，通过显影剂在X线下所显示的影像来显示血管。与常规

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1.1.2　计算机断层成像

计算机断层成像是采集X线穿过人体的衰减数据，根据X线衰减数据与组织吸收系数之间定量关系，利用数学算法通过计算机重建获得每个体素的吸收系数从而获得CT图像。体素是

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1.1.3　磁共振成像

磁共振成像是利用射频电磁波对置于强磁场中含有氢原子核的物质进行激发，产生核磁共振现象。根据Lamor定律，不同强度的外加磁场导致氢原子核发生核磁共振的频率不同，

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1.1.4　超声成像

超声成像是利用超声波在不同生物组织中的声阻抗和衰减特性不同的特点，通过超声在人体组织内的反射、折射、衍射、散射、多普勒效应等现象进行医学成像的技术。常见的超声成

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1.2　计算机建模技术

计算机建模是通过医学影像数据或者计算机辅助设计软件建立心脑血管器官或者组织几何模型和植介入器械的几何模型，根据几何模型划分计算网格并确定适合的边界条件，从而建立

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1.2.1　基于医学影像的几何建模

CT、MRI等医学影像数据把特定部位的扫描信息储存为三维的矩阵，通过对这些矩阵信息（如灰度值等）进行处理，可以区分并还原组织和器官的形态和位置，该过程称为医学影

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1.2.2　基于CAD的几何建模

数值仿真的流程主要包括几何建模、前处理、数值求解和后处理四大部分。几何建模通常是仿真的第一步，模型的准确度、保真度和复杂度对仿真结果有着重要的影响。CAD通过图

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1.2.3　计算模型的网格前处理

现在的数值计算方法大多基于离散的网格单元进行，因此需要先把几何模型处理成网格模型，并且网格的类型、质量、数量等均对数值仿真的耗时和准确性有着重要的影响。网格前处

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1.3　数值仿真方法

对于与时间和空间相关的物理问题，通过数学建模可以获得描述这个物理问题的偏微分方程、初始条件和边界条件，然后进行求解。如果此物理问题的研究区域和边界条件都比较复杂

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1.3.1　计算固体力学方法

计算固体力学（computational solid mechanics，CSD）是在已建立的描述固体运动和变形的数学模型的基础上，采用一定的离散化数值方法，用

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1.3.2　计算流体力学方法

计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）是通过计算机对流体流动等问题进行数值计算，分析的对象包括流体流动、热传导、物质输

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1.3.3　流固耦合仿真方法

为了更好地分析血流和瓣膜或者血流与血管之间的相互作用，双向的流固耦合是必要的。在这样的仿真中，流体域和固体域之间的位移、压力等变量需要实时进行传递。流固耦合如果

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参考文献

［1］Fahrig R，Fox A J，Lownie S，Holdsworth D W.Use of a c-arm system to generate tr

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第2章　编织型支架建模仿真与应用

编织型支架是指利用手工或者编织机将金属丝编织成支架结构，它具有柔顺性好、加工制造较为方便等优点，被广泛用于各类心脑血管介入器械，比如治疗脑动脉瘤的血流导向装置、

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2.1　背景介绍

本节首先简单介绍脑动脉瘤的流行病学数据及生理和病理，然后重点介绍脑动脉瘤的手术治疗方法，特别是介入治疗方法及存在的问题。(https://www.daowen.

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2.1.1　脑动脉瘤病理

脑卒中已经成为导致中国人死亡第一常见原因［1］。2017年的一项调查指出，中国的年龄标准化的脑卒中患病率、发病率和死亡率分别为1 115/（10万人·年）、24

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2.1.2　脑动脉瘤手术治疗及临床问题

对于已破裂的动脉瘤，临床上通常采用动脉瘤夹闭术和血管内介入疗法对患者进行救治。动脉瘤夹闭术是外科医生在显微设备的帮助下，打开患者颅骨，使用动脉瘤夹在瘤颈口进行夹

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2.2　模型构建与数值仿真方法

本节首先介绍脑动脉瘤建模方法和编织型支架的建模方法，然后重点介绍有限元仿真模拟编织型支架植入治疗脑动脉瘤时常用的方法。(https://www.daowen.c

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2.2.1　血管模型构建

血管建模所使用的临床数据来自复旦大学附属华山医院。依据3D-DSA影像数据重建颅内血管树模型，并对其进行修复和光滑等处理，得到最终计算需要的血管模型，如图2-2

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2.2.2　支架模型构建

编织型支架可由单根或多根丝通过手工或编织机编织而成，结构为顺时针和逆时针数目相同的螺旋线相互交叉，本研究中涉及的LVIS支架和LVIS Jr.支架采用单根丝通过

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2.2.3　支架材料属性

镍钛合金凭借其优异的超弹性性能和良好的生物相容性，在医疗器械领域得到了广泛的应用，本研究涉及的LVIS支架和Tubridge支架的主要部分均采用医用镍钛合金制成

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2.2.4　有限元仿真模型的台架试验验证

对镍钛合金自膨胀支架进行径向压缩试验和有限元仿真，通过对比仿真结果与试验结果，以验证有限元模型中网格划分和材料属性等相关设置的准确性。 1）支架径向力测试装置

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2.3　有限元仿真

(https://www.daowen.com)

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2.3.1　支架在患者血管中释放过程的有限元模拟

本节介绍两种模拟编织型支架在患者血管中释放过程的有限元仿真方法。观察编织型支架真实手术释放过程的录像，不难发现，支架被推出微导管后，微导管开口基本处于血管中心线

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2.3.2　支架的快速有限元释放

2.3.1节所述的有限元方法对真实手术的释放过程实现了高度还原，但计算时间较长，计算过程可能需要进行多次调整，不便于推广到临床手术规划中。因而，针对只需要释放完

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《心脑血管植介入器械建模仿真与应用》简介