基于心脏超声个体患者的仿真左心室有限元模型及应用

发布时间：2022-01-21 17:55

　　背景:基于医学图像的仿真计算模型已被广泛应用于心血管疾病的研究。左心室（LV）功能的精确评估对心血管疾病的诊断,治疗选择和预后至关重要。本文通过建立基于患者在体超声影像（Echo）的左心室力学仿真模型,并结合左心室形态学和生物力学信息,确定心肌材料性质,仿真心室主动收缩和心腔血液运动情况,评估心室功能,为心肌梗死病患的诊断、预测和治疗方案评估提供帮助。方法:根据南京医科大学第一附属医院提供的左心室在体Echo数据和压力数据,建立基于Echo的仿真计算力学模型。该模型融合了左心室形态、带纤维方向的两层结构、非线性心肌材料模型等信息,并考虑心室主动收缩和流固耦合。本文采用修正的MooneyRivlin材料模型来刻画非线性,各向同性或各向异性材料特性,材料硬软度用于模拟心室主动收缩和舒张。几何拟合网格生成技术用于生成网格,结合有限元软件ADINA求解有限元模型。统计方法包括学生t-test分析,相关性分析,线性混合效应模型和逻辑回归模型用于形态学,生物力学和流体动力学分析。本文介绍的基于超声的双几何左心室仿真模型,确定心肌材料性质和预测心肌梗死的方法,以及用仿真模型进行虚拟手术优化起搏器位置... 

【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：112 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 研究背景和内容
    1.1 研究背景
    1.2 超声心动图简介
    1.3 心脏流固耦合力学仿真模型的基本要素
    1.4 左心室模型研究概况
        1.4.1 左心室几何模型
        1.4.2 左心室的心肌材料性质估计
        1.4.3 三维左心室模型的力学性质
        1.4.4 左心室主动收缩舒张模型
        1.4.5 左心室流固耦合模型
        1.4.6 心脏起搏器
    1.5 论文的研究内容
    1.6 论文的组织结构
第二章 仿真左心室流固耦合模型主动收缩和三维构建
    2.1 模型数据获取
    2.2 数学模型
        2.2.1 左心室的主动收缩
        2.2.2 流体模型
        2.2.3 固体模型
        2.2.4 流固耦合
        2.2.5 材料模型
    2.3 三维几何重建和网格划分
        2.3.1 构建固体区域
        2.3.2 构建流体区域
    2.4 预收缩-拉伸过程:零载荷几何结构
        2.4.1 单零载荷几何左心室模型(1G模型)
        2.4.2 双零载荷几何左心室模型(2G模型)
    2.5 模型求解和ADINA软件包
        2.5.1 固体模型的三维有限元方法
        2.5.2 流体模型的三维有限元方法
        2.5.3 流固耦合
        2.5.4 ADINA软件包
        2.5.5 用ADINA建模的过程
    2.6 统计变量
        2.6.1 左心室体积和射血分数
        2.6.2 Quarter平均参数值
        2.6.3 几何形态学参数
        2.6.4 生物力学参数
    2.7 统计方法
        2.7.1 学生t检验
        2.7.2 Pearson相关分析
        2.7.3 线性混合效应模型
        2.7.4 逻辑回归分析和2 倍交叉验证过程
    2.8 本章小结
第三章 心肌梗死左心室模型的数值模拟
    3.1 引言
    3.2 三维基于Echo的模型可以决定在体的左心室材料性质
    3.3 射血分数与心室形态学和力学参数的相关性
    3.4 心肌梗死患者在射血初期有较低应力应变
    3.5 敏感性分析和模型假设的重要性
    3.6 本章小结
第四章 左心室心肌梗死预测模型
    4.1 引言
    4.2 心肌梗死左心室有更小的硬度变量
    4.3 左心室材料参数变量与射血分数有更好的相关性
    4.4 心肌梗死患者具有更低应力值
    4.5 收缩末期的材料参数可作为最佳预测心肌梗死的潜在因素
    4.6 本章小结
第五章 左心室主动收缩舒张模型
    5.1 双零载荷几何模型用于模拟左心室主动收缩与舒张
    5.2 2G模型舒张期和收缩期左心室材料性质
    5.3 1G和2G模型材料参数比较
    5.4 2G模型舒张期和收缩期左心室力学性质
    5.5 1G和2G模型左心室力学性质比较
    5.6 2G模型两组患者比较
    5.7 本章小结
第六章 左心室流固耦合模型
    6.1 引言
    6.2 心肌梗死左心室有较低的流速峰值
    6.3 心肌梗死左心室有较高的涡量且更小涡流面积
    6.4 高血压左心室在进出口具有较高的流体剪切应力最大值
    6.5 固体结果分析
    6.6 本章小结
第七章 心脏起搏器模拟模型
    7.1 起搏器动物模型制备
    7.2 基于Echo FSI心室模型用于模拟电信号传导
    7.3 PIVS起搏有较高的流速最大值
    7.4 PIVS起搏射血期有较高的应力应变值
    7.5 本章小结
第八章 总结与展望
    8.1 论文总结和主要创新点
    8.2 工作展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的学术论文
攻读博士学位期间参与的科研项目和学术会议
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]左心室多尺度模拟[J]. 蔡力,高昊,罗小玉,聂玉峰.  中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(02)
[2]人体左心室三维有限元模型构建及流-固耦合动力学分析[J]. 吴博,张开俊,万浩,刘谦.  生物医学工程学杂志. 2013(01)
[3]起搏位点对左心室收缩模式及功能的影响[J]. 姚静,许迪,陈椿,徐兢,缪长青,雍永宏,季玲,庄燕,陈明龙,曹克将.  中华超声影像学杂志. 2012 (07)
[4]人体左心室复合材料有限元机械模型的建立[J]. 吴国华,刘峰,夏灵,吕维雪.  中国生物医学工程学报. 2002(05)
[5]基于单个细胞动作电位计算心电:若干异常仿真心电图[J]. 朱浩,尹炳生,朱代谟.  生物物理学报. 2001(01)



本文编号：3600705