改良BT手术不同吻合方式血流动力学几何多尺度数值模拟研究

发布时间：2017-04-12 05:13

  本文关键词：改良BT手术不同吻合方式血流动力学几何多尺度数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：单心室缺陷综合症(Single Ventricular Heart Syndrome, SVHS)是一种致命的先天性心脏病。其临床主要表现为，三尖瓣闭锁、心室间隔缺损、肺动脉及右心室发育不全，导致患儿肺循环血流量较少，血氧含量较低，体表常伴随紫绀现象。 临床上一般首先对患儿实施体肺分流术，桥接体循环与肺循环，增加肺动脉灌注，提高血液中氧气的含量。改良BT手术(Modified Blalock-Taussig Shunt,MBTS)是一种临床常见的体肺分流术，其手术机理是在无名动脉与肺动脉间实施搭桥术。现阶段实施改良BT手术时，外科医生主要依据术前二维医学图像及临床经验实施手术，缺乏系统的血流动力学术前规划理论支持，使得手术风险增加。 本研究基于血流动力学理论及临床数据，采用可模拟心血管循环系统的集中参数模型（0D）与局部截断的（3D）手术模型多尺度耦合计算方法，实现不同维度模型数据交互、迭代计算，，完成血流动力学几何多尺度数值模拟仿真。针对个性化患儿不同搭桥管吻合方式的改良BT手术进行仿真研究，分析临床上较为关注的血流动力学参数指标，期望为临床手术治疗提供有价值的信息参考。研究内容包括： 1、构建了可以反映单心室患儿血液循环系统的0D集中参数模型，并与临床采集的病人信息及文献的相关结果进行对比，验证模型正确性。此基础上构建改良BT术后0D集中参数模型，并完成改良BT术多尺度模型0D部分参数校正。 2、基于临床CT图像三维重建单心室患儿的体肺动脉，并以不同搭桥血管吻合口方式构建出边对边（STS）、端对边（ETS）及双侧边对边（BSTS）三种3D手术模型。 3、在上述研究基础上构建改良BT手术几何多尺度0D/3D耦合模型，讨论不同维度模型间的数据相互交换方法，实现0D/3D耦合的数值模拟研究，对三种不同吻合方式进行几何多尺度血流动力学仿真，对比不同吻合口方式下血流动力学参数差异。 研究结果表明：ETS、STS、BSTS方式左右肺动脉分流比分别为196.17%、72.27%、91.18%，因此边对边吻合方式左右肺动脉流量分布更均匀。搭桥血管吻合口均采用边对边的BSTS模型中在桥血管内产生旋动流现象，这种现象会使搭桥壁面切应力增加5Pa，会产生更优的血流动力学环境。STS吻合模型的OSI值最小，为0.031，因此可以认为采用改良BT手术边对边（STS）吻合方式进行搭桥可能会降低动脉粥样硬化的几率。 采用血流动力学几何多尺度耦合方法对改良BT手术进行数值模拟，不仅可以针对患儿整个血液循环系统的血流动力学特征进行仿真，而且可以提取局部搭桥血管的血流动力学流场细节，其计算结果更趋于生理真实，满足今后病人个性化多尺度血流动力学规划的需要。
【关键词】：改良BT手术 血流动力学 集中参数模型 几何多尺度模型
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R726.5;R318.01
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.3 本文主要研究内容15-17
• 1.3.1 课题研究内容16-17
• 1.3.2 研究目标17
• 1.3.3 解决关键性问题17
• 1.4 本文结构17-20
• 第2章 改良 BT 手术模型的三维重建20-30
• 2.1 基于医学图像的三维重建20-21
• 2.2 基于单心室病人 CT 图像的三维重建21-26
• 2.2.1 断层图像数据读取21-22
• 2.2.2 图像预处理22-23
• 2.2.3 图像分割23-24
• 2.2.4 三维重建24-25
• 2.2.5 表面平滑及简化25-26
• 2.3 虚拟手术操作26-28
• 2.4 本章小结28-30
• 第3章 术前术后单心室病人集中参数模型建立与求解30-52
• 3.1 血液循环系统建模30-32
• 3.2 集中参数血管建模32-35
• 3.2.1 集中参数反映血管顺应性32-34
• 3.2.2 集中参数反映血管流动惯量34
• 3.2.3 血液粘性阻力的集中参数34-35
• 3.3 单心室集中参数建模35-37
• 3.4 血液循环等效网络37-40
• 3.5 单心室患儿集中参数模型研究40-49
• 3.5.1 单心室病人集中参数模型建模40-42
• 3.5.2 单心室缺陷综合症患儿集中参数模型求解42-46
• 3.5.3 单心室缺陷综合症患儿集中参数模型模拟结果46-49
• 3.6 改良 BT 手术集中参数模型研究49-51
• 3.6.1 改良 BT 手术集中参数模型建模49
• 3.6.2 改良 BT 手术集中参数模型求解49-50
• 3.6.3 改良 BT 术后集中参数模型模拟结果50-51
• 3.7 本章小结51-52
• 第4章 改良 BT 手术的血流动力学几何多尺度数值模拟52-68
• 4.1 几何多尺度 0D/3D 耦合改良 BT 手术数值模拟研究52-53
• 4.2 几何多尺度模型53-56
• 4.3 多尺度模型耦合算法56-57
• 4.4 血流动力学常用计算指标57-59
• 4.5 计算结果及讨论59-67
• 4.5.1 三维手术模型边界条件59-60
• 4.5.2 集中参数模型的限制变量60-61
• 4.5.3 流线图61-63
• 4.5.4 壁面切应力云图63-66
• 4.5.5 讨论66-67
• 4.6 本章小结67-68
• 第5章 展望68-70
• 5.1 流固耦合的几何多尺度研究68
• 5.2 离体实验验证68-69
• 5.3 非牛顿流体的血液流体建模69-70
• 结论70-72
• 参考文献72-78
• 攻读硕士学位期间所取得的科研成果78-80
• 致谢80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 柳兆荣;;弹性腔理论及其在心血管参数检测中的应用[J];上海医学;1980年07期

2 何烽,柳兆荣;心血管参数对动脉中压力和流量的影响[J];医用生物力学;1997年01期

3 郭林林;杨琦;徐卓明;;先天性心脏病体肺分流术的疗效评估[J];中华临床医师杂志(电子版);2012年04期

4 李惜惜;柳兆荣;陈德奎;陆华;沈家麒;;非线性弹性腔理论与心血管参数的无创伤检测[J];医疗器械;1981年03期

5 赵夕;刘有军;白帆;任晓辰;丁金立;王枫;;双向双侧格林手术的数值研究[J];医用生物力学;2012年05期

  本文关键词：改良BT手术不同吻合方式血流动力学几何多尺度数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：300787