生物瓣膜瓣叶性能优化及瓣架成型加工方法研究

论文摘要

自19世纪60年代以来人工心脏瓣膜被越来越多地用于治疗心脏瓣膜疾病。人工心脏瓣膜包括人工机械瓣膜和人工生物瓣膜(简称生物瓣膜或生物瓣)。生物瓣是由瓣叶和架体组成的一种人工心脏瓣膜。瓣叶是瓣膜开闭的可动部分,一般用牛或猪心包经化学处理后形成的稳定生物高分子组合材料制成。瓣架则起构型、支撑和承力的作用。生物瓣的形状与人体心瓣相似,其流型属中心流型,流场特性也接近人体心瓣。生物瓣的抗溶血和抗血栓形成的性能较好,但由于材料的原因(如产生钙化)和瓣型设计的不够合理,生物瓣只是部分地达到了改善人工心瓣性能的目的。而作为其核心部分瓣架的加工制作,还没有较为统一的标准,无论在设计还是加工制作上都还处于探索阶段。随着人心脏瓣膜流场理论和生物材料理论研究的不断深入,围绕着提高生物瓣使用寿命而展开的生物瓣膜瓣叶力学性能分析及瓣架精密成型加工方法研究表现出广阔的前景。论文以心脏解剖学及心瓣动力学理论为依据详细讨论了心瓣各动力学参数对其启闭性能的影响。以接近或达到人体天然心瓣的性能为目的,将传统设计理论与现代设计方法相结合,探讨构建人工生物心脏瓣膜参数化模型的新方法。本研究以采集临床心瓣动态参数为基础,通过对人体心瓣自然形态的分析导引出生物瓣膜的基本雏形,即以生物瓣膜的钢丝支架取代乳突肌腱索;以基本几何回转曲面造型取代半月瓣;以生物瓣膜的缝合环代替纤维环。本文以薄壳理论为依据对圆柱面、圆球面、抛物面、椭球面四种曲面旋转壳体应力状况理论分析,结果可知:采用球面构型的生物瓣膜瓣叶与采用圆柱面相比,瓣膜受力均匀且周向应力较小,其受力情况优于圆柱面。对旋转抛物面和椭球面,二者两个应力并不恒定,随坐标变化而发生变化,因而在有限元分析时可着重注意圆球面、旋转抛物面和椭球面三种型面瓣叶的力学性能分析。本文以CAD/CAM应用软件—Pro/E软件为工具对生物瓣膜的瓣叶、瓣架及缝合环进行基于特征的实体造型设计。在薄膜应力分析的基础上参考不同型面瓣叶,分别创建符合空间几何方程的圆柱面、圆球面、旋转抛物面和椭球面,随之依次与其对应的倒圆锥面相交确定边界线和重要点的空间位置,得到了一系列较为精确的尺寸参数,建立了瓣叶参数化模型,利用有限元分析软件对不同构型瓣叶进行应力分析。有限元分析是目前人工心脏瓣膜力学性能分析普遍采用的方法,是人工心脏瓣膜抗疲劳、防钙化设计的关键步骤。而有限元软件自身存在着建模功能薄弱的不足,CAD方法的引入为人工生物瓣膜的参数化造型提供了极大的方便,并在保证建模效果的前提下进一步提高了各参数的准确性。结合生物瓣膜瓣叶有限元模型我们依次定义材料属性及边界条件、导入几何模型、划分网格、加载数据、求解和结果分析。对不同构型、不同厚度、不同倾角以及不同材料特性的生物瓣膜瓣叶参数化模型进行线性、非线性力学性能分析。通过比较各种不同型面瓣叶应力分布情况发现:以椭球型面为基本构型瓣叶的第一主应力峰值低于其他型面瓣叶第一主应力峰值且椭球型面瓣叶较其他型面瓣叶应力分布较为均匀合理。因此论文采用椭球面作为生物瓣膜瓣叶的基本构型并用于生物瓣膜瓣架的设计、加工。生物瓣膜瓣架设计与加工是以生物瓣膜力学性能分析结果为依据并对生物瓣膜瓣架展开算法详细讨论而展开的。首先,我们完成了生物瓣膜支架平面成型模具、空间成型模具的设计。其次,用电火花线切割方法加工生物瓣膜支架平面成型模具并得到平面成型生物瓣膜支架;再次,用雕刻铣加工方法加工生物瓣膜支架空间成型凹凸模石墨电极;用电火花加工方法加工生物瓣膜支架空间成型凹凸模;最后,用补偿的方法预留生物瓣膜支架空间成型的回弹量,修正生物瓣膜支架空间成型凹凸模,解决生物瓣膜支架冲压成型后回弹变形问题并取得实际经验数据,最终得到与优化造型设计基本一致的生物瓣膜支架实体。生物瓣膜瓣架的构型来源于生物瓣膜瓣叶力学性能分析,而生物瓣膜瓣叶的造型取决于生物瓣膜瓣架的构型,因此生物瓣膜瓣架的精密成型与加工为延长生物瓣膜的使用寿命及更好地应用于临床奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 生物瓣膜的研究背景
• 1.1.1 人体心脏瓣膜及人工心脏瓣膜简介
• 1.1.2 课题的来源
• 1.2 生物瓣膜国内外研究现状及分析
• 1.2.1 生物瓣膜研究简史
• 1.2.2 生物瓣膜国内外研究现状
• 1.3 生物瓣膜与CAD/CAE/CAM
• 1.4 本文的研究内容及意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究意义
• 第2章 生物瓣膜的基础理论研究
• 2.1 心瓣流体动力学
• 2.1.1 心瓣流体动力学关于心瓣启闭机理研究
• 2.1.2 心瓣原型的动力学参数
• 2.1.3 生物瓣膜的设计要求
• 2.1.4 人体心瓣形态导引生物瓣膜原型
• 2.2 薄膜壳体理论
• 2.2.1 薄壳概述
• 2.2.2 无矩壳体理论
• 2.2.3 薄膜壳体的几何特性
• 2.2.4 薄膜理论的基本方程
• 2.2.5 关于两个主应力的讨论
• 2.3 小结
• 第3章 生物瓣膜参数化造型设计
• 3.1 CAD软件在生物瓣膜设计中的应用
• 3.2 生物瓣膜参数化造型设计
• 3.2.1 生物瓣膜建模步骤
• 3.2.2 生物瓣膜瓣叶建模基本思路
• 3.2.3 不同型面瓣叶参数模型
• 3.2.3.1 圆球面作为参考型面的情况
• 3.2.3.2 圆柱面作为参考型面的情况
• 3.2.3.3 旋转抛物面作为参考面的情况
• 3.2.3.4 椭球面为参考型面的情况
• 3.3 小结
• 第4章 生物瓣膜瓣叶力学性能分析
• 4.1 有限元法及相关软件
• 4.1.1 有限元法的基本思想
• 4.1.2 有限元软件
• 4.1.3 ANSYS分析的基本过程
• 4.1.3.1 前处理
• 4.1.3.2 加载并求解
• 4.1.3.3 后处理
• 4.2 有限元单元模型
• 4.2.1 从CAD系统输入几何模型
• 4.2.2 有限元网格
• 4.2.2.1 定义单元属性
• 4.2.2.2 网格划分的控制
• 4.2.2.3 自由网格划分
• 4.3 生物瓣膜瓣叶有限元模型
• 4.3.1 瓣叶模型单元属性
• 4.3.2 瓣叶模型转换及网格划分
• 4.3.3 约束条件与施加载荷
• 4.4 生物瓣膜与应力分布
• 4.5 线性瓣叶材料应力分析
• 4.5.1 不同型面瓣叶应力分析
• 4.5.2 瓣叶材料厚度对同种型面瓣叶应力作用分析
• 4.5.3 瓣架倾角对同种型面瓣叶应力作用分析
• 4.5.3.1 倾角角度的影响
• 4.5.3.2 倾角方向的影响
• 4.6 生物瓣膜瓣叶非线性应力分析
• 4.6.1 瓣叶的材料特性
• 4.6.2 同种型面不同特性材料应力分析
• 4.6.3 不同型面瓣叶非线性应力分析
• 4.7 生物瓣膜瓣叶应力动态分析
• 4.8 小结
• 第5章 生物瓣膜瓣架加工
• 5.1 生物瓣膜瓣架原型
• 5.2 生物瓣膜瓣架展开算法
• 5.3 生物瓣膜支架模具设计
• 5.3.1 瓣膜支架平面成型模具设计
• 5.3.2 瓣膜支架空间成型模具设计
• 5.4 生物瓣膜支架加工
• 5.4.1 生物瓣膜瓣架平面成型加工
• 5.4.2 生物瓣膜瓣架空间成型加工
• 5.4.2.1生物瓣膜瓣架初成型加工
• 5.4.2.2 生物瓣膜瓣架整形加工
• 5.5 小结
• 第6章 全文总结及展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 本论文的主要创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文及参与的科研项目
• 英文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表