计算机辅助生物瓣膜参数化造型设计与有限元分析

论文摘要

对心脏瓣膜疾病患者进行瓣膜置换手术是挽救病人生命的有效手段。面对有关人工心瓣瓣型设计、流场理论、启闭机理研究、湍流射流效应、生物材料等理论研究的不断深入,围绕人工生物瓣膜抗血栓、防钙化、大幅度提高使用寿命展开的计算机辅助心瓣造型设计理论与技术的研究表现出广阔的前景。本文依据心脏解剖学、薄膜壳体理论,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,提出构建人工生物心脏瓣膜参数化模型的新方法。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人工生物瓣膜的基本雏形,构建生物瓣膜参数化设计平台,在薄膜应力分析的基础上参考四种瓣叶参考型面,运用CAID参数化软件Pro/E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,得到一系列较为精确的尺寸参数,建立瓣叶参数化模型,并利用有限元软件ANSYS对各构型瓣叶参数的变化进行了应力分析。有限元分析是目前心瓣应力计算普遍采用的方法,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,计算机辅助心瓣造型设计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。人工心瓣的计算机辅助设计为生物瓣膜的有限元分析和动态模拟创造了条件,同时又能够根据有限元分析结果评测计算机辅助设计造型的优劣性,进而选择一种优化的生物瓣膜瓣型。文中对不同构型、不同厚度、不同倾角以及不同材料特性等系列瓣叶参数化模型进行了分析,并在有限元分析结果的指导下,通过比较各构型瓣叶应力分布情况,最终选择应力分布较为均匀合理的有一定倾角的椭球面型瓣叶构型,以用于生物瓣膜的设计、制作,为生物瓣膜的进一步研究、进行离体和在体实验及批量生产奠定良好的基础。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的提出与意义
• 1.2 计算机辅助工业设计及研究进展
• 1.2.1 计算机辅助工业设计概述
• 1.2.2 计算机辅助工业设计现状
• 1.3 生物瓣膜的研究现状及分析
• 1.3.1 生物瓣膜研究现状
• 1.3.2 生物瓣膜设计原则
• 1.4 生物瓣膜与CAID/CAE
• 1.4.1 生物瓣膜与CAID
• 1.4.2 生物瓣膜与CAE
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 生物瓣膜造型设计理论基础
• 2.1 心瓣流体动力学
• 2.1.1 心瓣流体动力学概述
• 2.1.2 心瓣流体动力学研究的几个方面
• 2.1.3 心瓣流体动力学参数
• 2.2 薄膜壳体无力矩理论
• 2.2.1 薄壳概述
• 2.2.2 无矩壳体理论
• 2.3 旋转壳体的几何特性
• 2.4 旋转壳无矩理论平衡方程
• 2.5 关于两个主应力的讨论
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于Pro/E的生物瓣膜参数化造型设计
• 3.1 生物瓣膜数字模型
• 3.1.1 产品原型化
• 3.1.2 天然心瓣形态导引生物瓣膜原型
• 3.2 计算机辅助工业设计应用软件
• 3.3 生物瓣膜设计制作中的CAID软件
• 3.3.1 Pro/E在CAID中的应用
• 3.3.2 Pro/E与CAD/CAM
• 3.3.3 课题中Pro/E的应用
• 3.4 生物瓣膜参数化造型设计
• 3.4.1 生物瓣膜装配模型建模步骤
• 3.4.2 Pro/E辅助瓣叶原型设计
• 3.5 四种旋转参考面的参数模型
• 3.5.1 圆柱面作为参考型面的情况
• 3.5.2 圆球面作为参考型面的情况
• 3.5.3 旋转抛物面作为参考面的情况
• 3.5.4 椭球面为参考型面的情况
• 3.6 本章小结
• 第4章 生物瓣膜有限元模型
• 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
• 4.2 有限元单元模型
• 4.2.1 从CAID系统输入几何模型
• 4.2.2 有限元网格
• 4.3 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 本章小结
• 第5章 不同参数瓣叶的应力分析
• 5.1 生物瓣膜与机械应力
• 5.2 线性瓣叶材料应力分析
• 5.2.1 不同型面瓣叶应力分析
• 5.2.2 瓣叶材料厚度对同种型面瓣叶应力作用分析
• 5.2.3 瓣架倾角对同种型面瓣叶应力作用分析
• 5.3 生物瓣膜瓣叶非线性分析
• 5.3.1 瓣叶的材料特性
• 5.3.2 同种型面不同特性材料应力分析
• 5.3.3 不同型面瓣叶非线性应力分析
• 5.4 生物瓣膜瓣叶应力动态分析
• 5.5 本章小结
• 全文总结及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与项目
• 学位论文评阅及答辩情况表