心血管钙化组织磨削机理及其应用研究

发布时间：2020-07-24 12:36

【摘要】：心血管钙化组织旋磨(也称为旋磨术)是采用金刚石砂轮去除血管内钙化病变组织的一种微创介入治疗方法。通常,采用的金刚石砂轮直径为1.25-2.5 mm,转速高达210000 rpm。钙化组织旋磨的过程中产生磨削力、磨屑和磨削热直接作用于人体的心血管系统,导致旋磨过程中出现再狭窄、血管夹层、慢血流/无复流和痉挛等并发症。各类并发症的发生率总和依然高达80%,严重影响旋磨术的顺利开展和患者的术后康复。针对旋磨术的旋磨机理缺失的问题,本文采用实验研究、仿真计算和理论分析相结合的手段对旋磨过程中砂轮运动、磨削力、旋磨成屑机理和旋磨热与旋磨装置生热等进行了研究。基于临床上的旋磨介入治疗过程,采用医用的旋磨装置搭建了钙化组织高速旋磨实验平台,构建与人体组织的力学性能相似的钙化病变血管模型,开展旋磨实验测量砂轮运动轨迹;在此基础上,分析旋磨时血管壁受到的磨削力并构建了磨削力的模型,开展旋磨实验测量了磨削力并验证了磨削力模型。综合分析砂轮运动和磨削力,采用仿真和实验相结合的办法阐述旋磨过程成屑机理并定量分析了磨屑尺寸分布;最后,对旋磨时磨削热和旋磨装置产热进行了理论计算和实验测量,明确了旋磨过程热损伤发生的条件,针对旋磨过程潜在的热损伤提出了控制和消除旋磨过程热损伤的方法并实验验证。本文的主要研究成果和创新点如下:1.揭示了旋磨砂轮自转时沿血管壁公转,并伴随有径向弹跳的运动规律,为砂轮弹跳引发的碰撞力研究奠定了基础。本文在自主设计和搭建的心血管钙化组织高速旋磨实验平台上开展旋磨实验,综合采用高速相机、测力仪和环境扫描电子显微镜对砂轮运动轨迹、磨削力和磨削表面划痕进行测量。结果表明,砂轮自转时带动周围血液运动,产生的流体动压力使砂轮沿血管壁公转,在公转的过程中砂轮与血管内的钙化组织产生摩擦和切削使砂轮受力从而出现径向弹跳。针对砂轮公转运动可能引发的血管组织的损伤,讨论了旋磨砂轮对正常血管组织和钙化组织的差异切削过程。结果表明:砂轮自转运动在砂轮与柔性血管组织间形成厚度较大动压膜,导致砂轮无法接触和切削正常血管组织,而只去除弹性模量较大的钙化组织。砂轮的运动规律指出旋磨砂轮对血管壁存在除切削力以外的碰撞力,砂轮运动规律的揭示为磨削力中的砂轮碰撞力研究奠定了基础。2.构建了基于砂轮碰撞和多颗磨粒光滑粒子动力学切削仿真的磨削力模型,为控制磨削力进而改善旋磨时的血管夹层和痉挛等并发症提供了科学依据。旋磨时磨削力过大是导致血管夹层、痉挛和血管穿孔等并发症的主要原因。将砂轮磨削力分为砂轮碰撞力和砂轮切削力两部分,分别采用赫兹接触理论和多磨粒光滑粒子动力学(SPH)仿真构建碰撞力和切削力模型,获得磨削力模型。通过在实验磨削力信号提取过程中引入概率统计的理论,解决了砂轮复杂运动下磨削力大小和方向剧烈变化导致磨削力难以测定的问题。磨削力模型计算结果与实验测量结果的误差小于8%。实验和模型结果表明95%以上的磨削力来源于砂轮碰撞力,改变砂轮的转速对磨削力的改变有限(小于10%),当砂轮直径由2.5 mm减小至1.25 mm,砂轮质量减小64%,在135000、155000和175000 rpm转速下的磨削力依次由1.82、2.06和2.31 N降为0.13、0.16和0.22 N,减少90%以上。减小砂轮的质量能有效的降低磨削力,是减少甚至消除磨削力引起的血管夹层和痉挛等并发症的一种方法。3.构建了基于光滑粒子动力学仿真的旋磨成屑模型和磨屑尺寸定量计算模型,为解决磨屑尺寸的预测控制和旋磨过程的血液慢血流/无复流的问题提供了一种工具。磨屑尺寸大于血液中血细胞的最大尺寸(约为30mm)时可能堵塞毛细血管,引发血液慢血流/无复流和痉挛等并发症。开展单颗磨粒SPH磨削仿真获取产生的磨屑,基于应变失效准则构建磨屑的分离准则和磨屑尺寸定量计算模型,对仿真得到磨屑进行分析获取仿真磨屑的形状和尺寸分布。模型计算结果表明,随着砂轮线速度(p′砂轮转速′砂轮直径)的增加,磨屑中的弱连接点(由1-2个SPH粒子连接)逐渐断开,磨屑由长径比和尺寸较大的棒状变为长径比和尺寸较小的球状,该结果与实验观察到的磨屑的形状变化趋势一致。SPH仿真得到不同砂轮线速度下的磨屑尺寸分布与实验测量结果的Pearson相关系数均值高达0.92。砂轮线速度高于20.7 m/s时,90%的磨屑尺寸小于30mm,有望减轻旋磨过程中慢血流/无复流的并发症。4.基于旋磨过程产热分析和构建的旋磨过程热模型,提出采用预冷生理盐水和加大生理盐水流速的温升控制方法,为解决了旋磨过程中血细胞受热团聚和血管热损伤提供了新方案。旋磨过程磨削热和柔性导管摩擦产热引起的血液和血管组织温升超过6℃时将导致血细胞团聚和血管壁细胞出现功能障碍。运用热传递反演计算方法,结合实验测量钙化组织温升和构建的旋磨过程热传递模型,成功分离了柔性导管产热和磨削热。热传递反演计算结果表明旋磨过程中92%以上的热量来源于柔性导管内部的摩擦生热。求解柔性导管产热和内部热传导的控制方程得到导管与内部生理盐水温度变化的时空分布函数。结果表明,生理盐水温升正比于自转速度,反比于血液流速、生理盐水流速和导管插入血管的长度,在高转速的情况下若出现血液慢血流/无复流(血液流速为0),生理盐水温升将高于6℃。针对高温生理盐水可能引发的血细胞凝聚和热损伤问题,提出采用预冷生理盐水和增加生理盐水流速办法来控制导管内生理盐水温升,并开展实验进行验证。实验结果表明将临床上采用的常温(约为20℃)生理盐水预冷至0℃,同时将生理盐水的流速由9.5增加到14 ml/min,导管出口处生理盐水的温升由原来的8.9℃降低为1.8℃。该方法为解决旋磨过程中出现的热损伤提供了一种方案。以上相关研究结论已得到密西根大学附属医院Dr.Hitinder Gurm研究团队和Boston Scientific与CSI公司的认可,并获得了UM Coulter产业化研究项目、Boston Scientific与CSI基金项目的进一步资助,以支持后续的相关工程和临床实验研究。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77
【图文】：

血管内

血管内钙化组织及其形成过程

血管造影,血管

(a) 正常血管 (b) 轻度堵塞血管 (c) 重度堵塞血管图 1.2 正常血管和堵塞血管造影对比随着人口老龄化明显增加，动脉复杂病变、钙化病变逐渐增加，对旋磨术的求逐渐增加。根据2011年世界卫生组织报告，心血管疾病是人类目前排在第一

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球囊扩张治疗血管堵塞过程

【参考文献】