心室辅助中血流脉动量对主动脉血流动力学影响的数值模拟与实验研究

发布时间：2017-08-07 06:06

  本文关键词：心室辅助中血流脉动量对主动脉血流动力学影响的数值模拟与实验研究

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【摘要】：心力衰竭是一种常见的临床综合征，同时也是许多心血管疾病的终末阶段。心脏移植是治疗终末期心衰的唯一有效办法，但受到供心、治疗费用、病人条件的限制，，尚不能广泛应用。为此，人工心脏成为挽救严重心衰患者生命的必要手段。人工心脏，又称心室辅助装置，是指人工制造的，能够部分或者完全替代心脏的泵血功能，保证全身组织、器官血液供应的机械装置。作为人工心脏核心部件的血泵，可以分为脉动流和连续流两种。第一代脉动流血泵，其存在的体积大、噪音大等问题至今也难解决，第二代连续流血泵成为目前研究的热点。此外，传统手术方式（术式）采用从心尖到升主动脉搭桥（Bypass）的方法，血泵与左心室并联连接，分别将血液输送到主动脉。本项目组自主研发的人工心脏泵，是一款源头创新的连续流血泵。与并联术式不同，其采取将血泵放置在主动脉根部的方法，血泵与左心室串联连接。 血泵产生的连续流改变了主动脉内原有的血流脉动性。学术界对脉动流与非脉动流对人体的影响是否相同展开了激烈争论，而争论的焦点多集中于完全辅助和未辅助两种极端情况，对辅助水平介于二者之间的情况鲜有报道。此外，串联术式到目前还未开展相关研究。本研究应用数学模型、数值模拟和实验的方法研究两种术式中，血泵辅助对血流脉动性的改变，以及脉动性改变对主动脉内血流动力学特性的影响。首先，采用集中参数模型研究心室辅助不同术式的血流特性，获得脉动指数（Pulsatility Index，PI）、脉动能量指数（Pulse Power Index，PPI）、等效能量压（Energy Equivalent Pressure, EEP）和残余血流动力能（SurplusHemodynamic Energy，SHE）等脉动指标的变化规律。然后，应用数值模拟的方法进行不同脉动流作用下的主动脉流固耦合（Fluid-Structure Interaction，FSI）数值计算。研究不同脉动性血流对主动脉的血流动力学影响。最后，通过体外和动物实验，进一步探讨心室辅助中血流脉动性变化特征。 本论文获得三方面的结论：（1）心室辅助中PI与血泵辅助指数（Blood AssistIndex，BAI）负相关，串、并联术式的脉动指数PI与辅助指数的关系分别为四次和三次多项式；（2）数值模拟结果显示，脉动性的降低削弱了主动脉血流的轴向变化及径向旋转，壁面切应力（Wall Shear Stress，WSS）和压力梯度（PressureGradient，PG）与辅助指数正相关，其平均值在脉动性降至最低值之前达到接近正常的水平；（3）体外实验和动物实验证实：心室辅助中，随着辅助指数的增加，器官灌注与心脏卸载增加，血流脉动性降低。总之，本文获得两种不同术式中血流脉动性变化的定量结果；得到脉动性变化对主动脉内血流旋转、分流、壁面切应力和压力梯度等血流动力学参数的影响。 本研究的创新点是：首次通过数学模型的方法获得串联术式中血流脉动性变化的定量结果，为血泵控制系统中脉动指数的监测提供解析依据；首次通过数学模型、数值模拟及实验相结合的闭环研究方法，获得心室辅助中不同脉动量血流对主动脉血流动力学影响的数值结果与实验数据，对人工心脏与人体相互作用的深入研究具有重要意义。
【关键词】：心力衰竭 心室辅助 人工心脏泵 脉动性 血流动力学 数值模拟
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.11
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状分析11-15
• 1.2.1 心室辅助装置11-13
• 1.2.2 心血管系统与心室辅助装置的模型研究13-14
• 1.2.3 血流的脉动性14-15
• 1.2.4 血管的生物力学特性15
• 1.3 本论文的研究内容15-18
• 第2章 心室辅助中血流脉动性的模型研究18-48
• 2.1 循环系统血流特性的模型研究18-28
• 2.1.1 模型建立的理论基础18-22
• 2.1.2 正常及心衰情况的心血管血流特性22-28
• 2.2 心室辅助下的血流特性研究28-34
• 2.2.1 心血管-血泵耦合模型的建立28-31
• 2.2.2 两种术式的血流特性31-34
• 2.3 血流脉动性的研究34-46
• 2.3.1 脉动性的定量评价34-40
• 2.3.2 两种术式的血流脉动性研究40-46
• 2.4 本章小结46-48
• 第3章 脉动流作用下的主动脉流固耦合数值计算48-80
• 3.1 心血管系统的血流动力学研究48-52
• 3.1.1 动脉系统的血流动力学48-49
• 3.1.2 计算流体力学理论基础49-51
• 3.1.3 有限元计算原理51-52
• 3.2 流耦合数值计算52-55
• 3.2.1 血管和血液的力学模型53-54
• 3.2.2 流固耦合计算软件的介绍54-55
• 3.3 脉动流作用下的主动脉流固耦合数值计算55-78
• 3.3.1 有限元模型的构建55-57
• 3.3.2 脉动流作用下主动脉流固耦合数值计算57-61
• 3.3.3 数值计算结果分析61-78
• 3.4 本章小结78-80
• 第4章 心室辅助中血流脉动性的实验研究80-96
• 4.1 人工心脏泵辅助下的血管图像测速研究80-86
• 4.1.1 实验原理与方法80-81
• 4.1.2 实验设计与流程81-83
• 4.1.3 实验结果83-86
• 4.2 心室辅助不同术式的动物实验研究86-95
• 4.2.1 实验原理与方法86-87
• 4.2.2 实验设计与流程87-88
• 4.2.3 实验结果分析88-95
• 4.3 本章小结95-96
• 结论与展望96-98
• 参考文献98-106
• 攻读硕士期间所取得的科研成果106-108
• 致谢108

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