基于核磁共振的生物力学心脏模型用于优化肺动脉瓣置换手术

发布时间：2020-05-27 21:47

【摘要】：背景.近年来计算模型已被广泛应用到生物学与临床医学中,但在外科手术的设计及优化领域的方面的应用相对较少。本文用基于法洛四联症(Tetralogy of Fallot,TOF)患者心脏核磁共振影像(cardiac magnetic resonance,CMR)数据的力学模型,评估心脏运行功能,进行虚拟手术研究以确定可用于预测和优化手术后心脏功能的形态和力学因子。法洛四联症是一种常见的先天性发绀型心脏畸形,包括四个固定特点——室间隔缺损、主动脉骑跨、肺动脉狭窄和右心室肥厚。现行的肺动脉瓣置换手术(pulmonary valve replacement/insertion,PVR),患者手术后心脏功能的恢复有好有坏。方法.本文建立了7个基于个体病人心脏核磁共振影像数据的左/右心室力学模型作为“虚拟手术”来探讨补片尺寸,疤痕组织修剪,以及心肌恢复功能的组织工程技术对术后右心室功能恢复状况的影响。这些模型包含两种补片尺寸、三种程度的疤痕组织修剪(分别使得右心室容积减小9%、17%、25%)和将疤痕组织或补片换成正常心肌。利用大型有限元软件ADINA,本文用大型有限元软件ADINA对这些模型进行求解并获取右心室体积,射血分数,曲率,和应力应变数据以进行分析比较。本文中射血分数是右心室在一个周期内的射血量和右心室(内腔)最大体积之比,是一个普遍接受的衡量右心室功能的指标。结果.初步结果显示这三种技术(小补片、疤痕组织修剪、心肌修复)都可以得到一定程度的PVR术后右心功能提升(与传统的大补片手术相比,得到1.76%-4%的右心室射血分数提升)。综合多种技术可以得到最优的术后右心室射血分数,其右心室射血分数比传统手术高4.74%。本文同时也比较了模型间的右心室应力、应变和曲率的差异,考察不同手术参数对这些特征的影响。这些特征的数据都提取自模型右心室内壁上的数据点。由于补片与疤痕组织仅占模型右心室总面积很小的一部分,用整个右心室的应力平均值进行比较可能不能清楚地显示手术参数对右心室的应力环境的影响,本文也研究了补片边缘的局部应力/应变大小,并做了模型间的比较。结论.总体看来,所考察的力学、形态学因子与右心室功能的关联尚不清楚。本文所报告的结果显示虚拟手术具有用于手术设计和优化的潜力。小补片、疤痕组织修剪、心肌修复都可能改善PVR术后右心功能。显然,研究者需要进行大量的工作以验证这些结果,并找到可以改善肺动脉瓣置换手术后心脏功能的因子。
【图文】：

示意图,心肌纤维,应变分量,坐标

21 ff E 2b ( 2ccE 2rrE 2crE 2rcE) 3b (2fcE 2cfE 2frE 2rfE ) 是纤维方向上的应变分量, Ecc是垂直于纤维方向的应变分量,Err是径Efr、Erc是在它们各自坐标平面上的剪切应变 C、b1、b2、b3为材料参分量见图 3.1。

ADINA程序,几何体

3.4 Geometry-fitting 网格划分技术建立心室的三维力学模型，，首先需要获取在体 MRI 数据并且重建心室的三维几何结构，再生成有限元网格。适当的网格划分对于模型的收敛性非常重要。法洛四联症根治术后右心室功能障碍的患者心室结构具有个体差异性，而且还包含了流出道补片和疤痕组织，这些都给网格生成造成了难度。目前的商业软件都无法自动生成符合要求的有限元网格。Geometry-fitting 网格划分方法的主要思想是分治.对于每一种成分（相同材料），比如心室组织、补片、疤痕组织、肺动脉。它们的整个结构被分别分解成更多小的体（volume）。这些小几何体形态更加规整，可以在 ADINA 软件中自动生成有限元单元。图 3.4 给出了 ADINA 软件使用的几类规则几何体。把心室分割成若干个规则几何体后，为这些体指定一类有限元单元，包括单元的类、材料或者其他更多的信息。接着设定好网格密度和网格类型后 ADNIA 可自动生成网格，用于模型求解计算。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R654.2;O482.532

【参考文献】