动脉血管三维重建及其血流动力学分析

发布时间：2017-08-17 09:31

  本文关键词：动脉血管三维重建及其血流动力学分析

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【摘要】：在全世界范围内,心血管疾病依旧是导致人类死亡的主要原因,每年死于心血管疾病的人数高达1730万人,中低收入国家占80%,并且有逐年上升的趋势。在我国心血管病患者人数高达2.9亿,其中由心血管病引起高血压的患者2.7亿。高血压患者发病率为18.8%,且患病率处于持续上升阶段。动脉粥样硬化斑块是导致血管狭窄进而引发心血管病的主要原因。目前,血管造影技术是诊断血管疾病的主要手段之一,利用该技术可获得真实血管的几何形状,而不同形状血管内部血流动力学分布特征与动脉粥样硬化斑块的形成与发展有着密切的联系。获得真实血管内部在一个心动周期内的血流动力学特征分布,研究血管不同结构及狭窄对血液流动的影响,探索动脉粥样硬化斑块的形成与发展机制及血管疾病并发症产生原因,为心血管病早期预防及介入治疗提供理论依据。本文针对动脉粥样硬化斑块致狭、血管模型简化和斑块形成位置问题进行研究,利用临床血管CT数据,在三维重建软件Mimics16.0中建立了左、右冠状动脉(LCA、RCA)及颈动脉(CCA)血管的三维几何模型,并依据重建模型在Pro/E5.0中建立了左冠状动脉回旋支(LCX)部分的简化模型,采用计算流体力学方法分别对重建及简化血管模型进行了瞬态数值计算,分析了血管狭窄及不同结构对血液流动的影响、血管模型简对数值计算的影响。此外对左冠状动脉回旋支部分进行体外血流实验,进而验证数值分析的合理性。本文主要研究工作和成果如下:1、对获取的CT数据用高斯卷积滤波处理后在Mimics16.0中进行三维重建,获得了血管疾病患者LCA、RCA、CCA的三维几何模型,为血管支架的设计及介入治疗提供依据。2、依据患者狭窄RCA模型在3-matic 8.0中建立了其正常血管的几何模型,在限元软件ANSYS-CFX中对狭窄与非狭窄右冠状动脉进行血流动力学分析,血管狭窄对血流特性影响较大,主要表现在血管狭窄后整个血管贴壁处血流速度减小,在斑块部位远心端长期处于低壁面剪切力作用下且该处有较复杂的血流,狭窄部位下游血液流速减小,血流量减小,影响下游组织的正常新陈代谢。3、为减小数值计算工作量,探索了血管三维模型简化对数值计算的影响,采用等截面积法对三维重建的LCX模型进行简化,并且分别对简化前后的LCX模型进行血流动力学数值计算,血管模型简化后可大幅度减少计算工作量并且简化前后的计算结果差异较小,不影响对动脉粥样硬化斑块的形成与发展机理研究。4、整体分析了左、右颈动脉及其分支的血流特性,发现在狭窄部位、弯曲及分支部位血液流态较为多变,进而研究了几种不同分支血管与弯曲血管中血液的流动特性,得出了动脉粥样硬化斑块易形成部位,为预防血管疾病及血管支架的生产提供了理论依据。5、采用工业级3D打印机制作了三维重建后的LCX实体模型,并且对其进行了体外血流特性实验,实验结果与数值计算结果基本一致,在斑块远心端血流较为复杂,血管狭窄易导致入口压力增大,狭窄下游压力减小。验证了本文数值计算的合理性。
【关键词】：动脉血管 三维重建 血流动力学 动脉粥样硬化斑块 流固耦合
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R54;TP391.41
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题来源10
• 1.2 研究背景与意义10-14
• 1.3 血管三维重建研究现状14-18
• 1.3.1 医学影像14-15
• 1.3.2 血管医学影像三维重建研究意义15-16
• 1.3.3 血管三维重建国内外发展历程16-18
• 1.4 血流动力学研究现状18-20
• 1.4.1 血液流动数值计算18
• 1.4.2 血流动力学国内外发展18-20
• 1.5 本文主要研究内容20-22
• 第2章 三维重建技术及血液流动基础理论22-34
• 2.1 三维重建技术22-27
• 2.1.1 CT与CTA22-23
• 2.1.2 医学图像预处理23-24
• 2.1.3 医学图像分割24-25
• 2.1.4 医学图像可视化方法25-27
• 2.2 血液流动数值计算方法27-33
• 2.2.1 非牛顿血液模型27
• 2.2.2 边界条件27-28
• 2.2.3 流体控制方程28-32
• 2.2.4 血管壁控制方程32-33
• 2.2.5 流固耦合控制方程33
• 2.3 本章小结33-34
• 第3章 基于CT数据的血管三维重建34-46
• 3.1 冠状动脉及颈动脉医学影像34-35
• 3.1.1 医学影像获取技术34
• 3.1.2 数字医学图像DICOM传输与储存标准34-35
• 3.2 医学图像预处理35-39
• 3.2.1 CT图像去噪36-38
• 3.2.2 CT图像增强38-39
• 3.3 三维重建基本过程39-41
• 3.4 三维重建结果41-45
• 3.4.1 冠状动脉三维重建几何模型41-43
• 3.4.2 颈动脉三维重建几何模型43-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 冠状动脉内血流动力学数值计算46-66
• 4.1 右冠状动脉狭窄前后血流动力学数值计算46-55
• 4.1.0 流固耦合模型下右冠状动脉几何模型46-47
• 4.1.1 三维模型的网格划分47-48
• 4.1.2 血液与血管壁流固耦合模型48
• 4.1.3 边界条件48-49
• 4.1.4 数值模拟结果与分析49-55
• 4.2 血管几何模型简化对数值计算的影响55-65
• 4.2.1 血管三维模型的简化方法55-57
• 4.2.2 血管模型简化对数值计算的影响57-59
• 4.2.3 血管模型的简化对数值计算结果的影响59-65
• 4.3 本章小结65-66
• 第5章 不同血管结构对血液流动的影响66-85
• 5.1 左右颈动脉血液流动分析67-74
• 5.1.1 血液模型与边界条件67-69
• 5.1.2 结果与讨论69-74
• 5.2 血管分支角对血液流动的影响74-79
• 5.2.1 不同分支角模型的建立74-75
• 5.2.2 不同分支角血流特性75-79
• 5.3 血管弯曲程度对血液流动的影响79-84
• 5.3.1 不同弯曲程度模型的建立79-80
• 5.3.2 不同弯曲程度血流特性80-84
• 5.4 本章小结84-85
• 第6章 体外血液流动特性实验研究85-91
• 6.1 3D打印实体血管模型85
• 6.2 体外血液动力学特性测试装置85-88
• 6.2.1 实验台介绍85-87
• 6.2.2 粒子图像测速法87-88
• 6.3 回旋支体外血流实验88-89
• 6.3.1 回旋支体外实验模型88
• 6.3.2 体外实验工作溶液的配置88-89
• 6.3.3 实验方案与设备89
• 6.3.4 实验方法89
• 6.4 体外实验结果与模拟结果对比89-90
• 6.5 本章小结90-91
• 第7章 结论与展望91-94
• 7.1 结论91-93
• 7.2 展望93-94
• 致谢94-96
• 参考文献96-100
• 攻读学位期间的研究成果100

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：688283