心脑血管植介入器械建模仿真与应用

王盛章，复旦大学航空航天系/工程与应用技术研究院教授、博士生导师，复旦大学生物力学研究所所长。1999年和2002年分别从复旦大学理论与应用力学专业和生物医学工程专业获得学士和硕士学位，2006年从日本北海道大学数学专业获得博士学位，并曾在日本东京大学生产技术研究所从事博士后研究工作。主要研究方向是心脑血管疾病的生物力学研究及植介入医疗器械研发。曾发表80多篇期刊论文，刊登在Stroke、AJNR、JVS、JEVT等国际知名期刊。主持4项国家自然科学基金、2项上海市自然科学基金项目。曾参与国内S个颅内动脉瘤血流导向装置Tubridge的开发。现任中国医师协会介入医师分会介入医学工程与生物技术专业委员会委员、中国生物材料学会材料生物力学分会委员、上海市医学会数字医学分会委员、上海市生物医学工程学会生物力学专委会委员兼秘书长。曾出版《力学与现代生活（第二版）》和《力学与人类生活》等教材。

第1章 基础知识简介

1.1 医学成像技术_1

1.1.1 数字减影血管造影_1

1.1.2 计算机断层成像_3

1.1.3 磁共振成像_3

1.1.4 超声成像_7

1.2 计算机建模技术_8

1.2.1 基于医学影像的几何建模_8

1.2.2 基于CAD的几何建模_12

1.2.3 计算模型的网格前处理_19

1.3 数值仿真方法_22

1.3.1 计算固体力学方法_23

1.3.2 计算流体力学方法_24

1.3.3 流固耦合仿真方法_27

参考文献_30

第2章 编织型支架建模仿真与应用

2.1 背景介绍_31

2.1.1 脑动脉瘤病理_31

2.1.2 脑动脉瘤手术治疗及临床问题_32

2.2 模型构建与数值仿真方法_33

2.2.1 血管模型构建_33

2.2.2 支架模型构建_34

2.2.3 支架材料属性_38

2.2.4 有限元仿真模型的台架试验验证_38

2.3 有限元仿真_40

2.3.1 支架在患者血管中释放过程的有限元模拟_40

2.3.2 支架的快速有限元释放_43

2.4 血流导向装置治疗脑动脉瘤的血液动力学分析_46

2.4.1 动脉瘤和载瘤动脉的理想化模型_46

2.4.2 理想化血管动脉瘤模型中的Tubridge支架植入_47

2.4.3 血流导向装置植入后的计算流体力学仿真_51

2.4.4 Tubridge支架植入血管动脉瘤模型的血液动力学分析_53

2.5 总结与展望_57

参考文献 59

第3章 覆膜支架建模仿真与应用

3.1 背景介绍_61

3.1.1 主动脉夹层病理_61

3.1.2 主动脉夹层手术治疗及临床问题_62

3.2 模型构建与数值仿真方法_64

3.2.1 主动脉夹层几何模型构建_64

3.2.2 支架实体模型构建_65

3.2.3 输送工具模型构建_66

3.2.4 计算网格划分_66

3.2.5 材料属性和边界条件的设定_67

3.2.6 有限元仿真_68

3.3 支架植入主动脉弓不同位置的研究_69

3.4 不同款型支架比较_71

3.5 径向支撑力与弹性回直力的比较研究_73

3.5.1 径向支撑力分析_74

3.5.2 径向支撑力与弹性回直力的对比_76

3.6 动物试验研究_77

3.6.1 动物试验和组织病理学检查方案_78

3.6.2 有限元仿真方案_78

3.6.3 试验和仿真结果对比分析_80

3.7 总结与展望_81

参考文献_82

第4章 人工心脏瓣膜建模仿真与应用

4.1 背景介绍_84

4.1.1 心脏和心脏瓣膜结构_85

4.1.2 主动脉瓣疾病的诊断和治疗_85

4.2 计算机辅助设计与数值仿真方法_90

4.2.1 心脏瓣膜的计算机辅助设计_91

4.2.2 瓣膜和周围组织材料属性_91

4.2.3 生物瓣假体的计算机仿真_95

4.3 心包纤维排列方向对自体心包主动脉瓣修复术的影响_97

4.3.1 个体化主动脉瓣几何重建_98

4.3.2 主动脉瓣流固耦合模型构建_102

4.3.3 个体化主动脉瓣流固耦合模型验证_109

4.3.4 瓣膜假体胶原纤维排列方向对血液动力学特性的影响_111

4.3.5 瓣叶运动学形态_111

4.4 研究方法和结果的分析与讨论_117

4.5 总结与展望_120参考文献 120

第5章 心室辅助泵建模仿真与应用

5.1 背景介绍_122

5.2 计算流体力学仿真方法_123

5.2.1 旋转机械的数值仿真方法_123

5.2.2 湍流模型_124

5.3 轴流血泵植入全腔静脉肺动脉连接理想模型的数值仿真研究_125

5.3.1 模型建立_125

5.3.2 网格划分_126

5.3.3 边界条件、材料属性和求解设置_127

5.3.4 评估指标_128

5.3.5 结果分析和比较_129

5.3.6 研究结论_134

5.4 轴流血泵植入患者特异性全腔静脉肺动脉连接模型的单相流仿真研究_135

5.4.1 模型建立_135

5.4.2 网格划分_136

5.4.3 边界条件、材料属性和求解设置_136

5.4.4 可变转速曲线设定及其生理意义_137

5.4.5 结果分析和比较_138

5.4.6研究结论_146

5.5 轴流血泵植入患者特异性全腔静脉肺动脉连接模型的多相流仿真研究_146

5.5.1 模型建立、网格划分、边界条件和求解设置_147

5.5.2 材料属性_147

5.5.3 多相流细胞破坏模型_148

5.5.4 结果分析和比较_149

5.5.5 研究结论_155

5.6 总结与展望_155

参考文献_155

本书系统地介绍了心脑血管医学成像的主要方法和技术、基于医学影像的计算机建模的主要方法，以及心脑血管植介入器械的仿真中常用的计算力学方法。在此基础上较为详细地介绍了编织型血管支架建模和仿真的方法，并研究了血流导向装置在治疗颅内动脉时“推密”手法对其血流动力学特性的影响；介绍了覆膜支架建模和仿真的方法，并研究了覆膜支架植入后引起的支架源性破口的生物力学机制；介绍了人工心脏瓣膜建模和仿真的方法，并研究了心包胶原纤维排列方向对自体心瓣对主动脉瓣修复术的影响；介绍了轴流式心室辅助泵建模和仿真的方法，并研究了轴流式血泵植入后的压力流量输出特性及溶血风险和血栓形成风险。本书涵盖了目前热门的四类器械的建模和仿真，学术性和应用性兼备。