基于MRI心脏瓣膜支架建模的比较及分析

背景:当前心脏瓣膜手术所用的人工瓣膜有生物瓣膜和机械瓣膜,生物瓣膜瓣架的设计与加工决定了生物瓣膜的造型,从而决定了生物瓣膜的使用寿命。目的:根据空间几何方程构建出不同的瓣叶及瓣架模型,通过对比不同瓣叶及瓣架的变形及应力分布情况,获得一种较为合理的瓣架模型,再通过3D打印技术得到实体模型。方法:根据心脏瓣叶和瓣架的几何模型和数学模型绘制出抛物与椭圆2种心脏瓣架模型,用三维建模对心脏瓣膜瓣架建模,通过双向流固耦合分析研究瓣架在血液流场中的受力及变形。选择心脏瓣膜支架的打印方式和合适的打印材料,实现心脏瓣膜瓣架的3D打印成型。结果与结论:抛物瓣架与椭球瓣架的变形、最大主应力和最大剪切应力的分布规律相同,椭球瓣架的变形和所受应力都大于抛物瓣架,最大主应力和最大剪切应力都主要集中在瓣架与瓣叶结合的部分,瓣架的总变形、最大主应力和最大剪切应力都随着瓣架直径的增大而减小。

钛合金基体上AlCrN涂层的冲蚀磨损行为研究

目的研究钛合金基体表面的Al CrN涂层在固体粒子冲蚀条件下的磨损性能和材料去除机制。方法采用阴极电弧离子镀物理气相沉积技术在钛合金基体表面制备AlCrN硬质涂层。利用扫描电镜(SEM)分析冲蚀试验前后试样表面的微观形貌;利用能谱分析仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析涂层的化学成分和物相组成;利用白光干涉轮廓仪检测试样表面粗糙度和冲蚀试验后试样表面的冲蚀坑深度;利用纳米压痕仪和多功能材料表面性能测试仪测量试样的显微硬度、弹性模量和涂层与基体的结合力;利用冲蚀试验机考察高角度冲蚀条件下试样的抗冲蚀磨损性能。结果抛光后的钛合金表面光滑,没有明显缺陷,硬度为4.29 GPa,弹性模量为141.02 Gpa。Al Cr N涂层厚度约为10.5μm,表面有大量尺寸不一的球形颗粒和圆形凹坑等生长缺陷,硬度为23.27GPa,弹性模量为264.95GPa,XRD图谱表明AlCrN涂层中主要存在AlN相和Cr N相。在冲蚀角度90°、粒子冲击速度85 m/s和冲蚀粒子供给速率(2±0.5) g/min的条件下,Al CrN涂层的冲蚀坑深度仅为钛合金基体的1/10。通过冲蚀表面微观形貌观察与分析发现,钛合金基体表面的冲蚀磨损特征主要有冲击凹坑、挤压唇和微切削痕,Al Cr N涂层表面的冲蚀磨损特征主要有微切削痕、大颗粒塑性变形和剥落坑。结论钛合金的冲蚀磨损行为为典型的塑性材料冲蚀磨损机制。AlCrN涂层在冲蚀早期为塑性材料冲蚀磨损机制,随着冲蚀的进行,既有塑性材料冲蚀磨损机制,又有脆性材料冲蚀磨损机制。

经导管主动脉瓣流固耦合分析

背景:心脏瓣膜病的治疗手段主要为心脏瓣膜置换术。与开胸手术比较,以经导管主动脉瓣置换术为代表的介入式换瓣手术具有创口小、恢复快的特点。目前国内经导管主动脉瓣置换术的应用范围仍较小,研究主要在患者术后的生理条件变化,少有对经导管主动脉瓣模型本身的分析。目的:探究经导管主动脉瓣变形特点和应力分布,验证其工作性能。方法:建立包括主动脉瓣、血管壁、血液和支架的经导管主动脉瓣有限元几何模型和数学模型,采用浸没边界法进行流固耦合分析,计算有效开口面积指数进行实验对比,验证模型的工作性能。结果与结论:(1)经导管主动脉瓣在血液冲击过程中,瓣叶变形最大且存在卷曲,最大变形处发生在瓣叶自由边1/4处和3/4处;(2)经导管主动脉瓣模型等效应力最大处在支架上,但其变形较小,瓣叶应力集中位置在自由边卷曲明显处和缝合边与支架接触的缝合点上,是容易发生瓣叶破坏的位置;(3)经脉动流实验验证,模型变形过程和有效开口面积均与实验结果接近,所建模型合理有效。

分层血管对心脏瓣膜流固耦合的影响

背景:心脏瓣膜病的治疗手段主要为心脏瓣膜置换,人工心脏瓣膜的设计和性能优化是目前研究者和业界研究与探索的主要方向。数值分析和实验的方式是分析人工心脏瓣膜力学性能的主要方法。利用有限元技术分析瓣膜力学性能,揭示瓣膜在体内运行环境下的微观受力情况,可为人工心脏瓣膜的设计和性能优化提供更加准确的数据。目的:建立更接近人体实际情况的血管模型,探究分层血管对主动脉瓣变形特点和应力分布的影响,为进一步改进人工心瓣的设计提供力学支持。方法:建立包括主动脉瓣、血管壁和血液的有限元几何模型和数学模型,其中血管壁为分层血管,探讨血管分层特性对主动脉瓣流固耦合变形及应力大小的影响,验证分层血管壁对实验的重要性。结果与结论:①瓣膜变形主要发生在瓣叶处,动脉壁没有明显的变形,瓣叶自由边汇合处变形最大,从瓣叶自由边到缝合边变形量呈梯度降低;②整个心脏瓣膜模型的等效应力最大值位于动脉壁外壁(瓣叶与动脉壁缝合点附近),动脉壁内外壁受力差异大,内壁相较于外壁等效应力值小很多,壁面之间存在应力不连续性;③瓣叶最大等效应力在瓣叶与动脉壁的缝合边处。与以往未考虑血管分层特性的研究结果相比,瓣叶最大等效应力值更接近人体二尖瓣叶的离体失效应力。