背景:基于医学图像的仿真计算模型已被广泛应用于心血管疾病的研究。左心室(LV)功能的精确评估对心血管疾病的诊断,治疗选择和预后至关重要。本文通过建立基于患者在体超声影像(Echo)的左心室力学仿真模型,并结合左心室形态学和生物力学信息,确定心肌材料性质,仿真心室主动收缩和心腔血液运动情况,评估心室功能,为心肌梗死病患的诊断、预测和治疗方案评估提供帮助。方法:根据南京医科大学第一附属医院提供的左心室在体Echo数据和压力数据,建立基于Echo的仿真计算力学模型。该模型融合了左心室形态、带纤维方向的两层结构、非线性心肌材料模型等信息,并考虑心室主动收缩和流固耦合。本文采用修正的MooneyRivlin材料模型来刻画非线性,各向同性或各向异性材料特性,材料硬软度用于模拟心室主动收缩和舒张。几何拟合网格生成技术用于生成网格,结合有限元软件ADINA求解有限元模型。统计方法包括学生t-test分析,相关性分析,线性混合效应模型和逻辑回归模型用于形态学,生物力学和流体动力学分析。本文介绍的基于超声的双几何左心室仿真模型,确定心肌材料性质和预测心肌梗死的方法,以及用仿真模型进行虚拟手术优化起搏器位置的方法都是创新的。结果:本文首先建立基于超声的左心室单固体模型,用于估计在体的材料性质,并通过分析心肌梗死患者和健康志愿者之间在形态学和生物力学方面的差别,发现心肌梗死患者的左心室具有更硬的材料性质和在心动周期内更低的硬度变化。其次,结合逻辑回归方法对10位患者建立预测模型,提取患者形态学、力学和生物信息学方面等12个参数进行敏感性和特异性分析,所得结果表明心肌材料参数为最佳预测心肌梗死的潜在因素。然后,通过对15位患者建立两个零载荷几何模型(2G,分别为收缩期和舒张期零载荷几何)模拟心室主动收缩舒张。通过对2G模型和一个零载荷几何(1G)模型进行对比分析,结果表明2G模型可以获得更精确的应力应变值,2G模型的材料参数在最小体积时比1G模型的更硬,在最大体积时比1G模型的更软。接着,本文通过对3位患者建立基于超声的左心室流固耦合模型,研究不同病理下左心室血流流体动力学情况。通过对流体和力学参数分析可知,心肌梗死患者的左心室有更低的最大流速、最大剪切应力、应力和应变,虽然有更高的涡量但是涡流区域比较小。最后,在临床应用方面,通过对同一只试验猪建立不同起搏位置干预下的左心室流固耦合模型,分析不同起搏干预与心肌材料函数的关系,确定对应于特定起搏模式的心肌分析材料函数,从而建立材料硬度和电信号传导之间的对应关系。仿真力学模型结果表明在后室间隔进行起搏植入可能成为较好的起搏器植入方案。该结果和动物实验测量的结果吻合。总结:随着心血管成像技术和数值模拟仿真技术的发展,为建立精确的患者个体化的心室力学模型成为可能。基于Echo的个体患者计算模型可以有效模拟患者在体情况,模拟心脏不同手术方案下的虚拟手术,以代替凭经验主义的高风险临床手术方案。