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动脉粥样硬化斑块破裂(及继发血栓形)是急性冠状动脉综合症和脑卒中等血管疾病发生的主要原因,一直是国内外研究的热点。本文从疲劳裂纹生长及疲劳寿命的角度建立了生物力学模型,对斑块破裂进行较为系统的研究,主要工作与研究成果有:
建立了含斑块血管的理想化模型和数值求解。本文利用商用软件Abaqus平台的二次开发接口语言Python建立了血管理想模型中斑块疲劳裂纹扩展的有限元计算模型,实现了血管斑块中裂纹肇始后在血压循环作用下不事先指定方向地扩展直至最终破裂的全过程模拟。然后在基准理想模型的基础上,对几何参数进行变异,探讨了血管斑块破裂的一些规律以及影响因素。研究发现,血管内外径比例不变时,疲劳寿命的变化可忽略;壁厚有利于增加疲劳寿命;血压的增加会使得血管的疲劳寿命成指数次的下降。在最大周向应力处肇始的裂纹通常是扩展速度最快的,但并不一定是疲劳寿命最小的最危险的;最低疲劳寿命由三个裂纹肇始点的最小值决定,这三个裂纹肇始的控制点是:中部控制点(MZ),肩部控制点(SZ)和背部控制点(BZ)。纤维壳厚度的增大会显著降低中部和肩部控制点裂纹破坏的风险;脂质池体积的增大,不论是由厚度还是长度的增大所致,会显著增加导致斑块破坏的风险。理想模型的建立方法与研究方法为进行病人个体化计算奠定了基础,上述结论对临床的诊断有一定的参考意义。
实现了含斑块血管的个性化建模与求解。在理想模型的基础上,本文实现了基于组织学切片与MRI图像的个体化建模,并对一定数量病人的MRI图像的计算结果进行统计分析。研究发现,个性化模型计算结果与理想模型研究中的结论基本相符,并进一步证实了将内壁最大拉应力处作为斑块寿命危险点的不可靠性。对有症状组和无症状组病人的危险系数的统计学分析表明,有症状组病人的危险系数明显大于无症状组(P=0.028)。个体化的建模方法有希望应用在临床上针对具体病人提出更科学的医疗方案和建议,对与大量病人的统计学分析与规律性探究对病人的早期预防与检测也具有指导意义。
本文对理想模型与个性化模型得出斑块破裂的一些规律性结论有希望在临床上对易损斑块的早期诊断与风险估计有所益处,基于病人的个性化建模方法有希望成为病人个性化诊疗的手段之一。下一步的研究可从引入材料的非线性、考虑裂纹的愈合率、对斑块疲劳进行裂纹试验等角度继续开展。