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基于多种测量方法的动脉系统区域性力学性能研究

 
【摘要】:心血管病是一种世界范围内的常见疾病。主动脉具有复杂的几何、微结构和血流动力学特征。常见疾病有动脉粥样硬化、动脉瘤和动脉夹层。主动脉疾病的发生、发展和病理变化与动脉的几何形态和微结构密切相关,此外,上述疾病发生的区域与血管壁的力学性能和血流动力学特征相互作用。因此,系统的研究主动脉的几何形态学和力学性能,是临床诊断和治疗主动脉疾病的必要条件。动脉组织是具有非线性力学特征的各向异性多层复合材料,且随着远离心脏,主动脉弹性模量增加。血管壁厚度和直径沿降主动脉近心端到远心端呈减小趋势。目前系统性的对主动脉不同区域的力学特性的研究还不全面,有关结构的差异研究还未完善。为揭示动脉系统的区域性力学特征和其成因,本文主要完成了以下工作:(1)采用单轴拉伸法对猪降主动脉共十六个不同区域沿周向和轴向两方向进行实验研究。猪降主动脉沿轴向被分为近心端,近心端-中段,远心端-中段,远心端四个区域;沿周向分为前侧,后侧,左侧,右侧四个区域,共十六个部分进行研究。得到了猪降主动脉十六个区域的沿周向和轴向两方向的力学特性,用数学模型计算了包括弹性纤维模量,胶原纤维模量,生理应力下的组织刚度。结果显示,轴向胶原纤维模量最大值总是出现在腹侧区域,最小值总是出现在背侧区域;猪降主动脉近心端左侧区域与背侧区域的轴向胶原纤维模量低于腹侧和右侧区域。此部分研究系统性的给出了降主动脉力学特性的周向区域情况,并指出了动脉瘤可能发生的薄弱位置。(2)采用双轴拉伸法对降主动脉腹侧与背侧组织进行实验研究;使用EVG染色法对两部分组织进行组织分析。结果显示腹侧与背侧区域组织存在正交各向异性差异。并采用EVG染色分析了两部分组织结构对力学性能的影响,进一步探究了腹侧与背侧血管壁组织的正交各向异性差异是由两者中膜靠近外膜的外-中膜部分组织结构差异造成的。同时给出了腹侧与背侧区域的Gasser-Ogden-Holzapfel型应变能函数的本构参数,为进一步的建模分析及临床研究提供了基础。(3)采用10mm/min,20mm/min和50mm/min拉伸速率对猪肺动脉、主动脉弓、降主动脉近心端和降主动脉远心端四个区域的动脉进行了双轴拉伸力学实验。将降主动脉与肺动脉的主动脉弓的力学特性联系起来,系统性的给出四个区域的动脉特征。结果显示肺动脉的Gasser-Ogden-Holzapfel型应变能函数参数μ小于主动脉组织;而主动脉组织之间的差异主要出现在参数k_2上,随着远离心脏k_2值增大。同时得到了动脉的双轴力学性能在10-50mm/min之间的拉伸速率下测量差异不大。指出在测量动脉壁的双轴力学特性时,可采用相对较快的伸长率来对动脉壁进行加载,大幅度幅度减少测量时间。(4)采用微压测量法对猪肺动脉、主动脉弓、降主动脉近心端和降主动脉远心端四个不同区域的血管壁进行力学性能以及弹性毛细管效应研究。结果显示四个区域的动脉壁具有不同弹性,但主动脉的三个区域具有相似的弹性毛细管效应。因此,我们建立了微压头相对血管壁的压入-卸载-粘附抬起过程的模型,并使用单轴拉伸法,EVG染色和Western Blot等手段验证了血管壁中膜的内-中膜部分具有相似的力学性能和组织成分,论证了模型的有效性。应用该模型的压入部分可有效的测量大动脉透壁方向的弹性,应用模型的卸载-粘附抬起部分可获得动脉壁中膜靠近内膜部分的力学响应。综上所述,本文系统性的研究了猪主动脉系统不同区域动脉组织的力学特性,同时分析了组织结构对力学性能的影响。在前人的理论基础上,建立并验证了微压头相对血管壁的压入-卸载-粘附抬起过程的模型。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:R318.01

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