基于心脏磁共振成像的右心室修复手术数值模拟与优化设计及其软件实现

本项目主要研究先天性心脏病中的法洛四联症(TOF)患者根治术后的再手术治疗的模型建立、数值模拟与软件实现。以患者心脏磁共振(CMR)成像及相关临床数据为基础，建立针对个体的三维心脏流固耦合模型。模拟TOF根治术后由于右心功能不全需要进行再手术的患者的不同手术方案，包括传统的肺动脉瓣置换和新型的右心室重塑手术方案，通过数值模拟对照研究，提出有针对性的优化手术方案，从而达到提高右心室术后功能的目的。我们的心脏模型为各向异性心肌材料的左右心室双层结构模型，包括TOF根治术后的陈旧疤痕与右心室补片，同时耦合了右心室内的血液流动模型，能够模拟心脏的主动收缩及周期循环。计算可以获得丰富的心脏及血流数据，评估不同补片对右心室功能修复的效果，以寻求最优的手术模式，为临床应用提供参考与技术支持。我们将同时开发有友好用户界面的应用软件，实现从CMR数据到数值模拟结果分析的整个工作流程的软件化。

心血管疾病严重威胁人类健康。本项目基于心血管疾病患者的医学临床数据开展数值模拟研究。主要的研究工作包括几个方面：第一部分是心脏问题的研究，我们建立了基于心脏磁共振数据的肺动脉瓣置换手术(PVR)、新型的band及actuator嵌入手术数值模拟模型；通过16位患者的PVR手术模型，提出了可以用右心室壁应力预测PVR手术效果的结论；我们开展了对左心室心肌缺血性梗死问题的研究，针对患者个体的超声心动图数据建立了10组左心室模型，比较正常的与有梗塞的左心室的差异，利用数值模拟确定心室材料特性，进一步的可以根据心脏的收缩情况和心肌软硬度的变化判断心梗的发生。第二部分是基于心脏冠状动脉血管内超声（IVUS）数据的模型建立、数值模拟与粥样斑块易损性评估分析。我们建立了14位患者的冠状动脉随心脏搏动周期性形变的流固耦合数值模拟模型，从切片分析、发展追踪等多个角度进行了研究分析。我们的主要结果有：血管壁厚WT与血管最大主应力PWS负相关，与血液最大剪切应力FSS正相关，WT与PWS的组合可以用来最优的预测以血管壁厚增量WTI度量的斑块生长。此外我们提出了应力因子stress index,可以和形态学因子morphological index一起用于量化评估斑块的易损性。第三部分是从医学临床数据到数值模拟结果分析这一整个研究流程的软件实现。我们将研究过程划分为前期处理、模型建立、数据提取、数据分析四个相互衔接的部分，分别建立了各自的处理程序模块。我们的数值模拟工作以医学临床数据为基础，以应用于临床，成为诊断、治疗及手术的辅助工具为目的，有着重大的应用意义。