生物力学建模仿真与应用PDF电子书下载

1 绪论&樊瑜波 邓小燕 1

1.1 生物力学建模仿真及历程 1

1.1.1 心血管系统建模仿真 1

1.1.2 肌骨系统建模仿真 2

1.1.3 跨尺度耦合建模仿真 3

1.2 生物力学建模仿真在我国的发展概况及研究进展 4

参考文献 5

2 血流动力学几何多尺度数值模拟&刘有军 王文馨 李鲍 杜建军 7

2.1 血流动力学数学模型 7

2.1.1 三维模型 8

2.1.2 集中参数模型（零维模型） 10

2.2 血流动力学几何多尺度建模方法 16

2.2.1 几何多尺度模型的结构和类型 16

2.2.2 0D/3D耦合交界面处理 18

2.2.3 0D/3D耦合计算实现 21

2.3 血流动力学几何多尺度数值模拟应用 22

2.3.1 单边肺动脉狭窄对Glenn手术血流动力学影响的数值模拟 22

2.3.2 主动脉缩窄的血流动力学几何多尺度数值模拟 30

参考文献 36

3 血管支架的生物力学建模与仿真&乔爱科 李红霞 冯海全 39

3.1 球囊扩张支架扩张变形的建模与仿真 39

3.1.1 引言 39

3.1.2 方法 40

3.1.3 结果分析 42

3.1.4 小结 45

3.2 支架置入后的血流动力学建模与仿真 45

3.2.1 支架置入理想化椎动脉模型后的血流动力学建模与仿真 45

3.2.2 支架置入个性化椎动脉模型后的血流动力学建模与仿真 49

3.3 支架结构优化设计 55

3.3.1 血管支架力学性能的优化问题 56

3.3.2 有限元计算 57

3.3.3 优化结果 59

3.3.4 小结 62

3.4 支架置入后的疲劳寿命分析 62

3.4.1 支架疲劳寿命的评价方法 62

3.4.2 支架疲劳强度安全系数的计算 63

3.4.3 支架的疲劳强度分析 63

3.4.4 小结 69

参考文献 70

4 聚乳酸基可降解支架的建模与仿真&樊瑜波 王丽珍 储照伟 郭萌 73

4.1 聚乳酸基高分子聚合物降解机理 74

4.1.1 影响聚乳酸基材料降解的因素 75

4.1.2 聚乳酸材料的降解模型 75

4.2 PLGA支架降解过程的数值模拟与实验验证 76

4.2.1 引言 76

4.2.2 模型与方法 77

4.2.3 结果 80

4.2.4 小结 82

4.3 降解方式对PLGA支架降解行为的影响 82

4.3.1 引言 82

4.3.2 模型与方法 83

4.3.3 结果 85

4.3.4 小结 88

4.4 展望 89

参考文献 89

5 药物涂层支架药物传输仿真与优化&蒋文涛 陈宇 孙安强 王振泽 93

5.1 支架内再狭窄与药物涂层支架 94

5.1.1 支架内再狭窄 94

5.1.2 药物涂层支架 94

5.1.3 药物涂层支架的结构及作用原理 94

5.1.4 数值仿真与优化算法 97

5.2 支架几何结构对药物传输的影响 99

5.2.1 支架结构对药物浓度分布影响的数值分析 99

5.2.2 支架连接筋对药物浓度分布影响的数值分析 105

5.2.3 多支架构型对药物浓度分布影响的数值分析 107

5.2.4 支架构型的优化设计 111

5.3 血流动力学对药物涂层支架药物传输的影响 114

5.3.1 血管结构对药物浓度分布及传输的影响 115

5.3.2 血液非牛顿特性对药物传输的影响 118

5.4 展望 123

参考文献 124

6 动脉瘤支架的生物力学建模与仿真&乔爱科 付文宇 王盛章 127

6.1 闭环与开环结构支架治疗Willis环动脉瘤血流动力学研究 127

6.1.1 Willis环动脉瘤模型构建 127

6.1.2 支架模型构建 128

6.1.3 网格划分 129

6.1.4 数值计算方法求解假设及求解控制 129

6.1.5 计算结果 130

6.1.6 实验验证 131

6.1.7 小结 133

6.2 5种支架置入个体化颈内动脉瘤模型的计算研究 133

6.2.1 引言 133

6.2.2 血管及支架模型的构建 133

6.2.3 计算方法 137

6.2.4 计算结果和讨论 137

6.2.5 支架柔顺性比较 142

6.2.6 小结 143

6.3 基于弹簧理论的颅内动脉瘤支架的快速虚拟释放 144

6.3.1 方法 144

6.3.2 结果 150

6.3.3 小结 152

6.4 讨论 152

参考文献 154

7 血管搭桥手术的血流动力学仿真与优化&乔爱科 孙安强 刘有军 隋允康 157

7.1 基于血流动力学仿真的血管搭桥手术规划 157

7.1.1 冠脉搭桥血流动力学手术规划 157

7.1.2 狭窄程度对左乳内动脉桥血流动力学的影响 166

7.2 搭桥用人造血管的设计及血流动力学分析 172

7.2.1 血管搭桥手术后的内膜增生问题 172

7.2.2 已有研究情况介绍 173

7.2.3 偏心搭桥人造血管设计 174

7.2.4 流场显示实验 175

7.2.5 血流动力学模拟 175

7.2.6 总结与讨论 183

7.3 冠状动脉搭桥术几何参数的优化 184

7.3.1 数值模拟方法 184

7.3.2 响应面方法的数学模型 186

7.3.3 优化结果分析 186

7.3.4 小结 187

参考文献 187

8 动脉中物质输运的建模与仿真&刘肖 邓小燕 191

8.1 物质传输与动脉粥样硬化 191

8.1.1 低密度脂蛋白与动脉粥样硬化 191

8.1.2 一氧化氮与动脉粥样硬化 192

8.2 低密度脂蛋白传输的数值模拟 193

8.2.1 低密度脂蛋白传输模型概况 193

8.2.2 低密度脂蛋白传输的物理模型 195

8.2.3 影响低密度脂蛋白在血管壁中传输的因素 197

8.3 一氧化氮传输的数值模拟 204

8.3.1 一氧化氮传输的物理模型 205

8.3.2 轴对称狭窄模型中NO的传输 206

8.3.3 主动脉中NO的传输 209

参考文献 214

9 易损斑块的仿真模型和生物力学研究&唐达林 郭小亚 范龙玲 李志勇 217

9.1 易损斑块研究背景 217

9.2 建模三大要素、易损斑块分类和基本流体固体模型 218

9.2.1 建模三大要素和基本流程 218

9.2.2 基于组织学的动脉粥样硬化斑块分类 219

9.2.3 基本流体模型 220

9.2.4 斑块固体模型 222

9.2.5 与斑块模型相关的其他模型 225

9.3 易损斑块疲劳破坏的理想模型 225

9.3.1 斑块理想模型的建立 225

9.3.2 斑块理想模型的计算结果 227

9.4 基于斑块在体MRI的模型分析 227

9.4.1 个体化病例的MRI成像与图像分割 228

9.4.2 基于MRI影像数据的生物力学建模分析 229

9.5 基于在体图像的易损斑块流固耦合模型 232

9.5.1 建立流固耦合模型的基本方法 232

9.5.2 预收缩－拉伸过程与残余应力 232

9.5.3 包含斑块成分的有限元网格生成 233

9.5.4 周期弯曲的冠状动脉斑块模型 234

9.5.5 边界条件 236

9.6 控制颈动脉和冠状动脉斑块增长的机理 236

9.6.1 早期动脉粥样硬化形成和增长的假设 236

9.6.2 与斑块增长相关的数据和概念 236

9.6.3 影响中晚期斑块增长的机制 237

9.7 斑块易损性研究，斑块分类和破裂预测的风险因子 238

9.7.1 在体斑块破裂和斑块应力相关的证据 238

9.7.2 斑块易损性定义及指标 240

9.7.3 预测方法和精度 241

9.8 影响斑块应力应变的因素 242

9.8.1 模型假设的影响 242

9.8.2 基于影像的在体材料性质的量化 242

9.8.3 材料参数对应力应变的影响 242

9.8.4 纤维帽糜烂的斑块 243

9.8.5 斑块几何形态对流体的影响 243

参考文献 246

10 心与瓣膜的生物力学建模仿真及应用&马幸双 251

10.1 心与瓣膜概述 251

10.1.1 心 251

10.1.2 心瓣膜 251

10.2 心脏常用影像检查方法的比较分析 253

10.3 心脏及瓣膜的建模仿真 254

10.3.1 二尖瓣固体力学建模 255

10.3.2 左心室固体力学建模 256

10.3.3 心脏与瓣膜流固耦合建模 256

10.4 基于健康人的个体化二尖瓣－左心室流固耦合模拟 258

10.4.1 二尖瓣及左心室的临床MRI扫描 258

10.4.2 基于多尺度的软组织本构模型及参数确定 259

10.4.3 浸入边界法－有限元方法 261

10.4.4 二尖瓣的动态模拟 262

10.4.5 二尖瓣－左心室的动态模拟 265

10.4.6 左心室－二尖瓣的病理模型探讨 266

参考文献 267

11 头颈部生物力学建模与仿真&王丽珍 王亚伟 倪义坤 樊瑜波 271

11.1 啄木鸟头部建模与仿真 271

11.1.1 啄木鸟头部解剖学特征 272

11.1.2 啄木鸟啄木过程数值模拟 275

11.2 人体头颈部建模与仿真 288

11.2.1 多体系统生物力学模型的开发及应用 288

11.2.2 有限元生物力学模型的开发 295

11.2.3 多体系统模型和有限元模型的耦合应用 299

11.3 小结 303

参考文献 304

12 眼生物力学的建模与仿真&刘笑宇 耿晓琪 樊瑜波 307

12.1 国内外关于全眼球模型的研究现状 307

12.2 全眼球的有限元建模 311

12.2.1 全眼球的几何模型 311

12.2.2 材料属性 314

12.2.3 网格划分和接触设置 318

12.3 模型验证 318

12.3.1 验证实验的描述 319

12.3.2 验证结果及分析 320

12.4 加速度载荷下的视网膜损伤 322

12.4.1 背景介绍 322

12.4.2 飞行员多刚体建模 322

12.4.3 眼部动力学的求解与分析 324

12.4.4 视网膜损伤模型 326

12.5 外伤性视网膜脱落仿真及机制分析 327

12.5.1 建模方法 327

12.5.2 结果与分析 328

参考文献 333

13 口腔种植术中骨改重建过程的建模与仿真&王超 宋锦璘 樊瑜波 335

13.1 骨力学调控机制理论 338

13.2 基于有限元分析的骨改重建算法简介 339

13.2.1 细观尺度下包含微观损伤修复机制的骨改重建算法 339

13.2.2 带有力学过载吸收机制的骨重建过程模拟算法 343

13.2.3 具备正交各向异性的骨改重建算法 345

13.3 骨改重建模拟在口腔种植学中的应用 346

13.3.1 口腔种植体周围骨小梁结构骨重建过程的建模仿真 346

13.3.2 不同种植修复方式诱发骨改重建响应的建模仿真 349

13.3.3 天然牙和口腔种植体诱发不同骨改重建响应的建模仿真 356

13.4 结语 363

13.4.1 基于数值仿真技术研究骨改重建过程的局限性 363

13.4.2 展望 364

参考文献 366

14 人工颈椎间盘植入手术方案仿真&莫中军 樊瑜波 369

14.1 颈椎疾病与手术治疗 369

14.2 头颈有限元建模 371

14.2.1 材料与方法 371

14.2.2 模型的静态验证 376

14.2.3 模型的动态验证 378

14.3 人工椎间盘旋转中心对颈椎生物力学的影响 379

14.3.1 位移加载的反作用力矩 381

14.3.2 颈椎的运动参数 381

14.3.3 关节软骨应力分布 382

14.3.4 骨－假体交界面应力分布 383

14.4 讨论 384

参考文献 385

15 膝关节前交叉韧带重建的生物力学建模与仿真&姚杰 樊瑜波 389

15.1 膝关节模型的建立 390

15.1.1 几何建模 390

15.1.2 有限元离散 391

15.1.3 模型验证 391

15.1.4 小结 392

15.2 有限元模型的应用 394

15.2.1 ACL重建模型的建立 395

15.2.2 ACL重建对应变能密度的影响 396

15.2.3 ACL重建对应力方向的影响 397

15.2.4 螺钉长度对应变能密度的影响 397

15.2.5 螺钉直径对应变能密度的影响 398

15.2.6 螺钉刚度对应变能密度的影响 398

15.2.7 小结 399

15.3 讨论与展望 399

参考文献 401

16 足踝生物力学建模及其临床应用&王岩 黄伟志 张明 405

16.1 有限元方法应用综述 406

16.1.1 发展状况 407

16.1.2 特定病症的足踝模型 408

16.2 足踝模型建立及其临床应用 412

16.2.1 有限元模型建立 413

16.2.2 有限元模拟的临床应用 414

16.3 结语 417

参考文献 418

17 预测宏微观骨强度的非线性有限元建模与仿真&宫赫 樊瑜波 张明 421

17.1 个体化有限元建模预测宏观骨结构强度 422

17.1.1 临床QCT扫描过程 422

17.1.2 股骨近端三维建模 423

17.1.3 骨组织力学性能的建模 424

17.1.4 骨失效准则 425

17.1.5 加载条件 425

17.1.6 股骨强度的非线性有限元分析 425

17.1.7 模型的应用 426

17.2 基于Micro-CT影像的显微有限元建模模拟松质骨结构的屈服特性 428

17.2.1 显微CT扫描过程 428

17.2.2 松质骨样本的三维建模 428

17.2.3 非线性显微有限元分析 430

17.2.4 模型的应用 434

参考文献 438

索引 441