左心室舒張早期功能模型評價方法研究.pdf

1、心血管疾病是危害人類生命健康最嚴重的疾病之一，且發(fā)病率呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢。治療心血管疾病的費用也是十分巨大的，給整個國家、社會和患者的家庭帶來了沉重的負擔(dān)。已知人體年齡增加和心血管疾病危險因素會直接影響整個心血管系統(tǒng)的形態(tài)及力學(xué)性能。然而，由于心血管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能十分復(fù)雜，簡單的觀測已經(jīng)不能滿足臨床早期和精確診斷的需要。隨著科技的進步和新技術(shù)的出現(xiàn)，更多的數(shù)理模型方法已進入到心血管研究領(lǐng)域，為心血管的功能研究和創(chuàng)新突破提供了堅實的基礎(chǔ)。

2、
　　 實際上，心血管系統(tǒng)可以看成是以心臟為核心的力學(xué)系統(tǒng)，其工作原理與心臟泵血機制及流體力學(xué)有很密切的關(guān)系。生物醫(yī)學(xué)研究人員在最新研究中提出，將心血管系統(tǒng)的力學(xué)模型、仿真計算模型應(yīng)用于早期精確診斷和治療方案的確立具有發(fā)展?jié)摿Α＞o密結(jié)合臨床，應(yīng)用醫(yī)學(xué)影像技術(shù)（如CT，MRI，超聲）結(jié)合流體力學(xué)理論和先進的流場測試手段，建立以臨床病例（影像）為基礎(chǔ)的心血管生物力學(xué)模型與個體化手術(shù)方案，獲得感興趣的信息，量化和解釋測得數(shù)據(jù)并對某些生

3、理現(xiàn)象進行預(yù)測分析，建立精確規(guī)范的心血管功能的無創(chuàng)檢測和分析方法，為臨床診斷提供更多的參考依據(jù)并提出個體化的治療方案。做到臨床與力學(xué)模型相結(jié)合，心血管系統(tǒng)建模與定量分析相結(jié)合，這是生物力學(xué)在心血管領(lǐng)域所應(yīng)實現(xiàn)的最終目標。
　　 已知舒張性心力衰竭(diastolicheartfailure，DHF)臨床檢出率高。研究表明，舒張性心力衰竭是一組以具有心力衰竭癥狀和體征、射血分數(shù)正常而舒張功能異常為特征的臨床綜合征，很多心衰患者在左

4、心室(LV)收縮功能正常時，舒張功能已表現(xiàn)異常。舒張功能異常通常會引起室壁僵硬度變化，心肌發(fā)生灶性損傷或纖維化使室壁僵硬度變大以致難以舒張。歐洲心臟病學(xué)會工作組已將室壁僵硬度納入DHF的診斷標準。目前評價舒張功能的方法包括多普勒超聲測量血流頻譜、等容舒張時間法、核素心血池顯像方法檢測左心室容積變化與壓力變化的關(guān)系來確定左心室腔僵硬度(dP/dV)?，F(xiàn)有方法還有一些缺陷和不足，如不能做到無創(chuàng)傷性、準確測量心室容積難度大、實時性差等。本論文

5、基于超聲心動圖的無創(chuàng)傷性、高幀頻、實時等技術(shù)特點，擬探索建立一種新的關(guān)于心臟功能描述建模方法。首先在臨床采集58例健康成人和17例左心室肥厚(LVH)患者超聲心動圖血流過二尖瓣E峰圖像，基于最小二乘法算法編制Matlab程序獲取血流過二尖瓣多普勒速度E峰輪廓。將左心室與振蕩器進行類比，通過數(shù)學(xué)方程將E峰圖像數(shù)值化，結(jié)合流體力學(xué)理論計算獲得舒張早期左心室P-V（壓力-容積）曲線，線性回歸斜率推導(dǎo)左心室壁僵硬度。應(yīng)用該模型對正常人和LVH患

6、者的左心室壁僵硬度K值進行計算，并使用SPSS18.0軟件對K值和其他超聲、臨床參數(shù)的相關(guān)性進行統(tǒng)計。
　　 結(jié)果顯對正常人和LVH患者K值計算結(jié)果敏感可靠（正常人:0.21±.047，LVH:0.42±0.09）。LVH患者左心室容積每搏變化量明顯減小。正常對照組各超聲參數(shù)、數(shù)值計算參數(shù)與左心室壁僵硬度相關(guān)性的分析表明，左心室壁僵硬度K與E峰的峰值速度呈正相關(guān)，與DT（E峰減速時間）和IVRT（等容舒張時間）呈負相關(guān)。LVH組

7、各超聲參數(shù)和數(shù)值計算參數(shù)與左心室腔僵硬度相關(guān)性的分析表明，E峰的數(shù)值參數(shù)c（E峰數(shù)值參數(shù)）、IVRT、DT與左心室壁僵硬度K呈正相關(guān)，其中與DT和IVRT呈高度正相關(guān)。該方法所得結(jié)果與已知理論具有較高的一致性，表明該左心室壁僵硬度力學(xué)模型是合理可靠的，能夠在一定程度上能夠彌補傳統(tǒng)方法上的不足，可對病情進行量化評價，為心血管系統(tǒng)的研究提供了一種新的方向。
　　 本文的另一項任務(wù)是通過計算機對心臟進行有限元建模和流場計算仿真。使用超

8、聲心動圖技術(shù)采集二維心尖四腔心切面的灰階圖像，通過Matlab軟件包編制的交互程序勾取左心室內(nèi)壁及二尖瓣的空間位置并獲取坐標數(shù)據(jù)，選用AutoCAD軟件包重建左心室二維圖像，ICEMCFD作為網(wǎng)格劃分技術(shù)，在Fluent軟件包中進行仿真分析。分別將計算結(jié)果與本實驗室的基于數(shù)值積分理論的左心室流場可視化技術(shù)獲得的結(jié)果進行對比，驗證該方法準確性。結(jié)果表明血流快速進入左心室后形成渦流的位置和血流分別向兩側(cè)分流的位置都具有較高一致性，但是由于缺

9、乏統(tǒng)一的定量工具，還不能夠?qū)Y(jié)果進行定量對比。為探尋心臟不同病變情況下左心室流場的特異性，使用該方法對正常人和擴心病患者的左心室血流動力學(xué)狀態(tài)進行了對比分析。
　　 通過對比結(jié)果表明擴心病患整個左心室擴大，球形度增加，和正常人血流狀態(tài)存在明顯差異。和正常人相比擴心病患者的左心室內(nèi)平均血流速度偏低，擴心病患者左心室被最大血流速度僅為0.92m/s（正常人為1.5m/s）。正常人的血流速度等值圖分布較為對稱，擴心病患者則對左側(cè)二尖瓣