第1章  基礎知識簡介
1.1  醫學成像技術_1
1.1.1  數字減影血管造影_1
1.1.2  計算機斷層成像_3
1.1.3  磁共振成像_3
1.1.4  超聲成像_7
1.2  計算機建模技術_8
1.2.1  基於醫學影像的幾何建模_8
1.2.2  基於CAD的幾何建模_12
1.2.3  計算模型的網格前處理_19
1.3  數值仿真方法_22
1.3.1  計算固體力學方法_23
1.3.2  計算流體力學方法_24
1.3.3  流固耦合仿真方法_27
參考文獻_30
第2章  編織型支架建模仿真與應用
2.1  背景介紹_31
2.1.1  腦動脈瘤病理_31
2.1.2  腦動脈瘤手術治療及臨床問題_32
2.2  模型構建與數值仿真方法_33
2.2.1  血管模型構建_33
2.2.2  支架模型構建_34
2.2.3  支架材料屬性_38
2.2.4  仿真模型的臺架試驗驗證_38
2.3  仿真_40
2.3.1  支架在患者血管中釋放過程模擬_40
2.3.2  支架的快釋放_43
2.4  血流導向裝置治療腦動脈瘤的血液動力學分析_46
2.4.1  動脈瘤和載瘤動脈的理想化模型_46
2.4.2  理想化血管動脈瘤模型中的Tubridge支架植入_47
2.4.3  血流導向裝置植入後的計算流體力學仿真_51
2.4.4 Tubridge支架植入血管動脈瘤模型的血液動力學分析_53
2.5  總結與展望_57
參考文獻  59
第3章  覆膜支架建模仿真與應用
3.1  背景介紹_61
3.1.1  主動脈夾層病理_61
3.1.2  主動脈夾層手術治療及臨床問題_62
3.2  模型構建與數值仿真方法_64
3.2.1  主動脈夾層幾何模型構建_64
3.2.2  支架實體模型構建_65
3.2.3  輸送工具模型構建_66
3.2.4  計算網格劃分_66
3.2.5  材料屬性和邊界條件的設定_67
3.2.6  仿真_68
3.3  支架植入主動脈弓不同位置的研究_69
3.4  不同款型支架比較_71
3.5  徑向支撐力與彈性回直力的比較研究_73
3.5.1  徑向支撐力分析_74
3.5.2  徑向支撐力與彈性回直力的對比_76
3.6  動物試驗研究_77
3.6.1  動物試驗和組織病理學檢查方案_78
3.6.2  仿真方案_78
3.6.3  試驗和仿真結果對比分析_80
3.7  總結與展望_81
參考文獻_82
第4章  人工心髒瓣膜建模仿真與應用
4.1  背景介紹_84
4.1.1  心髒和心髒瓣膜結構_85
4.1.2  主動脈瓣疾病的診斷和治療_85
4.2  計算機輔助設計與數值仿真方法_90
4.2.1  心髒瓣膜的計算機輔助設計_91
4.2.2  瓣膜和周圍組織材料屬性_91
4.2.3  生物瓣假體的計算機仿真_95
4.3  心包纖維排列方向對自體心包主動脈瓣修復術的影響_97
4.3.1  個體化主動脈瓣幾何重建_98
4.3.2  主動脈瓣流固耦合模型構建_102
4.3.3  個體化主動脈瓣流固耦合模型驗證_109
4.3.4  瓣膜假體膠原纖維排列方向對血液動力學特性的影響_111
4.3.5  瓣葉運動學形態_111
4.4  研究方法和結果的分析與討論_117
4.5  總結與展望_120參考文獻  120
第5章  心室輔助泵建模仿真與應用
5.1  背景介紹_122
5.2  計算流體力學仿真方法_123
5.2.1  旋轉機械的數值仿真方法_123
5.2.2  湍流模型_124
5.3  軸流血泵植入全腔靜脈肺動脈連接理想模型的數值仿真研究_125
5.3.1  模型建立_125
5.3.2  網格劃分_126
5.3.3  邊界條件、材料屬性和求解設置_127
5.3.4  評估指標_128
5.3.5  結果分析和比較_129
5.3.6  研究結論_134
5.4  軸流血泵植入患者特異性全腔靜脈肺動脈連接模型的單相流仿真研究_135
5.4.1  模型建立_135
5.4.2  網格劃分_136
5.4.3  邊界條件、材料屬性和求解設置_136
5.4.4  可變轉速曲線設定及其生理意義_137
5.4.5  結果分析和比較_138
5.4.6研究結論_146
5.5  軸流血泵植入患者特異性全腔靜脈肺動脈連接模型的多相流仿真研究_146
5.5.1  模型建立、網格劃分、邊界條件和求解設置_147
5.5.2  材料屬性_147
5.5.3  多相流細胞破壞模型_148
5.5.4  結果分析和比較_149
5.5.5  研究結論_155
5.6  總結與展望_155
參考文獻_155

心腦血管疾病是當前導致人類死亡最多的疾病。外科治療和介入治療是心腦血管疾病治療最主要和最有效的方式。在治療過程中需要使用各種植介入器械，包括血管支架、人工心髒瓣膜、心室輔助泵等器械。近年來，心腦血管植介入器械的臨床應用發展迅猛，市場規模越來越大，各種創新性產品越來越多。如何準確地評估這些器械植入後的效果和風險是目前研發企業和器械審評中心非常關注的問題，計算機建模仿真為定量評估植介入器械治療後的效果提供了一種方便、可行、成本低廉的方法。另外，隨著精準醫療的發展，手術規劃和預後評估也越來越成為臨床上非常關心的問題，計算機建模仿真同樣在這方面發揮著非常重要的作用。
心腦血管植介入器械的建模仿真是一個多學科交叉的研究領域，它涉及基礎醫學、臨床醫學、機械設計、加工制造、力學、計算方法、程序設計、圖像處理等很多知識。復旦大學生物力學研究所心腦血管生物力學與植介入器械實驗室長期從事相關問題的研究，開發了一繫列心腦血管植介入器械建模仿真方法和平臺。本書就是對前期相關研究工作的總結，主要包括編織型支架、覆膜支架、人工心髒瓣膜、軸流式血泵等植介入器械的計算機建模仿真方法及相關應用。
本書共5章。
第1章是基礎知識簡介，主要介紹與心腦血管植介入器械建模仿真相關的各種基礎知識，包括心腦血管繫統最常見的醫學成像技術、計算機建模技術以及數值仿真方法。事實上，關於醫學成像技術和計算機數值仿真方法的各種專著有很多，而且很多專著對相關內容介紹得更加深入和專業，有興趣的讀者可以根據需要查閱相關的專著進行更深入的學習。
第2章是編織型支架建模仿真與應用，介紹常用於顱內動脈瘤介入治療的編織型支架建模和仿真，包括編織型支架的模型構建、基的編織型支架植入過程仿真，並以虛擬植入為基礎研究血流導向裝置在治療顱內動脈瘤時“推密”手法對其血液動力學特性的影響等。
第3章是覆膜支架建模仿真與應用，介紹常用於主動脈夾層介入治療的覆膜支架建模和仿真，包括覆膜支架模型構建以及虛擬植入過程仿真，並以此為基礎分析同一款型不同植入位置、不同款型覆膜支架植入相同位置後支架絲對血管壁的應力分析，從而定量研究覆膜支架植入後引起的支架源性破口的生物力學機制，並進一步通過動物試驗進行方法和結果的驗證。
第4章是人工心髒瓣膜建模仿真與應用，介紹使用計算機建模和仿真的方法研究自體心包心髒瓣膜修復技術，建立基仿真的虛擬手術方法和基於浸沒邊界法的心髒瓣膜流固耦合數值仿真方法，並以此為基礎研究心包膠原纖維排列方向對自體心瓣主動脈瓣修復術的影響，從血液動力學性能和疲勞性能等角度討論自體心包修復術中膠原纖維角度匹配的必要性。
第5章是心室輔助泵建模仿真與應用，介紹一種用於改善先天性心髒病患者TCPC結構動力不足問題的方案，通過虛擬手術將一種軸流血泵植入TCPC的下腔動脈，利用計算流體力學仿真研究軸流血泵植入後的壓力-流量輸出特性以及溶血風險和血栓形成風險，並比較單相流仿真和多相流仿真在結果方面的差異，對心室輔助裝置的建模仿真和虛擬手術提出一套完整的解決方案。
本書編寫過程中得到很多同事、合作伙伴、研究生等的支持和幫助。感謝首都醫科大學附屬北京天壇醫院楊新健教授、復旦大學附屬華山醫院張曉龍教授、復旦大學附屬中山醫院董智慧教授和魏來教授、復旦大學附屬兒科醫院賈兵教授和張惠鋒副主任醫師等臨床專家在相關研究工作中對於臨床問題的指導，並且提供了大量的臨床數據。感謝作者所在團隊研究生勤奮努力而卓有成效的工作，使本書在編寫時有充足的資料。本書的大部分內容來源於蔡雲寒、孟莊源、馮勇、劉旭東等的碩士或博士畢業論文。感謝作者所在團隊研究生在本書編寫整理過程中的辛勤付出。感謝上海科學技術出版社為此書的成功出版所做的努力。本書所涉及的知識面廣泛，由於作者學識有限，書中肯定存在不準確或錯誤之處，還請各位讀者指正。
作  者
2023年9月