心血管疾病是世界疾病负担的首要原因,主动脉所受到的各项冲击与损耗在心血管中最为严重。因此,对主动脉疾病治疗的研究意义重大。人工血管植入手术是主动脉疾病治疗的最终方案。生物3D打印人工血管在主动脉植入领域具有巨大的发展潜力,但由于主动脉周边约束繁多,本身结构以及内部血流状况较为复杂,因此缺乏在生理层面考虑个体特异性需求的三维模型作为制造基础。人工血管的结构优化设计可以对其几何形态和机械性能加以改善。本文以升主动脉、主动脉弓及其三大分支为研究对象,针对该主动脉人工置换物几何形态影响其受冲刷程度,进而影响其寿命的问题,基于结合医疗影像以及解剖学原理所构建的主动脉三维模型,提出考虑模型几何参数的主动脉结构优化设计方法,在符合主动脉基本几何形态并考虑其周边约束前提下,降低其受冲刷程度,进而提升了主动脉人工置换物使用寿命。主要研究内容包括:首先,建立满足个体特异性需求的主动脉参数化三维模型,采用有限元方法分析主动脉的血流状况,获取不同阶段主动脉血液流动、壁面压力以及壁面剪切应力分布状况以及变化趋势,结合心血管病理学对该血管段易患病区域进行分析。结果表明三大分支近心侧、主动脉弓降段内侧以及降主动脉内侧患动脉粥样硬化风险相对较高,升主动脉区域、三大分支远心侧根部以及主动脉弓出口外侧患主动脉夹层风险较高。然后,在所构建的主动脉三维模型以及较为明确的病理学分析指标的基础上,分析血液黏度对不同易病变区域的影响情况,结果表明高血液黏度会提升主动脉弓降段外侧与三大分支远心侧根部患主动脉夹层风险,增加主动脉弓顶部内侧动脉粥样硬化患病几率。同时,分析不同结构参数对各易病变区域的影响情况,结果表明:升主动脉与主动脉弓交点矢状面方向坐标、升主动脉与主动脉弓交点冠状面方向坐标、主动脉弓顶部偏转角、主动脉弓顶点与其前控制点间距以及主动脉弓顶点与其后控制点间距这五项主动脉几何参数对主动脉弓出口外侧、左颈总动脉远心侧根部患主动脉夹层的风险,以及主动脉弓顶部内侧患动脉粥样硬化的风险都有一定影响。最后,针对主动脉人工置换物几何形态影响其受冲刷程度,进而影响其寿命的问题,提出与有限元分析相结合的Kriging代理模型优化方法,获取主动脉几何参数在设计空间下的最优解。结果表明,目标区域最大壁面剪切应力峰值下降16.22%,该区域受血流冲刷的影响大幅降低,主动脉人工置换物的使用寿命得到提升。