人的心臟一天中約跳動(dòng) 10 萬(wàn)次。伴隨著每一次跳動(dòng)，心臟中的四個(gè)瓣膜都會(huì)完全張開(kāi)，再緊緊合上，通過(guò)心腔單向輸送血液?；诮５男呐K瓣膜性能研究有助于醫(yī)學(xué)研究人員找到多種心臟疾病的治療方法。來(lái)自 Veryst Engineering 的團(tuán)隊(duì)使用 COMSOL Multiphysics? 軟件對(duì)心臟瓣膜的開(kāi)合進(jìn)行了模擬。

仿真助力推動(dòng)心臟瓣膜研究

人體心臟中的四個(gè)瓣膜柔韌而靈活，它們可以完全張開(kāi)，等待血液沿單向流出心臟后，再緊緊閉合，封閉心腔，防止血液回流。若患上心臟瓣膜病，瓣膜就不能正常工作，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的心臟健康問(wèn)題。因此，研究心臟瓣膜是一個(gè)備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。

心臟的示意圖。圖片由 Wapcaplet 提供。在 CC BY-SA 3.0許可下使用，通過(guò) Wikimedia Commons分享。

心臟瓣膜研究的最新進(jìn)展是世界上最小的機(jī)械心臟瓣膜獲批。這是一項(xiàng)了不起的成就，畢竟僅在美國(guó)，每年就有超過(guò) 35,000 名嬰兒剛出生時(shí)就患有先天性心臟缺陷。這種天生缺陷讓一部分新生兒患上心臟瓣膜功能障礙，不得不接受手術(shù)修復(fù)。

當(dāng)然，最小瓣膜的發(fā)明與獲批只是心臟瓣膜研究的突破創(chuàng)新之一。這個(gè)領(lǐng)域同樣吸引了Veryst Engineering 團(tuán)隊(duì)的關(guān)注，這家 COMSOL 認(rèn)證顧問(wèn)機(jī)構(gòu)曾與客戶就類似的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行過(guò)合作。在進(jìn)一步推進(jìn)心臟瓣膜研究的過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)受啟發(fā)創(chuàng)建了心臟瓣膜的示例模型。此模型可以作為寶貴的設(shè)計(jì)工具，為醫(yī)學(xué)研究人員提供重要信息。

在 COMSOL Multiphysics? 中模擬心臟瓣膜的開(kāi)合

如你所料，人體心臟瓣膜的建模不僅困難，計(jì)算成本也很高。首先，該問(wèn)題涉及流-固強(qiáng)耦合（fluid-structure interaction，簡(jiǎn)稱 FSI），也就是說(shuō)需要模擬移動(dòng)及變形結(jié)構(gòu)與流動(dòng)流體之間的相互作用。此外，準(zhǔn)確計(jì)算非線性材料特性、接觸建模和流體網(wǎng)格移動(dòng)同樣非常重要。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，Nagi Elabbasi（Veryst 團(tuán)隊(duì)成員之一）使用了 COMSOL Multiphysics，她表示軟件擁有“捕捉所有相關(guān)耦合效應(yīng)的獨(dú)特功能。”Elabbasi 使用 COMSOL Multiphysics 創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，重點(diǎn)演示工程師如何克服心臟瓣膜的實(shí)際建模難題，并對(duì)其性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在模型中，心臟瓣膜隨流體流動(dòng)而張開(kāi)閉合。對(duì)這類運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模并不簡(jiǎn)單，Elabbasi 指出“此模型的主要挑戰(zhàn)在于心臟瓣膜的閉合及瓣膜材料特性的準(zhǔn)確表征?！痹偌由闲呐K瓣膜閉合時(shí)，流體網(wǎng)格可能會(huì)坍縮，這就給研究帶來(lái)了難題。為了避免網(wǎng)格過(guò)度失真，團(tuán)隊(duì)選擇了使用 COMSOL? 軟件中高級(jí)的網(wǎng)格控制功能。

心臟瓣膜的流-固耦合仿真結(jié)果

下面，我們看一看 Veryst 團(tuán)隊(duì)根據(jù)心臟瓣膜模型中獲得的一些結(jié)果，此模型分析了流動(dòng)模式、變化和滯留時(shí)間；心臟瓣膜周圍的回流；以及這些因素如何受瓣膜運(yùn)動(dòng)的影響。該模型亦可用于研究瓣膜材料中的應(yīng)力和疲勞，以及血壓、剪切應(yīng)力和變形。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，仿真能夠?qū)π呐K瓣膜的多個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行分析，例如血流速度、瓣膜變形和瓣膜中 von Mises 應(yīng)力之間的相互作用。

模型結(jié)果（下圖）顯示，瓣膜周圍存在流動(dòng)死區(qū)，且流體中發(fā)生了回流現(xiàn)象。這兩個(gè)因素均受到了瓣膜張開(kāi)和閉合的影響。此外，瓣膜根部的應(yīng)力很高。研究人員可以根據(jù)這些結(jié)果找出潛在問(wèn)題，從而改進(jìn)人工心臟瓣膜設(shè)計(jì)。需要注意的是，由于此示例僅用于演示對(duì)心臟瓣膜建模所能實(shí)現(xiàn)的大致效果，本文的結(jié)果并不完全符合實(shí)際情況。

心臟瓣膜張開(kāi)（上）和閉合（下）的 FSI 模型。

如下圖所示，多物理場(chǎng)模型也可用于繪制動(dòng)態(tài)的心臟瓣膜。

心臟瓣膜的動(dòng)畫(huà)。動(dòng)畫(huà)由 Veryst Engineering的 Nagi Elabbasi 提供。

FSI 建模改進(jìn)醫(yī)療器械設(shè)計(jì)

上述案例表明了 FSI 仿真能夠幫助醫(yī)學(xué)研究人員實(shí)現(xiàn)哪些目標(biāo)。借助此類模型，研究人員和工程師可以預(yù)測(cè)真實(shí)心臟瓣膜的性能，并利用這些信息來(lái)改進(jìn)人工瓣膜的設(shè)計(jì)。Elabbasi 還提到“所有正在研究心臟瓣膜、推出相關(guān)產(chǎn)品（例如支架）或分析心血管疾病（例如動(dòng)脈瘤）的醫(yī)療器械公司都應(yīng)該采用 FSI 建模?！盕SI 仿真提供的信息有利于優(yōu)化醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)，最終幫助更多患者治愈心臟疾病。

下一步操作

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