心脏瓣膜的流-固耦合建模

Caty Fairclough 2018年 4月 25日

人的心脏一天中约跳动 10 万次。伴随着每一次跳动,心脏中的四个瓣膜都会完全张开,再紧紧合上,通过心腔单向输送血液。基于建模的心脏瓣膜性能研究有助于医学研究人员找到多种心脏疾病的治疗方法。来自 Veryst Engineering 的团队使用 COMSOL Multiphysics® 软件对心脏瓣膜的开合进行了模拟。

仿真助力推动心脏瓣膜研究

人体心脏中的四个瓣膜柔韧而灵活,它们可以完全张开,等待血液沿单向流出心脏后,再紧紧闭合,封闭心腔,防止血液回流。若患上心脏瓣膜病,瓣膜就不能正常工作,进而导致严重的心脏健康问题。因此,研究心脏瓣膜是一个备受关注的研究领域。

示意图显示了人体心脏的四个瓣膜。
心脏的示意图。图片由 Wapcaplet 提供。在 CC BY-SA 3.0许可下使用,通过 Wikimedia Commons分享。

心脏瓣膜研究的最新进展是世界上最小的机械心脏瓣膜获批。这是一项了不起的成就,毕竟仅在美国,每年就有超过 35,000 名婴儿刚出生时就患有先天性心脏缺陷。这种天生缺陷让一部分新生儿患上心脏瓣膜功能障碍,不得不接受手术修复。

当然,最小瓣膜的发明与获批只是心脏瓣膜研究的突破创新之一。这个领域同样吸引了Veryst Engineering 团队的关注,这家 COMSOL 认证顾问机构曾与客户就类似的现实问题进行过合作。在进一步推进心脏瓣膜研究的过程中,该团队受启发创建了心脏瓣膜的示例模型。此模型可以作为宝贵的设计工具,为医学研究人员提供重要信息。

在 COMSOL Multiphysics® 中模拟心脏瓣膜的开合

如你所料,人体心脏瓣膜的建模不仅困难,计算成本也很高。首先,该问题涉及流-固强耦合(fluid-structure interaction,简称 FSI),也就是说需要模拟移动及变形结构与流动流体之间的相互作用。此外,准确计算非线性材料特性、接触建模和流体网格移动同样非常重要。

为了应对这一挑战,Nagi Elabbasi(Veryst 团队成员之一)使用了 COMSOL Multiphysics,她表示软件拥有“捕捉所有相关耦合效应的独特功能。”Elabbasi 使用 COMSOL Multiphysics 创建了一个简单的示例,重点演示工程师如何克服心脏瓣膜的实际建模难题,并对其性能进行预测。

在模型中,心脏瓣膜随流体流动而张开闭合。对这类运动进行建模并不简单,Elabbasi 指出“此模型的主要挑战在于心脏瓣膜的闭合及瓣膜材料特性的准确表征。”再加上心脏瓣膜闭合时,流体网格可能会坍缩,这就给研究带来了难题。为了避免网格过度失真,团队选择了使用 COMSOL® 软件中高级的网格控制功能。

心脏瓣膜的流-固耦合仿真结果

下面,我们看一看 Veryst 团队根据心脏瓣膜模型中获得的一些结果,此模型分析了流动模式、变化和滞留时间;心脏瓣膜周围的回流;以及这些因素如何受瓣膜运动的影响。该模型亦可用于研究瓣膜材料中的应力和疲劳,以及血压、剪切应力和变形。该团队还发现,仿真能够对心脏瓣膜的多个方面同时进行分析,例如血流速度、瓣膜变形和瓣膜中 von Mises 应力之间的相互作用。

模型结果(下图)显示,瓣膜周围存在流动死区,且流体中发生了回流现象。这两个因素均受到了瓣膜张开和闭合的影响。此外,瓣膜根部的应力很高。研究人员可以根据这些结果找出潜在问题,从而改进人工心脏瓣膜设计。需要注意的是,由于此示例仅用于演示对心脏瓣膜建模所能实现的大致效果,本文的结果并不完全符合实际情况。

COMSOL Multiphysics® 仿真结果显示张开的心脏瓣膜。
模型图片显示了闭合中的心脏瓣膜的流固耦合。

心脏瓣膜张开(左)和闭合(右)的 FSI 模型。

如下图所示,多物理场模型也可用于绘制动态的心脏瓣膜。

 

心脏瓣膜的动画。动画由 Veryst Engineering的 Nagi Elabbasi 提供。

FSI 建模改进医疗器械设计

上述案例表明了 FSI 仿真能够帮助医学研究人员实现哪些目标。借助此类模型,研究人员和工程师可以预测真实心脏瓣膜的性能,并利用这些信息来改进人工瓣膜的设计。Elabbasi 还提到“所有正在研究心脏瓣膜、推出相关产品(例如支架)或分析心血管疾病(例如动脉瘤)的医疗器械公司都应该采用 FSI 建模。”FSI 仿真提供的信息有利于优化医疗器械的设计,最终帮助更多患者治愈心脏疾病。

下一步操作



评论

  1. Xiting Hao August 14, 2018   9:11 am

    棒啊~

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