人的心脏平均每天跳动约 100,000 次。每次跳动时，心脏内的四个瓣膜都会打开和关闭，将血液单向地输送到各腔室。通过模拟心脏瓣膜，医学研究人员可以研究心脏瓣膜的行为，用于解决各种心脏健康问题。在这篇博客中，我们介绍了 Veryst Engineering 公司的一个研究团队使用 COMSOL Multiphysics® 软件模拟心脏瓣膜的打开和关闭的案例。
通过仿真推动心脏瓣膜研究
人类心脏中的四个瓣膜非常灵活，既能完全打开，使血液沿一个方向流过心脏，又能紧紧关闭，密封心室并防止血液倒流。然而，当患有心脏瓣膜疾病时，瓣膜无法正常运作，这可能会导致严重的心脏健康问题。因此，心脏瓣膜是一个重要的研究领域。
心脏示意图。图片来自 Wapcaplet —自己的作品。通过Wikimedia Commons获得许可(CC BY-SA 3.0)。
在心脏瓣膜研究领域，目前已经开发出了世界上最小的获批的机械心脏瓣膜。这是一项重要的成就，因为每年仅在美国就有超过 35,000 名婴儿出生时患有先天性心脏缺陷。对于其中一些新生儿来说，这些缺陷会导致心脏瓣膜功能失常，需要通过手术修复。
当然，获批的最小瓣膜只是心脏瓣膜研究创新的一个例子。这一研究领域也引发了 Veryst Engineering 团队的兴趣，该团队是 COMSOL 认证顾问，曾与客户合作解决过类似的实际问题。为了进一步推进心脏瓣膜研究，该团队受到启发，创建了一个心脏瓣膜的实例模型。该模型可以作为一种有价值的设计工具，为医学研究人员提供重要信息。
在 COMSOL Multiphysics® 中模拟心脏瓣膜的打开和关闭
正如我们所预料的，对人类心脏瓣膜进行建模可能很困难，而且计算成本很高。一方面，这个问题涉及强耦合的流-固耦合 (FSI)，其中移动和变形的结构与流动的流体相互作用。此外，准确考虑非线性材料行为、接触建模和流体网格运动也很重要。
为了解决这个问题，Nagi Elabbasi(Veryst 团队的成员)使用 COMSOL Multiphysics 创建了一个简单的示例，强调了工程师在模拟真实心脏瓣膜并预测其行为的过程中，如何克服挑战。Elabbasi 称 COMSOL 软件具有捕捉所有相关耦合效应的独特能力”。
在这个模型中，心脏瓣膜响应流体流动打开和关闭。对这种运动进行建模并不容易，Elabbasi 指出，“建立这个模型的主要挑战是心脏瓣膜的关闭和准确地描述瓣膜的材料行为。”这导致在建模过程中出现了问题，因为当心脏瓣膜关闭时，流动网格会塌陷。为了避免过度的网格变形，该团队选择使用 COMSOL® 软件中的高级网格控制功能。
心脏瓣膜中流-固耦合的仿真结果
现在，让我们来看看 Veryst 团队从他们的心脏瓣膜模型中获得的一些结果。该模型分析了流动模式、变化和停留时间；心脏瓣膜周围的血流再循环；以及这些因素如何受到瓣膜运动的影响。还可以使用该模型来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，仿真使他们能够同时分析心脏瓣膜的多个方面，例如血流速度、瓣膜变形和瓣膜中的 von Mises 应力之间的相互作用。
模型结果(见下图)显示，瓣膜周围存在死流区，流动中存在再循环。这两个因素都受到瓣膜打开和关闭的影响。此外，瓣膜的根部有很高的应力。研究人员可以利用这些结果来识别潜在的问题，并改进人工心脏瓣膜的设计。请注意，因为这个例子只是为了演示在对心脏瓣膜进行建模时可以达到的效果，所以这里看到的结果并不完全是真实的。
心脏瓣膜打开(左)和关闭(右)的流–固耦合模型。
还可以通过多物理场模型直观地观察运行中的心脏瓣膜，如下面动画中的示例所示。
心脏瓣膜的动画。动画由Veryst Engineering的 Nagi Elabbasi 提供。
通过流-固耦合仿真优化医疗设备设计
这个示例展示了医学研究人员通过流固耦合仿真可以实现的目标。借助多物理场仿真模型，研究人员和工程师可以预测真实心脏瓣膜的行为，并有可能利用这些信息对人造心脏瓣膜的设计进行优化。Elabbasi 还提到，“所有从事心脏瓣膜、提供相关产品(例如支架)或分析心血管疾病(例如动脉瘤)的医疗设备公司都应该进行流固耦合建模。”通过仿真获得的信息将有助于优化医疗设备的设计，从而更加有效地治疗疾病。
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