分层血管对心脏瓣膜流固耦合的影响

背景:心脏瓣膜病的治疗手段主要为心脏瓣膜置换,人工心脏瓣膜的设计和性能优化是目前研究者和业界研究与探索的主要方向。数值分析和实验的方式是分析人工心脏瓣膜力学性能的主要方法。利用有限元技术分析瓣膜力学性能,揭示瓣膜在体内运行环境下的微观受力情况,可为人工心脏瓣膜的设计和性能优化提供更加准确的数据。目的:建立更接近人体实际情况的血管模型,探究分层血管对主动脉瓣变形特点和应力分布的影响,为进一步改进人工心瓣的设计提供力学支持。方法:建立包括主动脉瓣、血管壁和血液的有限元几何模型和数学模型,其中血管壁为分层血管,探讨血管分层特性对主动脉瓣流固耦合变形及应力大小的影响,验证分层血管壁对实验的重要性。结果与结论:①瓣膜变形主要发生在瓣叶处,动脉壁没有明显的变形,瓣叶自由边汇合处变形最大,从瓣叶自由边到缝合边变形量呈梯度降低;②整个心脏瓣膜模型的等效应力最大值位于动脉壁外壁(瓣叶与动脉壁缝合点附近),动脉壁内外壁受力差异大,内壁相较于外壁等效应力值小很多,壁面之间存在应力不连续性;③瓣叶最大等效应力在瓣叶与动脉壁的缝合边处。与以往未考虑血管分层特性的研究结果相比,瓣叶最大等效应力值更接近人体二尖瓣叶的离体失效应力。

经导管主动脉瓣流固耦合分析

背景:心脏瓣膜病的治疗手段主要为心脏瓣膜置换术。与开胸手术比较,以经导管主动脉瓣置换术为代表的介入式换瓣手术具有创口小、恢复快的特点。目前国内经导管主动脉瓣置换术的应用范围仍较小,研究主要在患者术后的生理条件变化,少有对经导管主动脉瓣模型本身的分析。目的:探究经导管主动脉瓣变形特点和应力分布,验证其工作性能。方法:建立包括主动脉瓣、血管壁、血液和支架的经导管主动脉瓣有限元几何模型和数学模型,采用浸没边界法进行流固耦合分析,计算有效开口面积指数进行实验对比,验证模型的工作性能。结果与结论:(1)经导管主动脉瓣在血液冲击过程中,瓣叶变形最大且存在卷曲,最大变形处发生在瓣叶自由边1/4处和3/4处;(2)经导管主动脉瓣模型等效应力最大处在支架上,但其变形较小,瓣叶应力集中位置在自由边卷曲明显处和缝合边与支架接触的缝合点上,是容易发生瓣叶破坏的位置;(3)经脉动流实验验证,模型变形过程和有效开口面积均与实验结果接近,所建模型合理有效。