人的心臟一天中約跳動 10 萬次。伴隨著每一次跳動，心臟中的四個瓣膜都會完全張開，再緊緊合上，通過心腔單向輸送血液。基于建模的心臟瓣膜性能研究有助于醫學研究人員找到多種心臟疾病的治療方法。來自 Veryst Engineering 的團隊使用 COMSOL Multiphysics? 軟件對心臟瓣膜的開合進行了模擬。

仿真助力推動心臟瓣膜研究

人體心臟中的四個瓣膜柔韌而靈活，它們可以完全張開，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，進而導致嚴重的心臟健康問題。因此，研究心臟瓣膜是一個備受關注的研究領域。

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 Wikimedia Commons分享。

心臟瓣膜研究的最新進展是世界上最小的機械心臟瓣膜獲批。這是一項了不起的成就，畢竟僅在美國，每年就有超過 35,000 名嬰兒剛出生時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，不得不接受手術修復。

當然，最小瓣膜的發明與獲批只是心臟瓣膜研究的突破創新之一。這個領域同樣吸引了Veryst Engineering 團隊的關注，這家 COMSOL 認證顧問機構曾與客戶就類似的現實問題進行過合作。在進一步推進心臟瓣膜研究的過程中，該團隊受啟發創建了心臟瓣膜的示例模型。此模型可以作為寶貴的設計工具，為醫學研究人員提供重要信息。

在 COMSOL Multiphysics? 中模擬心臟瓣膜的開合

如你所料，人體心臟瓣膜的建模不僅困難，計算成本也很高。首先，該問題涉及流-固強耦合（fluid-structure interaction，簡稱 FSI），也就是說需要模擬移動及變形結構與流動流體之間的相互作用。此外，準確計算非線性材料特性、接觸建模和流體網格移動同樣非常重要。

為了應對這一挑戰，Nagi Elabbasi（Veryst 團隊成員之一）使用了 COMSOL Multiphysics，她表示軟件擁有“捕捉所有相關耦合效應的獨特功能。”Elabbasi 使用 COMSOL Multiphysics 創建了一個簡單的示例，重點演示工程師如何克服心臟瓣膜的實際建模難題，并對其性能進行預測。

在模型中，心臟瓣膜隨流體流動而張開閉合。對這類運動進行建模并不簡單，Elabbasi 指出“此模型的主要挑戰在于心臟瓣膜的閉合及瓣膜材料特性的準確表征。”再加上心臟瓣膜閉合時，流體網格可能會坍縮，這就給研究帶來了難題。為了避免網格過度失真，團隊選擇了使用 COMSOL? 軟件中高級的網格控制功能。

心臟瓣膜的流-固耦合仿真結果

下面，我們看一看 Veryst 團隊根據心臟瓣膜模型中獲得的一些結果，此模型分析了流動模式、變化和滯留時間；心臟瓣膜周圍的回流；以及這些因素如何受瓣膜運動的影響。該模型亦可用于研究瓣膜材料中的應力和疲勞，以及血壓、剪切應力和變形。該團隊還發現，仿真能夠對心臟瓣膜的多個方面同時進行分析，例如血流速度、瓣膜變形和瓣膜中 von Mises 應力之間的相互作用。

模型結果（下圖）顯示，瓣膜周圍存在流動死區，且流體中發生了回流現象。這兩個因素均受到了瓣膜張開和閉合的影響。此外，瓣膜根部的應力很高。研究人員可以根據這些結果找出潛在問題，從而改進人工心臟瓣膜設計。需要注意的是，由于此示例僅用于演示對心臟瓣膜建模所能實現的大致效果，本文的結果并不完全符合實際情況。

心臟瓣膜張開（上）和閉合（下）的 FSI 模型。

如下圖所示，多物理場模型也可用于繪制動態的心臟瓣膜。

心臟瓣膜的動畫。動畫由 Veryst Engineering的 Nagi Elabbasi 提供。

FSI 建模改進醫療器械設計

上述案例表明了 FSI 仿真能夠幫助醫學研究人員實現哪些目標。借助此類模型，研究人員和工程師可以預測真實心臟瓣膜的性能，并利用這些信息來改進人工瓣膜的設計。Elabbasi 還提到“所有正在研究心臟瓣膜、推出相關產品（例如支架）或分析心血管疾病（例如動脈瘤）的醫療器械公司都應該采用 FSI 建模。”FSI 仿真提供的信息有利于優化醫療器械的設計，最終幫助更多患者治愈心臟疾病。

下一步操作

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