人工心臟瓣膜的案例
基于SolidWorks的機械人工心臟瓣膜結構設計與有限元分析
人工機械心臟瓣膜是自然心臟瓣膜的替代物，隨著對人工心臟瓣膜血流動力學認識的深入，新材料的應用，人工機械心臟瓣膜計算機模擬、測試手段的提高，使得人工機械心臟瓣膜研究成為國內外新興研究的熱點之一。通過SolidWorks及其分析軟件COSMOSWorks進行新型三葉瓣的研究開發，分析機械心臟瓣膜的結構組成及設計要求進行瓣葉與瓣環的結構設計。對瓣葉選擇合適的網格化分，用COSMOSWorks軟件自帶求解器進行應力與應變分析。為進一步研制新型人工機械心臟瓣膜提供了一種參考方法
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展開 重獲“心”生——使用 COMSOL 軟件模擬心臟瓣膜開合
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。
展開 哈佛3D打印心臟瓣膜為提高人工膜瓣匹配度開辟道路
近期，哈佛大學的科學家們則將該技術應用到了受損心臟領域，這提供了一種可以保持動脈暢通、讓血液自由流動的潛在新工具。
心臟瓣膜置換術是一種相對常見但卻比較棘手的手術，外科醫生需要打開促進血液進出心臟的四個瓣膜中的一個。這些瓣膜可能停止正常工作的原因有很多，但其中一個特別常見的原因是鈣積聚在被稱為小葉的皮瓣上，正常情況下它在每次心跳時打開和關閉。
哈佛大學的研究人員指出，在75歲及以上的美國人中，每八個人中就有一個以上會經歷中到嚴重程度的心臟主動脈瓣堵塞。醫生通過導管小心地將人工瓣膜置入主動脈內來進行治療，這一過程被叫做經導管主動脈瓣置換術(TAVR)。然而要想確定正確的尺寸卻有點像猜謎游戲。
“如果你在網上買了一雙鞋，卻沒有先試穿過，那么它們很有可能不太合適，”哈佛大學維斯研究所資深研究科學家James Weaver解釋稱，“選擇合適的替代TAVR瓣膜也會出現類似的問題，因為醫生沒有機會在術前評估特定瓣膜的尺寸與患者的解剖結構之間的匹配程度。”
如果判斷錯誤后果將會很嚴重。如果人工瓣膜太小就會發生移位和泄漏的問題；如果人工瓣膜太大，則會導致心臟破裂甚至還可能會導致死亡。
科學家們目前確實有一些工具可供他們在準備過程中使用。通常情況下，患者需要接受CT掃描，其中X射線圖像將用于生成心臟的三維重建，但這仍舊只能描繪出部分圖像。雖然這些可以展示主動脈的外壁以及鈣的積聚，但由于小葉太薄無法顯示出來因此就很難預測出人工瓣膜的適應程度。
展開 [醫用高分子材料]
目前醫用聚氨酯被用于人工心臟、心血導管、血管涂層、人工瓣膜等領域。
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3.1模型介紹
本血流動力學實例突出了 ICFD 求解器的最強 FSI 能力。由于壓力差，心臟瓣膜小葉打開以允 許血液流動。然后，強烈的反壓迫使它們再次關閉，血流量減少。本案列中對于瓣膜和血管壁均采用超彈性材料模型，難點在于當瓣膜在壓力驅動下張開時，會帶動流體網格產生較大的變形，通常為避免網格拉扯出現負體積，一般結合動網格，例如Comsol動網格。但即便如此，仍會存在無法繼續計算的問題，下圖6展示為Comsol拉普拉斯動網格模型，并當網格質量較差時，打開網格重新劃分，但是即使這樣，當變形較大時，計算仍然停止了，上文介紹的ICFD網格自適應技術能夠很好的彌補這點缺陷。
注：Comsol依然強大，只是本人找不到合適的方法，在此沒有說明Comsol軟件能力弱
圖 6 Comsol動網格及網格重新劃分心臟瓣膜模擬
3.2模擬結果展示
圖 7 心臟瓣膜網格自動剖分展示
圖 8 心臟瓣膜仿真流場壓力展示
圖 9 心臟瓣膜打開模擬
展開 哈佛大學3D打印合成心臟瓣膜，可伴隨兒童一起生長，減少手術次數
南極熊導讀：風濕熱可能會損害兒童的心臟瓣膜，導致風濕性心臟病、中風和心力衰竭。如今，通過手術修復心臟瓣膜是可能的，但如果患者是身體仍在生長的兒童，問題就變得十分困難。有時，需要進行多次侵入性手術才能用更大的瓣膜進行替換，而生產人造心臟瓣膜的過程成本高昂且漫長。為了解決上述問題，來自哈佛大學的研究人員正在努力通過3D打印技術合成心臟瓣膜，該瓣膜能夠與年輕患者一起生長，從而消除額外的手術。
2023年7月，南極熊獲悉，哈佛研究團隊正在致力于創造這種革命性的兒童心臟瓣膜，稱為 FibraValve，可以在短短 10 分鐘內通過稱為 PLCL 的聚己內酯 (PCL) 和聚乳酸 (PLA) 的材料進行組合，使用聚焦旋轉噴射紡絲 (FRJS)的新方法進行 3D 打印，該技術允許將結構定制至納米級。
研究人員在研究中寫道：“不幸的是，目前的心臟瓣膜置換術并不能與孩子一起成長，因此需要在兒科患者的一生中重復進行高風險手術。FibraValves 采用可生物降解的聚合物纖維制造，允許患者的細胞附著和重塑植入的支架，最終構建一個可以與孩子一起成長并終生生活的原生瓣膜。”
研究主任Parker 和 Hoerstrup 近十年來一直致力于開發活的、生長的心臟瓣膜，并于 2017 年生產了他們的第一個合成心臟瓣膜 JetValve。這是使用早期版本的 FRJS 制造的，其中生物相容性合成聚合物通過噴嘴并紡成長納米纖維，這些纖維收集在閥門形狀的心軸上，以快速生產生物相容性閥門。兩人成功地將他們的 JetValve 植入了綿羊的心臟，該心臟能夠在那里正常工作并聚集活細胞再生新組織，但這仍有改進的空間。
對于新的 FibraValve，研究團隊設計了一個閥形框架，使用 FRJS 的同時添加了空氣噴射流，使框架充滿液體聚合物。
展開 基于dyna心臟瓣膜動力學仿真分析
從工程力學角度看：心臟是人體血液循環的動力裝置，而心臟瓣膜是能夠控制血液在心動周期內單向流動的控制原件，一旦心臟瓣膜病變或損壞，將危及患者的生命安全。生物瓣膜是挽救病人生命的有效手段。通過有限元方法對生物瓣膜進行動態力學性能分析,所得到的瓣葉在動態載荷下的應力分布更加接近真實情況,是瓣膜設計工作的有益嘗試,這為設計和優化生物瓣膜,提高其耐久性提供重要參考和依據,對生物瓣膜的研制、加工和性能評估工作具有重要的指導作用和現實意義。
1幾何模型及有限元模型
生物瓣膜由三片成軸對稱的瓣葉構成，直接由ansys建難度大，故以PRO/E的格式導入軟件并進行網格劃分,生成動態力學分析的有限元模型。如下圖
2材料參數
生物心臟瓣膜采用的是天然的牛心包或豬主動脈瓣,主要材料為心肌纖維,是一種非線性的粘性材料。結合實際，本文將其近為線性彈性材料,泊松比是0.45，彈性模量為5.4MPa，密度為1.1g/cm3。
3單元類型及算法的選擇
在對瓣膜進行動態載荷分析時,使用的是薄殼單元shell163，血流為流體，采用歐拉算法。總體上采用流固耦合算法。瓣葉與血管壁縫合邊,本文假設為全約束條件。瓣葉的自由邊,沒有對其進行約束。
4結果
（1）應力分布
（2）結果動畫
展開 3D打印人工心臟泵展示嵌入式磁鐵打印的應用
Petersdorff-Campen通過3D打印人工心臟泵原型展示了他的方法，稱為“嵌入式磁體打印”。這位博士生補充說：“我的目標不是制造一個好的心臟泵，而是要證明它如何一步到位地生產出來。”
嵌入式磁鐵印刷
根據Petersdorff-Campen的說法，用磁鐵進行3D打印的研究仍處于起步階段。作為蘇黎世心臟項目的一部分，研究人員決定通過創造一種幾何復雜且具有磁性的人工心臟泵來測試他的方法。因此，創建嵌入式磁體印刷以確認將磁體直接印刷到塑料中的能力。在該過程中，將磁粉和塑料混合并形成長絲。使用FDM技術，這些細絲被打印，因為噴嘴自動輸出計算機生成的形式及其各種組件。然后將印刷部件在外部磁場中磁化。塑料心臟泵原型總共花了15個小時進行打印。心臟泵原型的橫截面。深灰色的磁性元件清晰可見。
開發磁性3D打印材料
Petersdorff-Campen實驗過程中的主要挑戰之一是細絲的開發。添加到顆粒混合物中的磁性粉末越多，磁體越強，但這會導致最終產品更脆。“我們測試了各種塑料和混合物，直到長絲具有足夠的柔韌性以進行印刷，但仍具有足夠的磁力，”Petersdorff-Campen補充道。 Petersdorff-Campen的嵌入式磁鐵印刷工藝還獲得了美國人工內臟器官協會（ASAIO）的原型設計一等獎。盡管有實用價值，但由于各種批準程序，嵌入式磁鐵印刷已經面臨一些批評，因為其他人認為它不適合生產醫療器械。
“在材料和加工方面還有很多需要改進的地方; Petersdorff-Campen表示，我不希望植入這樣的設備。據說這種方法具有制造電動機的潛力，用于技術家用設備，計算機硬盤驅動器，揚聲器和微波爐。
展開 基于計算流體動力學仿真的離心式人工心臟泵葉片參數優化
基于計算流體動力學仿真的離心式人工心臟泵葉片參數優化[J].工具技術,2021,55(10):51-57.
Liu Zehui，Zhang Song，Qu Yifei. Blade Parameter Optimization of Centrifugal Artificial Heart Pump Based on Computational Fluid Dynamics Simulation，Tool Engineering, 2021,55(10):51-57.
1 引言
心力衰竭（Heart Failure，HF）是心臟疾病發展的終末階段，傳統藥物及電生理治療對終末期心衰療效不理想，而心臟移植被認為是最有效的治療方法之一。由于心臟供體的數量有限，無法滿足臨床需求，越來越多的學者把研究重點轉向以人工心臟泵為代表的機械循環輔助治療。根據治療目的，可以將人工心臟泵用于恢復期治療、移植過渡期治療和替代心臟移植的終點治療。
根據人工心臟裝置的驅動方式、血流形式以及工作原理，可以把人工心臟泵的發展分成三個階段：第一代的氣動式容積泵、第二代的軸流泵以及第三代的磁/磁液懸浮式離心泵，并且人工心臟泵逐漸向體積小、質量輕、溶血性能好、性能穩定的方向發展，但溶血與血栓等問題依然存在。衡量人工心臟泵性能的一個重要指標就是溶血性能，因此越來越多的學者探究不同結構人工心臟泵的溶血性能差異。
Kadir M.R.A.等對人工心臟泵的葉片高度和葉片與上蓋板的間隙兩個設計參數進行了研究，通過仿真表明，較大的葉片高度和較小的間隙會產生較高的溶血指數值，且與葉片高度相比，間隙對溶血有更明顯的影響。
展開 One Code, One Model | 一文詳解顯式有限元鼻祖Ansys LS-DYNA
之所以可以開展這些仿真，是因為LS-DYNA求解器能夠用一個求解器處理多階段、多尺度、多物理場問題，比如電動車電池的內部短路行為、高爾夫球棒擊球的噪聲、振動和粗糙度、汽車輪胎駛過水池的飛濺和打滑行為，甚至主動脈人工心臟瓣膜在血液泵送通過時的復雜啟閉行為。
起搏器→生物電→心室瓣膜→血液流動
LS-DYNA與Ansys Workbench的深入集成，將有助于優化多物理場產品設計和研發工作流程，以便充分利用電氣化、自動駕駛汽車和5G等顛覆性技術，因為這些技術將繼續從汽車、航空航天和通訊行業向外擴展，幾乎進入到各個行業。更大規模、更復雜的問題需要速度更快、更易獲取的解決方案，而這正是Ansys收購LSTC后為客戶所能提供的解決方案。Ansys收購LSTC后，雙方的客戶都期望實現更深入的技術集成。隨著Ansys進一步將LS-DYNA集成到Workbench中，客戶可以確保他們將處于公司決策流程的核心位置。
來源于：Ansys
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之所以可以開展這些仿真，是因為LS-DYNA求解器能夠用一個求解器處理多階段、多尺度、多物理場問題，比如電動車電池的內部短路行為、高爾夫球棒擊球的噪聲、振動和粗糙度、汽車輪胎駛過水池的飛濺和打滑行為，甚至主動脈人工心臟瓣膜在血液泵送通過時的復雜啟閉行為。
起搏器→生物電→心室瓣膜→血液流動
LS-DYNA與Ansys Workbench的深入集成，將有助于優化多物理場產品設計和研發工作流程，以便充分利用電氣化、自動駕駛汽車和5G等顛覆性技術，因為這些技術將繼續從汽車、航空航天和通訊行業向外擴展，幾乎進入到各個行業。更大規模、更復雜的問題需要速度更快、更易獲取的解決方案，而這正是Ansys收購LSTC后為客戶所能提供的解決方案。Ansys收購LSTC后，雙方的客戶都期望實現更深入的技術集成。隨著Ansys進一步將LS-DYNA集成到Workbench中，客戶可以確保他們將處于公司決策流程的核心位置。
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哈佛大學鎖志剛教授與西安交大盧同慶教授合作：韌性水凝膠在循環載荷下的裂紋敏感性
在許多承載的應用場景中，要求水凝膠能夠承受長期的循環載荷，例如，人工心臟瓣膜每年需要打開和關閉約3億次；膝蓋關節軟骨需承受幅值約2.5MPa的循環應力；透明揚聲器之類的水凝膠離子設備需要承受高頻振動；可拉伸的離子觸摸板需要承受周期性變形。在循環載荷作用下，水凝膠會表現出疲勞特征，包括模量、強度的退化，內部裂紋的成核和生長等。近年來，哈佛大學鎖志剛教授與西安交通大學軟機器實驗室團隊在水凝膠疲勞領域開展了深入的研究，在水凝膠疲勞性能的實驗測試與理論分析[1]、疲勞門檻值的提升策略[2, 3]、界面抗疲勞設計[4, 5]等方面取得研究進展。
圖1 兩種疲勞測試方法。(a)預置裂紋的試樣受到循環拉伸，記錄在不同能量釋放率下裂紋擴展的速率。(b)無預置裂紋的試樣受到循環拉伸，記錄在不同拉伸幅值λ下試樣循環直至斷裂的循環次數N。
材料的疲勞測試主要有兩大類方法。一種是在試樣中預置裂紋，施加循環載荷并記錄裂紋擴展速率（圖1a）。當施加的能量釋放率G低于疲勞門檻值Gth時，裂紋不擴展。從2017年開始，水凝膠疲勞測試主要基于這類方法，對所測試的各類水凝膠的疲勞門檻值進行實驗測試和理論分析。另一種疲勞測試方法是對不帶裂紋試樣進行循環加載拉伸至給定的拉伸比幅值λ或應力幅值，記錄其斷裂的循環數N（圖1b）。當施加的拉伸比低于疲勞極限拉伸比λe時，試樣被認為能夠承受無數次循環拉伸而不發生斷裂。本文采用第二類測試方法，以經典的雙網絡韌性水凝膠為對象，實驗測量并分析材料的λ-N曲線特征，重點關注不含裂紋的試樣的λ-N曲線和含不同裂紋尺寸的試樣的λ-N曲線的不同，如圖2所示。
展開 ChatGPT答CAE仿真相關十問
生物醫學：CAE 還在生物醫學領域找到了應用，用于設計和優化醫療設備（例如植入式設備）以及模擬生物系統（例如人類心臟）的行為。例如，CAE 可用于預測植入式設備（如人工心臟瓣膜）的長期性能，有助于確保其安全性和有效性。
能源：能源行業也采用 CAE 來設計、分析和優化能源系統，例如風力渦輪機和太陽能電池板。例如，CAE 可用于預測風力渦輪機的能量輸出并優化其設計，確保它們產生盡可能多的能量。
總之，CAE 的應用廣泛應用于從航空航天和國防到消費品和生物醫學的各個行業。CAE 已成為工程師必不可少的工具，使他們能夠更準確、更高效地設計、分析和優化工程系統。CAE 技術的持續發展可能會進一步增加其對廣泛行業的影響，為創新和改進提供新的機會。
Q4
請介紹一些主流的CAE數值仿真方法
及其適用問題。
有限元法 (FEM)：FEM 是一種數值模擬方法，用于求解描述物理現象（例如傳熱、結構力學和電磁學）的偏微分方程 (PDE)。
展開 生物醫用金屬材料現狀與進展
臨床上廣泛采用鈦與鈦合金制造人工關節部件、接骨板和螺釘等，還用于制成人造椎體（脊柱矯正器）、人工心臟（心臟瓣膜）、人工種植牙、心臟起搏器外殼等。
鎳鈦形狀記憶合金是一種在一定溫度下經過處理能夠塑性變形為另一種形狀，而在一定條件下又能自動恢復成原有形狀的形狀記憶合金。鎳鈦形狀記憶合金的疲勞極限較高，耐腐蝕性良好，其具有的獨特的形狀記憶恢復溫度與人體溫度相適宜，具有良好的生物相容性，因此在醫學領域得到廣泛應用。近年來，鎳鈦形狀記憶合金開始應用于心血管治療領域，鎳鈦形狀記憶合金支架可應用于冠心病的治療，具有較大發展前景。
鈦合金在生物醫用領域的應用呈快速發展的趨勢，結合國內外的研究現狀，其未來的發展方向為：
(1) 單晶生物醫用鈦合金，沿某一方向生長獲得的單晶材料可獲得接近人體骨骼的彈性模量，制作的植入體也會具有更好的彈性模量匹配；
(2) 超細晶低彈性模量、高強度鈦合金的生物相容性及產業化；
(3) 超彈性和形狀記憶功能醫用低彈性模量鈦合金的組織性能調控；
(4) 調節孔隙率的大小來降低生物醫用多孔鈦合金材料彈性模量的同時提升其力學性能。
展開 核 其實就在身邊
輻射加工的應用領域十分廣泛，包括醫療用品（金屬制品、塑料制品以及一次性使用的功能高分子材料醫療用品，如外科植入物、人工關節、心臟瓣膜、骨骼、牙科材料、手術創口縫合用品等）、食品（糧食類、果蔬類、熟肉類、冷凍畜禽類、調味品類、干果果脯、花粉、寵物食品等）、藥品（中成藥及其原料、醫藥制劑等），等等。
據調查，全世界收獲的農產品約三分之一在到達消費者之前就因腐敗和蟲害而損失。食品輻照技術是20世紀發展起來的一種滅菌保鮮技術；它為食品保藏與滅菌提供了非常有效的手段。全世界已有57個國家和地區批準了230多種食品品種輻照上市；全球每年食品輻照量超過40萬噸。
在醫學領域，放射性藥物與核醫學是核技術應用中最重要、最活躍的領域之一。在發達國家中，僅放射性藥物就占衛生保健支出的4%左右，放射性診療在整個衛生支出中占10%以上。全球核醫學業產值超過3000億美元，且年增長率達15%以上，盡管發達國家人口僅占全球的10%，其市場份額卻占約60%。
在工業領域，核儀器儀表是最早形成產業的核技術應用，據不完全統計，僅美、英、法、日等國擁有的核儀器儀表已超過百萬臺套。石油測井中的中子測井系統，它能直接給出地層巖性和油、氣含量；煤炭品質在線分析系統可實時給出元素含量；工業用γ無損探傷儀與大型檢測設備已得到廣泛應用。
轉自：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2014-10/16/content_280463.htm?div=-1
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