心臟瓣膜
關注創建者：用戶_10033 創建時間：2016-12-06
心臟瓣膜的實例教程
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。
展開 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 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
基于SolidWorks的機械人工心臟瓣膜結構設計與有限元分析.pdf
展開 LS-DYNA ICFD 心臟瓣膜模擬
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 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 
心臟瓣膜的最新內容
4.【2025年行業最佳實踐獎】居佳怡 | 復旦大學，K-Clip治療三尖瓣反流的數值仿真研究：數量與植入位置的影響分析：利用Ansys LS-DYNA和Fluent進行心臟瓣膜領域的有限元仿真，模擬術前狀態及3種植入策略，是Ansys在醫療健康領域的最佳應用示范。
3、心臟瓣膜疾病的評估與人工瓣膜優化
心臟瓣膜的狹窄或反流會導致血流紊亂，而人工瓣膜的設計需平衡血流動力學性能與并發癥風險。
應用場景：
天然瓣膜病變評估：模擬二尖瓣反流時的反流束形態、流速和壓力損失，量化瓣膜功能障礙程度，輔助判斷手術時機。
3、心臟瓣膜疾病的評估與人工瓣膜優化
心臟瓣膜的狹窄或反流會導致血流紊亂，而人工瓣膜的設計需平衡血流動力學性能與并發癥風險。
應用場景：
天然瓣膜病變評估：模擬二尖瓣反流時的反流束形態、流速和壓力損失，量化瓣膜功能障礙程度，輔助判斷手術時機。
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
最近研究了下心臟瓣膜仿真，先把自己簡單流程發出來。踩過的坑也比較多，也還有很多坑一直在填，可能就是某一個點沒對，撞了好多次墻才走對，所以希望有在做相關仿真工作的可以多多溝通，交流技術問題，共同填坑。
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。
據說實驗室正在使用SCFLOW&SCRYU/Tetra研究三個主要主題：
1、闡明由心臟瓣膜畸形引起的疾病的發病機理。
2、對腦動脈瘤搭橋手術的初步檢查的研究。
3、闡明鳥類呼吸器官的機制，以期應用于仿生學和生物分類學。
我們詢問了同一實驗室的中村正典副教授的詳細信息。
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。
3D 打印的骨科植入物、合成心臟瓣膜和骨骼改善了許多患者的整體生活質量。
●先進的醫療保健服務：3D 打印可以提供具有生物相容性的個性化醫用敷料材料。這些材料的柔韌性促進傷口快速愈合。使用3D打印開發的手術器械提高了手術的準確性。現在可以用3D打印技術制造微流體芯片。這些芯片可以檢測出人體的異常情況，并可用于實時診斷。
一種是闡明由心臟瓣膜畸形引起的疾病的發病機理。第二項是對腦動脈瘤搭橋手術的初步檢查的研究。第三是闡明鳥類呼吸器官的機制，以期應用于仿生學和生物分類學。我們詢問了同一實驗室的中村正典副教授（照片1）的詳細信息。
探索由心臟瓣膜畸形引起的血管疾病的致病機理
出口處有一個閥門，血液從心臟流到主動脈，以防止血液回流。該瓣膜通常由三個組成，但在稱為主動脈瓣二尖瓣外翻的疾病中，只有兩個瓣膜。
