心臟瓣膜的案例
重獲“心”生——使用 COMSOL 軟件模擬心臟瓣膜開合
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 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
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不可壓縮流心臟瓣膜模擬 ￥199
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 
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 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 于超聲數據的3D打印技術在心臟領域的應用進展
2）心臟瓣膜病
心臟瓣膜結構精細，可以控制血液在心臟中的流動方向，具有重要的生理功能。引起心臟瓣膜病變的原因主要有先天性和后天性兩種，后者還包括風濕性、感染性及退行性等瓣膜病變。隨著醫學的發展，老齡人口的增多，退行性病變引起的瓣膜性心臟病患者逐年增多。
目前治療瓣膜性心臟病的方法不僅包括外科手術治療，還包括經導管主動脈瓣置入術等介入方法。為了確保手術的成功率，術前影像學的精準評估至關重要。瓣膜病患者心臟血流動力學受損，傳統的外科開胸手術下直視評估心臟瓣膜是在體外循環心臟停搏的情況下進行，微創或介入手術僅能看到有限或未直接暴露的瓣膜，均不能單獨評估瓣膜形態對瓣膜功能的影響，但3D技術打印出的心臟瓣膜模型可以提供體外血流動力學仿真模擬。
經食管超聲心動圖是獲取瓣膜動態圖像的常規方法，由于其三維圖像空間和時間分辨率較高，生成的動態三維圖像被認為優于傳統外科手術心臟停搏時的瓣膜圖像，因此三維超聲圖像可以作為3D打印的數據源。Mahmood等研究表明，應用超聲數據進行3D打印正常及病理的二尖瓣環模型較超聲圖像可以更詳細地傳達臨床信息，有利于臨床醫師評估瓣環病理改變及修復術后的變化。
Owais等通過基于超聲數據的3D打印技術打印出患者個體化的二尖瓣環，更好地評估了術前二尖瓣環幾何構造、大小及形狀。Mahmood等根據經食管超聲心動圖獲取二尖瓣的動態影像學數據，通過3D打印技術打印出二尖瓣收縮期及舒張期的實體模型，證實超聲圖像可以作為瓣膜3D打印的數據源，應用3D打印正常、缺血性及附帶黏液瘤的二尖瓣均可行。
Muraru等研究也證明基于三維超聲的數據可以打印患者個體化三尖瓣。Witschey等提出基于超聲數據的3D打印技術打印出二尖瓣模型可以實現二尖瓣成形術術前操作演練，從而制定合理的手術方案。
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。
制造器官？強生3D生物打印解決方案
這些項目包括生物假體植入式醫療設備，以及用于測試藥物功效和心臟毒性的新一代結構和復雜成分組織模型，還側重于組織和器官置換。
△FRESH? technology
南極熊獲悉，人體組織研究、修復和更換領域領導者FluidForm在2021年6月17日宣布，與強生醫療器械公司成員Ethicon, Inc. 簽署協議，使用FluidForm的FRESH技術發展3D生物打印。此次合作利用FRESH? 3D生物打印平臺實現傳統技術無法制造的特定組織。
△使用膠原蛋白打印的三葉瓣心臟瓣膜
FluidForm的首席執行官Mike Graffeo表示，Ethicon是外科領域的全球領導者，他們的3D打印中心在醫學應用方面處于行業領先地位。公司對FRESH技術產生的影響感到興奮，并很高興與Ethicon合作以實現更多目標。
△一種體外人體模型，可在臨床前發現過程的早期檢測復雜的心律失常，使藥物開發人員能夠確定最佳候選藥物以進行人體試驗并最終用于患者。
FRESH技術
為了構建人體組織，通常需要整合結構和功能：通過控制不同細胞類型、蛋白質和生長因子，以重建真實組織中復雜生理學。FRESH（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels）通過修改生物打印環境，可高分辨率3D打印人體天然蛋白質和細胞。技術的關鍵創新是在將打印步驟在支撐浴內進行。
△使用凝膠化學打印細胞和ECM蛋白（離子、pH、酶）。
在支撐浴中打印可以物不會變形。
展開 左心室瓣膜流固仿真
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。
CT模型:Mimics（專業醫學影像軟件）
模型處理：Geomagic（Stl文件終結者）
建模：CATIA（強大曲面建模能力，處理生物結構曲面友好）
仿真：Abaqus+Xflow（流固耦合），圖里是為了調模型結構用Abaqus粗搭的一個工況，因為CT模型還不是很精確，只能手動一點點修正
基于Cradle從工程學角度預測血管和氣管的流量并研究生物
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。這是一種先天性畸形，發生在千分之一的人中，但是大多數人大部分時間都沒有被注意，因為他們可以毫無問題地生活。但是，在30年代和50年代，瓣膜末端的部分主動脈腫脹并比正常人更容易變成主動脈瘤。中村副教授正在與自治醫科大學附屬的埼玉醫學中心和自治醫科大學心血管外科共同合作調查原因。在這種情況下，有兩種可能的主動脈瘤原因。一種理論認為血管可能存在某些遺傳問題，因為從一開始就存在某種遺傳缺陷。另一種可能性是由于主動脈瓣膜疾病引起的血流模式改變導致主動脈瘤。可能是這兩者之一或兩者都是原因。
Nakamura等人正在研究由流量變化引起的設想進行驗證。圖1顯示了基于醫學圖像（例如實際患者的CT和MRI）創建的模型，并通過SCFLOW&SCRYU/Tetra進行了分析。由于某些MRI可以獲取血流的速度分布，因此可以創建與個人血液狀況相結合的模型。
從圖1可以看出，在正常情況下，流線沿著血管順暢地流動，并且壁面剪切應力不高。另一方面，在兩個閥的情況下，已知閥總是由于未知原因而被鈣化。因此，瓣膜難以打開，并且血流變成射流并且與血管的壁表面碰撞。可以看出，壁面剪切應力由于靠近碰撞點的強血流而增加。由于已知細胞會因摩擦力而失去功能，因此在壁面剪切應力較大的地方可能會發生異常。
圖1通過scflow&SCRYU / Tetra模擬從瓣膜血管中的血流。
展開 
案例分析 | 從工程學角度預測血管和氣管的流量并研究生物
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。
埼玉大學大學院理工學系機械科學系
生物力學研究室副教授中村正典先生
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。這是一種先天性畸形，發生在千分之一的人中，但是大多數人大部分時間都沒有被注意，因為他們可以毫無問題地生活。但是，在30年代和50年代，瓣膜末端的部分主動脈腫脹并比正常人更容易變成主動脈瘤。中村副教授正在與自治醫科大學附屬的埼玉醫學中心和自治醫科大學心血管外科共同合作調查原因。在這種情況下，有兩種可能的主動脈瘤原因。一種理論認為血管可能存在某些遺傳問題，因為從一開始就存在某種遺傳缺陷。另一種可能性是由于主動脈瓣膜疾病引起的血流模式改變導致主動脈瘤。可能是這兩者之一或兩者都是原因。
Nakamura等人正在研究由流量變化引起的設想進行驗證。圖1顯示了基于醫學圖像（例如實際患者的CT和MRI）創建的模型，并通過SCFLOW&SCRYU/Tetra進行了分析。由于某些MRI可以獲取血流的速度分布，因此可以創建與個人血液狀況相結合的模型。
從下圖（圖1）可以看出，在正常情況下，流線沿著血管順暢地流動，并且壁面剪切應力不高。另一方面，在兩個閥的情況下，已知閥總是由于未知原因而被鈣化。因此，瓣膜難以打開，并且血流變成射流并且與血管的壁表面碰撞。
展開 課程清單初稿總覽
課程計劃清單（初稿）
●乘用車前防撞梁前碰CAE仿真
●乘用車發動機罩模態CAE仿真
●汽車前/后端保護裝置CAE仿真
●白車身彎/扭剛度CAE仿真
●汽車后排座椅行李箱沖擊CAE仿真
●行人保護CAE仿真（成人/兒童頭、柔性小腿/大腿、APLI新腿）
●乘用車正面100%重疊剛性壁障CAE仿真（正碰）
●乘用車正面40%重疊可變形壁障CAE碰撞仿真（ODB）
●乘用車側面碰撞（AE_MDB）
●乘用車正面50%重疊可變形壁障CAE碰撞仿真（MPDB）
●乘用車車頂抗壓CAE仿真
●乘用車約束系統CAE仿真
●汽車座椅安全帶固定點強度CAE仿真
●汽車頭枕強度CAE仿真
●汽車ISOFIX強度CAE仿真
●汽車座椅靠背前度CAE仿真
●乘用車轉向管柱壓潰CAE仿真
●LS-DYNA，SPH方法CAE應用和實例解析
●LS-DYNA聚能射流聯合裂紋擴展CAE仿真
●LS-DYNA流固耦合法CAE仿真（水上迫降、水下爆破、降落傘展開）
●LS-DYNA人體生物力學CAE仿真（骨骼、皮膚、軟組織、血管、心臟瓣膜）
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汽車工業
汽車空氣動力學
熱管理，通風，空氣調節（HVAC）
發動機冷卻
燃燒室設計
氣體在汽缸和排氣系統中流動分析
航空
飛機，機翼，航空發動機的空氣動力學分析
噴氣推進器模擬
飛機起飛降落模擬
水上飛機
水上機身附近空氣和水流動模擬
飛機起飛降落在水上模擬
核能反應
核反應堆中熱和質量轉移模擬
熱和導電介質的計算
超音速應用
巡航導彈空氣動力學分析
火箭空氣動力學分析
火箭發動機空氣動力學分析
噴氣推進器對發射臺的影響模擬分析
船艦
船在水中的阻力分析
船的航行分析
螺旋槳的特性分析
渦輪機械
渦輪和泵的壓縮特性分析
渦輪機內部的聲壓和振動分析
發電機
爐膛內燃料的燃燒計算
燃料和空氣內混合模擬
進氣歧管內壓降計算
金屬鑄造
液態金屬填充分析
液態金屬凝固分析
醫學
心臟瓣膜模擬
洗眼過程模擬
鼻腔內氣流模擬
微電子
清潔室通風模擬
卡盤抓取芯片模擬
FlowVison特點：
1、支持所有的CAD格式(parsolid,UG,PRO/E,CATIA,STEP,IGES等)和CAE格式（ANSYS，NASTRAN,ABAQUS，VRML，STL等）的導入。
2、自動生成網格不需要手動劃分；
3、采用自適應網格技術和自適應求解技術
4、以VOF的方法處理二相流，Free Surface問題；
5、擅長處理流固耦合問題（Fluid-Structure-Interaction）；
6、 擅長處理流體上的移動物Moving Body問題
展開 LS-DYNA? ICFD白皮書
心臟瓣膜模擬.... 12
4. 鑄造模擬.... 13
5. 風力發電翼片外流場分析... 13
6. 液晃模擬.... 14
7. 海浪對樁作用.... 14
8. 熱壓板水冷分析.... 14
9. 牛頓流擠壓分析.... 15
10. 返回艙入水分析.... 15
11. 離心泵分析.... 15
12. 凸輪泵模擬.... 16
詳細內容，敬請下載：
LS-DYNA? ICFD白皮書
