一天中的平均人心脏跳动约100,000次。每次跳动时，心脏内的四个阀门都打开和关闭，通过其腔室单向运输血液。通过模拟心脏瓣膜，医学研究人员可以研究其行为以解决各种心脏健康问题。例如，来自Insulst Engineering的团队使用ComsolMultiphysics®软件建模了心脏阀门的打开和关闭。
通过模拟推进心脏瓣膜研究
人心脏中的四个瓣膜足够灵活，可以完全打开，使血液通过心脏向一个方向流动，并紧密闭合，密封心脏腔室并防止回流。但是，由于瓣膜心脏病，瓣膜无法正常运行，这可能会导致严重的心脏健康问题。结果，研究心脏瓣膜是一个重要的研究领域。
心脏的示意图。Wapcaplet的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。
心脏瓣膜研究最近的一个进步是发展世界上最小的机械心脏阀。这是一项重要的成就，因为每年在美国，就有35,000多名婴儿出生于先天性心脏缺陷。对于其中一些新生儿，缺陷导致需要手术才能修复的心脏瓣膜故障。
当然，最小批准的阀门的创建只是心脏瓣膜研究中创新的一个例子。这个领域也引发了团队的兴趣非常工程是Comsol认证顾问，他曾与客户解决类似的现实问题。为了进一步推进心脏瓣膜研究，该团队受到启发，创建了心脏阀的示例模型。这样的模型可以用作宝贵的设计工具，并向医学研究人员提供重要信息。
建模comsolMultiphysics®中心脏阀的开口和关闭
如您所料，对人心脏瓣膜进行建模可能很困难且计算昂贵。首先，此问题涉及强烈耦合的流体结构相互作用（FSI），而移动和变形的结构与流动的流体相互作用。此外，准确说明非线性材料行为，接触建模和流体网状运动非常重要。
为了应对这一挑战，纳吉·埃拉巴西（Nagi Elabbasi）（非常出色的团队成员）使用了comsol多物理学，称该软件提供了“捕获所有涉及的耦合效果的独特功能”。Elabbasi使用Comsol多物理学创建了一个简单的例子，以突出工程师如何克服建模现实心脏瓣膜并预测其行为的挑战。
在此模型中，心脏瓣膜响应流体流动而打开并关闭。对这一运动进行建模并不容易，因为Elabbasi指出：“该模型中的主要挑战是心脏阀门的关闭并准确地代表阀门的物质行为。”这提出了一个问题，因为当心脏阀关闭时，流体网格可能会塌陷。为了避免过度的网格失真，团队选择使用Comsol®软件中的高级网格控制功能。
心脏瓣膜中流体结构相互作用的仿真结果
现在，让我们看一下从他们的心脏阀模型中获得的团队的一些结果，该结果分析了流程模式，变化和停留时间；心脏瓣膜周围的流动再循环；以及这些因素如何受阀的运动影响。还可以使用该模型研究瓣膜材料中的应力和疲劳，以及血压，剪切应力和变形。该团队还发现，模拟使他们能够一次分析心脏瓣膜的多个方面，例如血速，阀变形和瓣膜中的von Mises压力之间的相互作用。
模型结果（如下所示）表明，阀周围有死流动区，并在流体中再循环。这两个因素都受阀门的开放和关闭影响。另外，阀的根部具有较高的应力。研究人员可以使用这些结果来识别潜在的问题并改善人造心脏瓣膜的设计。请注意，由于此示例只是为了证明建模心脏阀时可以实现的目标，因此这里看到的结果并不完全现实。
心脏阀门开口（左）和关闭（右）的FSI模型。
如下示例所示，多物理模型也可用于可视化心脏阀。
心脏阀的动画。动画提供的纳吉·埃拉巴西（Nagi Elabbasi）非常工程。
通过FSI建模改进医疗设备的设计
此示例显示了使用FSI模拟可以实现的医学研究人员。使用此类模型，研究人员和工程师可以预测真实心脏瓣膜的行为，并有可能使用此信息来改善人工设计的设计。Elabbasi还提到：“ FSI建模应由从事心脏阀，提供相关产品（例如支架）或分析心血管疾病（例如动脉瘤）的所有医疗设备公司进行。”乐动体育app无法登录通过此类模拟提供的信息将有助于改善医疗设备的设计，从而使它们在治疗疾病方面更有效。
下一步
- 在博客上查看模拟的其他医学应用：
评论（2）
chen
2019年4月16日这个模型是在Comsol模型画廊中吗？
Ankush Pratap singh
2020年1月28日在心脏阀设计的FSI时，我需要有关网格设置的帮助。