人体心脏瓣膜建模技术与流固耦合模拟仿真：细节与要点剖析
- 作者优秀
- 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
- 平台推荐
- 内容稀缺
导读：在整个心脏模拟研究中，存在很多富有挑战的技术难关，个人认为基于主动项+被动项的各项异性材料本构模型、瓣膜建模技术、瓣膜启闭的流固耦合模拟，是这其中最有挑战的技术。在这期文章中，会主要涉及瓣膜建模技术和瓣膜启闭的流固耦合模拟这两个方面。感兴趣的朋友可以关注1月9日20时，我在仿真秀视频直播讲解《基于自主耦合算法的主动脉瓣膜流固耦合计算》技术交流，支持反复回看。
一、写在文前
首先，大家可能存在这样的疑问，瓣膜建模会不会和心脏的腔室构建一样，其轮廓通过医学影像确定，由此建立瓣膜的几何模型。实际上，类似瓣膜这种尺寸较小的结构特征、并处于不断开启关闭的动态过程中，医学影像很难捕捉到CAE建模的初始形态的图像。CAE建模的初始形态，一般是指瓣膜关闭的状态，此时，瓣膜内部应力水平相对最小，最接近CAE通常需要假设的零应力状态。
关于瓣膜区域的流固耦合计算，难度主要在于两个方面。首先是瓣膜中的瓣叶是生物学演化的、敏感的压力感受器。瓣叶变形\运动与流场压力之间相互影响和依赖的精确计算是瓣膜仿真的基础。其次，瓣膜关闭和完全打开动态过程中，瓣膜结构运动显著。当流场中与瓣叶耦合采用边界方式，瓣膜区域的流场网格会随着瓣叶运动而变形，流场网格需要变形和重新划分，这对流场求解器的相关能力带来挑战。为了避免流场重划分，有些软件会采用浸没边界方法处理流固耦合问题，但这种方法固有缺陷是无清晰的物质边界，降低耦合界面处的计算精度。
二、瓣膜建模技术
瓣膜形态为生物学演化而来的，实现了最优的血液流动控制。在个体年龄不同阶段，瓣膜尤其是瓣叶会发生形态变化，这种瓣膜老化是很多疾病的根源，也是瓣膜修复和人工瓣膜研发的主要依据。
不同年龄段主动脉瓣膜的形态对比
在上图中，可观察到60岁的瓣叶在nodule位置明显增厚、瓣窦空间增大，导致瓣膜局部弯曲变形延后，从而降低瓣膜开度降低。除此之外，还需说明的是，年龄增长不仅带来形态变化，瓣叶弹性也会降低，因此会进一步降低瓣膜的性能。
前面提到，瓣膜建模很难采用影像数据，可行的是参数化建模方法，下图是国内某公司提供的瓣膜建模方法，这种方法可快速得到整个瓣膜的计算网格，且网格为质量可靠的六面体单元。
主动脉瓣参数化建模方法
上述方法具有以下功能：
（3）生成的模型可接入整个心脏、或其它大血管流固耦合分析模型
三、隐式流固耦合计算方法
隐式耦合计算方法，是指针对流固耦合动态响应模拟时，流场、结构、耦合附加方程的计算，都在隐式框架内进行。这种方法最大特征是，通过多次迭代获得某个时刻的流场、结构、耦合附加方程的逼近解。
相对于显式耦合计算，隐式耦合计算的主要优点是理想的精度、无条件稳定的高效率，因此，隐式耦合计算目前是CAE领域的主流方案。
在CAE流固耦合主流软件中，Ansys Workbench、Comsol、ADINA等都基于隐式进行耦合计算，Ls-dyna主要采用显式算法，且对于瓣膜问题，会采用浸没边界方法进行建模。
本文采用严肃的耦合界面方法对瓣膜进行建模、使用国内某公司开发的耦合算法PERA SIM Multiphysics模拟瓣膜打开过程。这种耦合算法，可调用主流的流场和结构求解器，采用隐式算法完成流固耦合的计算。
在此模型计算中，流场采用fluent软件求解。
因耦合计算采用隐式算法，可采用较大的时间长0.005秒，瓣膜从开始到完全打开，仅需要大约35个时间步完成计算。
fluent所提供的dynamic mesh中的remesh功能可轻松处理流场的网格重划分。
fluent计算网格的初始网格
瓣膜开启后的网格
四、主动脉瓣膜流固耦合计算技术交流
本文主要目标是探索更佳的瓣膜流固耦合计算方法，为更复杂的心脏、大血管研究课题做技术储备。
首先，瓣膜采用参数化建模方法创建，具备表达其生物学形态的计算模型。采用自主技术的隐式耦合算法，联合大家熟悉的工具软件fluent和adina（或abaqus、ansys mechnical）作为求解器，可实现严谨、高效的耦合计算。感兴趣的朋友可以关注1月9日20时，我在仿真秀直播做《基于自主耦合算法的主动脉瓣膜流固耦合计算》技术交流，欢迎点赞，收藏和转发到朋友圈收藏，支持反复观看 。
以下是讲座安排：
2025新年仿真技术应用（一）：生物力学之基于自主耦合算法的主动脉瓣膜流固耦合计算-仿真秀直播
仿真秀读者福利
领仿真资料包和交流
