基于ANSYS/LS-DYNA的生物瓣膜动态力学性能分析

摘要

从工程力学角度讲，心脏是人体血液循环的动力装置，而心脏瓣膜是能够控制血液在心动周期内单向流动的控制原件，一旦心脏瓣膜病变或损坏，将危及患者的生命安全。目前研究现状显示，除了采用药物进行辅助治疗外，对患者进行人工瓣膜置换手术是挽救病人生命的有效手段。人工心脏瓣膜主要有机械瓣膜和生物瓣膜两种，相对于目前在临床应用上占主导地位的机械瓣膜，生物瓣膜具有的血流动力学性能好、不必终生抗凝、血栓栓塞发生率低以及与瓣膜有关的并发症少等优点使其在应用中的比重逐年提高。然而，由于瓣叶机械应力过大、联合部位应力集中等因素导致的瓣叶撕裂及钙化使得其与人体天然心脏瓣膜仍有较大差距。因此，对生物瓣膜进行力学性能的评价，提供可靠的生物瓣膜力学分析在设计和改进生物瓣膜的研究中具有重要的意义和价值。
　　 将现代设计理论与技术应用于生物瓣膜力的设计研究中，是设计性能优良、耐久性好的生物瓣膜的有效途径和方法。本文以薄膜壳理论和心瓣流体力学理论为依据，提出四种生物瓣膜数学模型（圆柱面、旋转抛物面、圆球面和椭球面）。利用CAD软件PRO/E构建生物瓣膜三维实体参数化模型，并根据由动脉压和心室压绘制出的作用在瓣膜上的接近实际环境的动态载荷曲线，在ANSYS/LS-DYNA中对瓣膜加载动态冲击载荷以进行有限元分析，来模拟心脏舒张末期血液对瓣膜的冲击效应。
　　 实验结果表明，在动态载荷的作用下，生物瓣膜模型的最大应力和应力集中出现在瓣叶与瓣架的缝合区域附近，与临床资料显示的组织钙化和瓣叶撕裂区域相符；四种瓣型的生物瓣膜力学性能分析显示，圆球面和椭球面的生物瓣膜模型动态力学性能优于圆柱面和旋转抛物面瓣型的生物瓣膜模型；对不同厚度的生物瓣膜模型进行动态力学性能分析得出0.5mm厚的生物瓣膜模型动态力学性能优于0.4mm厚的生物瓣膜模型。
　　 通过有限元方法对生物瓣膜进行动态力学性能分析，所得到的瓣叶在动态载荷下的应力分布更加接近真实情况，是瓣膜设计工作的有益尝试，这为设计和优化生物瓣膜，提高其耐久性提供重要参考和依据，对生物瓣膜的研制、加工和性能评估工作具有重要的指导作用和现实意义。