机械心脏瓣膜(MHV)是治疗心脏病的有效装置!

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机械式心脏瓣膜(MHV)是治疗心脏病的有效装置,具有寿命长、可靠性高的优点。由于血液的血流动力学特点,机械式心脏瓣膜可能会导致潜在的并发症,如溶血,对血液元素有损伤和血栓形成。本文分析了血液在瓣膜中的流动特征,研究了胆瓣机械心脏瓣膜(BMHV)的空化机制。结果表明,水锤效应和高速漏流效应是造成瓣膜空化的主要原因。与高速漏流效应相比,水锤对空化强度的影响更大。阀门在一个心脏跳动周期内,要经历四种工作状态,包括,全开阶段、关闭阶段和全闭阶段。这四个阶段分别占总周期的8.5%、16.1%、4.7%和70.7%。气蚀发生在完全关闭阶段。当阀门处于关闭阶段时,阀门下游的高压持续约20ms,高速泄漏流持续约200ms。


相关论文以题为“Transient Study of Flow and Cavitation Inside a Bileaflet Mechanical Heart Valve”发表在《Applied Sciences》上。


机械心脏瓣膜(MHV)是治疗心脏病的有效装置!


瓣膜性心脏病是全球1亿多人的重大健康问题,死亡率较高。根据以往的研究,由于退行性疾病和风湿热的病理负担不断加重,这类疾病的发病率将持续上升。在瓣膜性心脏病的治疗中,使用寿命长、性能可靠的胆瓣机械心脏瓣膜(BMHV)在生物医学领域对瓣膜性心脏病的治疗产生了巨大的影响,已成为最常用的治疗设备。BHMV通常是植入心脏,以替代病变的心脏瓣膜。虽然BHMV在临床研究中得到了广泛的应用,但仍存在缺陷,并引起主要的并发症,包括溶血、血小板减少和血栓栓塞。此外,瓣膜的非生理性几何形状也会导致心脏瓣膜植入后血流速度分布异常。


瓣膜的研究主要关注的是瓣膜的性能和内部流动特性。为了研究机械式心脏瓣膜的流体力学特性,基于CFD的数值模拟是研究心血管危险因素,特别是与人工心脏瓣膜机械性能相关的因素的有力工具之一。它是通过结构优化来改善瓣膜性能的有效方法,适用于许多瓣膜+(如特斯拉瓣),BMHV也不例外。在过去的几年中,许多关于BMHV几何特征对血流影响的工作都是通过模拟来进行的。例如,研究发现在血小板活化范围内的最大剪切应力会导致血栓形成。在商业软件中采用自适应网格的策略,通过用户自定义函数(UDF)来捕捉瓣膜小叶的运动实现。研究发现,瓣膜小叶和瓣膜枢轴持续承受高于52.3Pa的剪切应力,会对血小板造成损伤。通过增大胆瓣机械式心脏瓣膜的瓣叶曲率可以解决血栓形成的问题。


结果表明,增加小叶的曲率可以提供更大的中心循环面积,可降低血栓形成的风险。另一种方式是通过使用SH涂层的BMHV来减少血液与BMHV之间的相互作用。根据带SH涂层的BMHV对血液物质和血流动力学的影响分析,基于ISO-5840/2005指导文件,带SH涂层的BMHV的性能指标,即有效孔径面积(EOA)增加2.5%。采用不同的模型来预测BMHV的血流动力学。基于应力型模型的结果比基于应变型模型的血液损伤水平更高。此外,FSI模型可以更好地捕捉到瓣膜的快速开放运动和关闭运动及其与Valsalva窦内血液的相互作用。在体外模型中,通过模拟生理机制的自我调节装置来调节血流,整个装置是基于心肌在心动周期中的收缩和放松。关于体外模型的研究表明,体外模型适合于同时测量所有不同的血流动力性能。


几何模型


胆瓣机械式心脏瓣膜的结构与圣裘德医学瓣膜相似,如图1所示。胆瓣机械心脏瓣膜主要由瓣膜外壳和两个瓣叶组成。两片叶子通过铰链与阀壳连接。叶片的材料密度为2.116×103 kg/m3,内径为22.3 mm,上游管道直径为25 mm,长度为16.5 mm,下游管道长度为50 mm。


机械心脏瓣膜(MHV)是治疗心脏病的有效装置!


图1.机械式心脏瓣膜和网格分区的结构。


数值模型


如图1所示,将流道分为三部分生成网格。在进、出口部位选择相对较粗的网格,在阀叶附近采用相对较密的网格。小叶移动时的网格重新生成方法如下图所示。


当最新计算结果与上次计算结果之差小于设定的收敛准则时,认为当前时间步计算收敛,进入下一时间步计算。各时间步的网格更新过程中的详细计算过程如图2所示。为了充分揭示血液在MHV中的流动特性,本工作采用软件FLUENT。入口边界条件为压力入口,出口边界条件为压力出口。在小叶壁上施加了无滑移边界条件。血液被认为是不可压缩的牛顿流体,密度为1.06×103 kg/m3,动态粘度为3.5×10-3 Pa-s。饱和蒸汽的压力为6.343×103Pa,这与37.5℃时的水一致。假设流动为层流,心率70 bpm时的边界条件采用分段应用法加载。


机械心脏瓣膜(MHV)是治疗心脏病的有效装置!


图2.机械式心脏瓣膜中流体流动的计算过程。


胆囊式机械心脏瓣膜的流量特性


图3显示了小叶的运动情况。最初,阀的小叶处于关闭阶段。当进口压力迅速增加并高于出口压力约0.155 s时,小叶开始打开。当时间达到约0.219 s时,叶子达到全开阶段。当时间达到约0.35 s时,由于出口压力高于进口压力,小叶开始关闭。这四个阶段,分别占总时间的8.5%、16.1%、4.7%和70.7%。可以发现,阀门的关闭时间比开启时间短。这是由进口压力和出口压力差引起的。压力差越来越大,导致阀门小叶在关闭过程中高速。


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图3.小叶子在循环和流线中的运动。循环中的阀叶运动和流线。


图4为阀门小叶运动过程中不同时间在中间平面上的速度分布。时间a表示小叶处于开启过程;时间b表示阀门刚刚达到完全开启阶段;时间c表示入口压力刚好等于出口压力;时间d表示阀门开始关闭;时间e表示小叶即将完全关闭。


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图4. 通道中间的速度变化。


从图4可以看出,由于两个小叶子的存在,模型内的流动像三个孔道流。在小叶旋转初期,两侧孔道流速高于中间孔道流速。当小叶接近完全打开阶段时,中间孔道的流速明显增大,且大于侧孔道的流速。同时,作用在小叶上的力减小,所以小叶的运动速度减小。当出口压力大于进口压力时,机械心瓣开始关闭,血管内的流速开始降低。当小叶处于关闭阶段时,阀后的流体基本被小叶堵塞,小叶与阀壳之间有较强的漏流。


结论


基于无源动态网格方法,研究人员对MHV进行了瞬态分析。通过监测阀门关闭瞬间的自运动和阀门内的流量,研究了血液在周期性运动过程中的流动特性,系统分析了气蚀出现的原因。实践证明,这种方法在数值计算过程中比较稳定。一个心动周期中,瓣膜要经历开启阶段、完全开启阶段、关闭阶段和完全关闭阶段,四个阶段分别占总周期的8.5%、16.1%、4.7%和70.7%。胆瓣机械式心脏瓣膜的空化主要与高速漏流通过瓣叶与瓣壳之间的间隙以及水锤效应有关。窦部空化的发生和强度可以用阀门关闭瞬间小叶旋转的最高速度来表征。阀门关闭瞬间小叶旋转速度越高,窦处发生气蚀的可能性越大。本研究揭示了BMHV在不同工况下的基本流动特性,对BHMV及类似阀门的气蚀抑制有参考价值。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/7/2548/htm



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