一种基于ANSYS/Workbench人工心脏瓣膜力学性能优化的分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种一种基于ANSYS/Workbench人工心脏瓣膜力学性能优化的分析 方法。
【背景技术】
[0002] 心瓣瓣膜的病变将损害血液动力学性能，影响人体正常的血液循环。自从1960采 用人工瓣膜置换性能不良心瓣的手术成功后，已有上千万的患者进行了置换心瓣手术，从 而延长了病人寿命。由于生物瓣膜具有较好的血流动力学性能，不需要终身服用抗凝药物 以及血栓栓塞的几率低等优点，在临床中得到广泛应用。多年来，研宄人员们一直致力于研 制性能更为优良的心瓣，但目前生物瓣的功能与天然心脏瓣膜仍存在着较大差别。患者置 换心瓣后，由于生物瓣膜的结构退化使心瓣损坏从而降低心脏瓣膜的使用寿命。应力集中 是生物瓣膜结构退化的主要原因之一。
[0003] 因此，分析血液与生物瓣膜之间的耦合问题，优化生物瓣膜的构型，详细的了解心 瓣的应力分布等，这对了解瓣膜失效的原因、瓣膜几何参数的优化设计具有十分重要的理 论价值和现实意义。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于ANSYS/Workbench人工心脏瓣膜力学 性能优化的分析方法，本方法以心瓣流体动力学为依据，阐明了流体域（血液）与固体域 (人工心脏瓣膜）相互耦合的理论，通过构建生物瓣膜的流固耦合有限元模型，进行了生物 瓣膜的流固耦合分析。以人体天然心瓣构型为原型，结合目前研宄领域的瓣叶参考型面，选 用圆球面、圆柱面、旋转抛物面和椭球面四种旋转曲面为生物瓣膜原型参考面，本发明提供 了分析不同生物瓣膜瓣型力学性能优劣的分析方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种基于ANSYS/Workbench人工心脏瓣膜力学性能优化的分析方法，包括以下步 骤：
[0007] (1)基于流体域与固体域相互耦合，构建流体控制方程、固体控制方程，确定流固 耦合界面，计算作用在瓣膜瓣叶上的力；
[0008] (2)基于ANSYS/Workbench，对血液与三片瓣叶之间的相互作用进行流固耦合动 态力学性能分析；
[0009] (3)以圆球面、圆柱面、旋转抛物面和椭球面四种旋转曲面为生物瓣膜原型参考 面，分析不同生物瓣膜构型的力学性能，并进行对比。
[0010] 所述步骤（1)中，因固体域与流体域在空间中不存在重叠部分，因此只能在瓣叶 与血液的交界面上发生流固耦合作用，因为瓣膜本身没有主动收缩的能力，瓣叶的开闭完 全取决于血液及瓣环伸缩对瓣叶的牵拉力，流体域与固体域相互耦合的理论阐明了在耦合 面上流体节点的力作用于固体节点上，从而推动固体的运动。
[0011] 所述步骤（1)中，构建流体控制方程的方法为：
[0012] 血液为不可压缩的液体，故血液的流体域采用不可压缩的Navier-Stokes流体 控制方程来描述：：
【主权项】
1. 一种基于ANSYS/Workbench人工心脏瓣膜力学性能优化的分析方法，其特征是：包 括以下步骤： (1) 基于流体域与固体域相互耦合，构建流体控制方程、固体控制方程，确定流固耦合 界面，计算作用在瓣膜瓣叶上的力； (2) 基于ANSYS/Workbench，对血液与三片瓣叶之间的相互作用进行流固耦合动态力 学性能分析； (3) 以圆球面、圆柱面、旋转抛物面和椭球面四种旋转曲面为生物瓣膜原型参考面，分 析不同生物瓣膜构型的力学性能，并进行对比。
2. 如权利要求1所述的分析方法，其特征是：所述步骤（1)中，因固体域与流体域在空 间中不存在重叠部分，因此只能在瓣叶与血液的交界面上发生流固耦合作用，因为瓣膜本 身没有主动收缩的能力，瓣叶的开闭完全取决于血液及瓣环伸缩对瓣叶的牵拉力，流体域 与固体域相互耦合的理论阐明了在耦合面上流体节点的力作用于固体节点上，从而推动固 体的运动。
3. 如权利要求1所述的分析方法，其特征是：所述步骤（1)中，构建流体控制方程的方 法为： 血液为不可压缩的液体，故血液的流体域采用不可压缩的Navier - Stokes流体控制 方程来描述：：
上式中?为血液中任一点的速度向量；p为血液密度；μ为血液的黏度；P为血液的 压力；F为作用于血液的体积力，人体提供给血液；t为时间；^为当前组态的梯度算子； 为了简化计算，对上式进行无量纲化：
上式中Re为雷诺数，Re = P fUL/ η，U为流体的流速；P f为流体密度；η为黏性系数， L为特征长度，f为人体作用于血液的体积力。
4. 如权利要求1所述的分析方法，其特征是：所述步骤（1)中，构建固体控制方程的具 体方法为： 固体控制方程描述的是在流体力的作用下固体的变形，针对血液与瓣膜的问题，定义 固体即瓣膜为非线性弹性材料，瓣膜的受力方程：
上式中p 固体的密度；p f为血液密度；f为固体的加速度；_2_sS结构的应力张 量；?为作用于固体的体积力。
5. 如权利要求1所述的分析方法，其特征是：所述步骤（1)中，确定流固耦合界面的方 法为： 流体与固体的相互作用部分为耦合面Γ sf，耦合面具有速度连续性和表面力连续性，因 此，耦合面的位置：
上式中以瓦0为水平集域，f为瓣叶的位移。 耦合面的速度及加速度：
上式中^7为耦合面上血液的速度；^为耦合面上瓣叶的位移， V
上式中^7为耦合面上血液的加速度，
上式中，見为应力张量；H为耦合面的局部法向量，下标S和f分别表示固体和流体。
6. 如权利要求1所述的分析方法，其特征是：所述步骤（2)中，具体方法包括： A. 使用PRO/E对生物瓣膜瓣叶与动脉壁进行三维实体建模； B. 使用ANSYS/Workbench程序，根据测量的新鲜生物瓣膜组织材料的应力一应变关系 曲线的数据来定义心脏瓣膜的材料； C. 把生物瓣膜瓣叶与动脉壁模型以IGES的格式导入Workbench程序并进行网格划分， 得到流固耦合动态力学分析有限元模型； D. 根据医学研宄提供的参数施加流固耦合边界条件； E. 通过流固耦合有限元分析计算，得出人工心脏瓣膜瓣叶的应力分布情况以及血液的 运动情况。
7. 如权利要求1所述的分析方法，其特征是：所述步骤（3)的具体方法为： A. 四种瓣叶型面均根据步骤（2)中的A、B、C、D的步骤进行分析； B. 通过流固耦合有限元分析计算，得出人工心脏瓣膜瓣叶的最大主应力、等效应力以 及最大剪切应力的分布情况，并对四种瓣膜构型力学性能进行分析对比。
【专利摘要】本发明公开了一种基于ANSYS/Workbench人工心脏瓣膜力学性能优化的分析方法，本方法以心瓣流体动力学为依据，阐明了流体域(血液)与固体域(人工心脏瓣膜)相互耦合的理论，通过构建生物瓣膜的流固耦合有限元模型，进行了生物瓣膜的流固耦合分析。以人体天然心瓣构型为原型，结合目前研究领域的瓣叶参考型面，选用圆球面、圆柱面、旋转抛物面和椭球面四种旋转曲面为生物瓣膜原型参考面，本发明提供了分析不同生物瓣膜瓣型力学性能优劣的分析方法。
【IPC分类】G06F19-00, A61F2-24
【公开号】CN104758093
【申请号】CN201510200924
【发明人】袁泉, 张霞, 张潇, 丛华
【申请人】山东大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月23日