采用多物理场仿真建模的全新心脏瓣膜置换手术让心脏直视手术成为历史

采用多物理场仿真建模的全新心脏瓣膜置换手术让心脏直视手术成为历史

主动脉瓣狭窄是心脏瓣膜病中最常见的类型。在65 岁以上的成年人中,约有2% 的人经受该疾病的困扰。这种慢性进行性疾病的症状包括胸痛、呼吸困难和昏厥。在某些情况下如果没有更换瓣膜,还有可能发生充血性心脏衰竭。

手术主动脉瓣置换术在过去40 年间一直是主动脉瓣狭窄的确定性疗法。该疗法使用人工心肺机进行心脏直视手术。手术团队使用机械瓣膜或从人供体或动物中采取的组织瓣膜替换主动脉瓣。对于年龄低于70 岁的低风险患者,主动脉瓣置换手术死亡率为2% 左右。主动脉瓣置换手术后的长期存活时间与未患此病者类似。

主动脉瓣狭窄的老年患者数量正在增加,他们往往就是传动主动脉瓣置换术的高风险患者。

最近的一项研究报告表明,90 岁及以上患者的心脏直视手术死亡率为24% —— 因此,微创主动脉瓣置换技术很有必要。与传统的疗法相比,经导管主动脉瓣置换术(TAVR)(同时也称作为经导管主动脉瓣植入术或TAVI)是一种相对较新的疗法。

在此过程中,附着在可膨胀支架上的组织瓣膜被插入到腹股沟附近的动脉中,然后通过导管传送到主动脉的正确位置。随后,支架膨胀并顶住主动脉壁,张开瓣膜,将植入瓣膜固定在正确的位置。该方法消除了心脏直视手术的必要性。

改进新手术方法面临的问题

经导管主动脉瓣膜植入(TAVR)临床实践次数相对较少,因此仍面临着很多未解决的问题。血液和动脉壁对于支架施加的力如何?支架在这些载荷下能够维持多久?支架和动脉壁间的摩擦是否足够将支架和瓣膜长期固定在正确位置?上述问题的答案有助于改进支架设计,帮助外科医生就特定病人采用何种类型的手术作出更明智的决策。

施加在植入支架上的力值尚无法得到准确测量,因此TAVR 支架制造商正对支架和瓣膜的植入过程进行仿真,以便于更深入地了解该疗法,并预估了施加在植入支架上的力值。这是一个非常复杂的分析问题。第一项挑战就是对TAVR 支架常用的形状记忆合金(SMA)Nitinol ™(镍钛诺)的高度非线性材料属性进行建模。镍钛诺合金由约50% 的镍和50% 的钛构成,其具备高度的生物适合性和抗腐蚀性。这种形状记忆合金最重要的特性是超弹性,因此支架能够在从导管释放后实现自膨胀。

仿真需要包括在手术前折叠支架(压接)以及直接到达动脉中的停止位置后针对动脉壁释放支架。此外,更大的挑战是需要双向流固耦合,以显示流动的血液和动脉壁之间的相互作用对支架施加的力值。

由于植入瓣膜的位移比较大,因此需要在流体域中进行网格变形以及重新网格划分。

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多物理场仿真预测的由于血液流动而造成的支架变形

首次成功的TAVR 多物理场仿真

CADFEM 工程师克服了上述挑战,并首次成功仿真了TAVR 过程,解释了流动的血液对膨胀后支架的影响。他们使用ANSYS Fluent 计算流体动力学(CFD)软件仿真血液流动,因为该软件的重新网格划分功能能够对仿真过程中心脏瓣膜的大位移进行精确地建模。工程师使用ANSYS Mechanical 对支架和心脏瓣膜进行仿真,因为该软件能对组织瓣膜的记忆合金以及正交各向异性属性进行精确建模。这种正交各向异性模型也解释了为什么瓣膜拉伸时僵硬,但却很容易弯折。两种仿真工具都在ANSYS Workbench 环境下运行。在此环境中,使用系统耦合功能来结合双向耦合瞬态仿真中的流固模型相对简单。从第0到0.3 秒钟运行的是瞬态流固耦合仿真。

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流固耦合追踪心脏瓣膜的位移

对于形状记忆合金的材料属性,CADFEM 工程师使用了恒温超弹性模型,因为他们没有足够的数据对温度变化的效应进行建模。该模型在压接成压缩状态时经历了相变。这种结构模型由固体壳单元组成,后者可更高效地对薄几何结构进行建模。为了缩短建模和计算时间,此次初始分析对动脉壁使用刚性模型。工程师在连接瓣膜和支架之间采用了全接合接触;支架和动脉壁之间的接口采用了摩擦式接触。他们使用非牛顿卡罗模型预测血液粘度的变化,并作为剪切率函数。流体模型的边界条件使用一个血液质量流率函数对心脏的泵血动作进行建模。血液流动会引起瓣膜开闭。

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仿真预测支架和动脉壁之间的接触状况和压力。

仿真对于外科医生和支架制造商大有裨益

仿真结果显示了支架和动脉壁接口间的接触状态和压力。该项结果可用于评估支架设计构造能否稳固地将支架固定在正确位置。此外,仿真还有可能使设计的支架避免对动脉壁的任何部位施加过高的应力。在对支架模型的特定点上进行仿真后,绘制了Von Mises 应力- 应变曲线,这些曲线可用于通过疲劳分析模型预测支架的疲劳寿命。仿真另外还记录了瓣膜和支架接点上的力值随时间的变化情况。该模型可预测病人手术后的血压变化,这也是支架设计需要考虑的另一个关键因素。本案例中的心脏收缩血压约为175 毫米汞柱。

CADFEM 为Admedes Schuessler 公司运行了此次仿真。Admedes Schuessler 公司是一家医疗设备行业成品镍钛诺合金自膨胀组件的全球领先供应商,也是TAVR 支架的制造商。该初步研究证明了对TAVR 手术进行精确建模的可行性。研究结果可用于优化适用于不同情况下病人的支架设计,如动脉壁硬化程度不同的病人。下一步研究将包含柔性动脉,使用用户定义的ANSYS Mechanical 各向异性超弹性模型,可以对活体组织中典型的类弹性体矩阵中的纤维增强功能进行建模,或者简单地使用粘弹性模型。

最后,这些结果提供了之前只能通过病人手术才能获得的深入解析,并展示了多物理场仿真在促进支架设计和手术程序改进方面的无限潜力。

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仿真预测患者在瓣膜置换后的血压情况。由于动脉壁建模时缺少灵活性使得该血压读数较高。