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採用多物理場仿真建模的全新心臟瓣膜置換手術讓心臟直視手術成為歷史

  • 2018/11/5 0:0

 

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主動脈瓣狹窄是心臟瓣膜病中最常見的類型。在65 歲以上的成年人中,約有2% 的人經受該疾病的困擾。這種慢性進行性疾病的症狀包括胸痛、呼吸困難和昏厥。在某些情況下如果沒有更換瓣膜,還有可能發生充血性心臟衰竭。

 

手術主動脈瓣置換術在過去40 年間一直是主動脈瓣狹窄的確定性療法。該療法使用人工心肺機進行心臟直視手術。手術團隊使用機械瓣膜或從人供體或動物中採取的組織瓣膜替換主動脈瓣。對於年齡低於70 歲的低風險患者,主動脈瓣置換手術死亡率為2% 左右。主動脈瓣置換手術後的長期存活時間與未患此病者類似。

 

主動脈瓣狹窄的老年患者數量正在增加,他們往往就是傳動主動脈瓣置換術的高風險患者。

 

最近的一項研究報告表明,90 歲及以上患者的心臟直視手術死亡率為24% —— 因此,微創主動脈瓣置換技術很有必要。與傳統的療法相比,經導管主動脈瓣置換術(TAVR)(同時也稱作為經導管主動脈瓣植入術或TAVI)是一種相對較新的療法。

 

在此過程中,附著在可膨脹支架上的組織瓣膜被插入到腹股溝附近的動脈中,然後通過導管傳送到主動脈的正確位置。隨後,支架膨脹並頂住主動脈壁,張開瓣膜,將植入瓣膜固定在正確的位置。該方法消除了心臟直視手術的必要性。

 

改進新手術方法面臨的問題

經導管主動脈瓣膜植入(TAVR)臨床實踐次數相對較少,因此仍面臨著很多未解決的問題。血液和動脈壁對於支架施加的力如何?支架在這些載荷下能夠維持多久?支架和動脈壁間的摩擦是否足夠將支架和瓣膜長期固定在正確位置?上述問題的答案有助於改進支架設計,幫助外科醫生就特定病人採用何種類型的手術作出更明智的決策。

 

施加在植入支架上的力值尚無法得到準確測量,因此TAVR 支架製造商正對支架和瓣膜的植入過程進行仿真,以便於更深入地了解該療法,並預估了施加在植入支架上的力值。這是一個非常複雜的分析問題。第一項挑戰就是對TAVR 支架常用的形狀記憶合金(SMA)Nitinol ™(鎳鈦諾)的高度非線性材料屬性進行建模。鎳鈦諾合金由約50% 的鎳和50% 的鈦構成,其具備高度的生物適合性和抗腐蝕性。這種形狀記憶合金最重要的特性是超彈性,因此支架能夠在從導管釋放後實現自膨脹。

 

仿真需要包括在手術前折疊支架(壓接)以及直接到達動脈中的停止位置後針對動脈壁釋放支架。此外,更大的挑戰是需要雙向流固耦合,以顯示流動的血液和動脈壁之間的相互作用對支架施加的力值。

 

由於植入瓣膜的位移比較大,因此需要在流體域中進行網格變形以及重新網格劃分。

 

 

首次成功的TAVR 多物理場仿真

CADFEM 工程師克服了上述挑戰,並首次成功仿真了TAVR 過程,解釋了流動的血液對膨脹後支架的影響。他們使用ANSYS Fluent 計算流體動力學(CFD)軟件仿真血液流動,因為該軟件的重新網格劃分功能能夠對仿真過程中心臟瓣膜的大位移進行精確地建模。工程師使用ANSYS Mechanical 對支架和心臟瓣膜進行仿真,因為該軟件能對組織瓣膜的記憶合金以及正交各向異性屬性進行精確建模。這種正交各向異性模型也解釋了為什麼瓣膜拉伸時僵硬,但卻很容易彎折。兩種仿真工具都在ANSYS Workbench 環境下運行。在此環境中,使用系統耦合功能來結合雙向耦合瞬態仿真中的流固模型相對簡單。從第0到0.3 秒鐘運行的是瞬態流固耦合仿真。

對於形狀記憶合金的材料屬性,CADFEM 工程師使用了恆溫超彈性模型,因為他們沒有足夠的數據對溫度變化的效應進行建模。該模型在壓接成壓縮狀態時經歷了相變。這種結構模型由固體殼單元組成,後者可更高效地對薄幾何結構進行建模。為了縮短建模和計算時間,此次初始分析對動脈壁使用剛性模型。工程師在連接瓣膜和支架之間採用了全接合接觸;支架和動脈壁之間的接口採用了摩擦式接觸。他們使用非牛頓卡羅模型預測血液粘度的變化,並作為剪切率函數。流體模型的邊界條件使用一個血液質量流率函數對心臟的泵血動作進行建模。血液流動會引起瓣膜開閉。

仿真對於外科醫生和支架製造商大有裨益

仿真結果顯示了支架和動脈壁接口間的接觸狀態和壓力。該項結果可用於評估支架設計構造能否穩固地將支架固定在正確位置。此外,仿真還有可能使設計的支架避免對動脈壁的任何部位施加過高的應力。在對支架模型的特定點上進行仿真後,繪製了Von Mises 應力- 應變曲線,這些曲線可用於通過疲勞分析模型預測支架的疲勞壽命。仿真另外還記錄了瓣膜和支架接點上的力值隨時間的變化情況。該模型可預測病人手術後的血壓變化,這也是支架設計需要考慮的另一個關鍵因素。本案例中的心臟收縮血壓約為175 毫米汞柱。

 

CADFEM 為Admedes Schuessler 公司運行了此次仿真。Admedes Schuessler 公司是一家醫療設備行業成品鎳鈦諾合金自膨脹組件的全球領先供應商,也是TAVR 支架的製造商。該初步研究證明了對TAVR 手術進行精確建模的可行性。研究結果可用於優化適用於不同情況下病人的支架設計,如動脈壁硬化程度不同的病人。下一步研究將包含柔性動脈,使用用戶定義的ANSYS Mechanical 各向異性超彈性模型,可以對活體組織中典型的類彈性體矩陣中的纖維增強功能進行建模,或者簡單地使用粘彈性模型。

 

最後,這些結果提供了之前只能通過病人手術才能獲得的深入解析,並展示了多物理場仿真在促進支架設計和手術程序改進方面的無限潛力。