心脏跳动背后的流体力学
文摘
2023-04-17 17:52
浙江
Journal of Fluid Mechanics. Volume 844,
10 June 2018, pp. 1 - 4本周介绍的是一篇JFM上关于心脏瓣膜流体仿真的文章，文章的作者是Johns Hopkins University 机械工程学院的Rajat Mittal教授，Mittal 的研究小组主要致力于开发并采用计算方法来模拟各种流动，特别关注浸没边界法、涡流主导流动、生物医学流体动力学、生物和仿生运动（游泳和飞行），Mittal是上市公司Heart Metrics，Inc.的创始人兼首席技术官，该公司是一家开发计算工具以帮助治疗冠状动脉疾病的初创公司。Mittal 教授的研究获得了美国国立卫生研究院、国家科学基金会、美国空军、海军研究办公室、陆军研究办公室、国防高级研究计划局 (DARPA) 和美国宇航局的资助。他是 1996 年美国物理学会流体动力学分会 Francois Frenkiel 奖、2006 年 Lewis Moody 奖和 2021 年美国机械工程师协会弗里曼学者奖的获得者。 他的 200 多篇论文已在学术期刊上发表。本次没有什么很基础需要科普的内容，主要是一些比较有意思的图片和数值计算相关的内容，本次就给大家把摘要进行翻译，大伙可以看看中文摘要即可。心肌的收缩与心脏瓣膜开合使得心脏产生复杂的流动。预测这种流动需要十分复杂的计算模型，Meschini 等人通过模拟心脏左心室中的流动和二尖瓣的耦合动力学来解决该问题。并通过精心设计的伴随实验验证了模型的正确性，后作者进一步研究心脏瓣膜功能障碍以及人工瓣膜对心室血液动力学的影响。本文主要在原有研究的基础上研究左心室的功能形态变化及瓣膜植入物的选择对心室功能的影响。The contraction of the heart muscle
combines with the opening and closing of the cardiac valves to generate a
complex flow in the heart. Predicting this flow presents a significant
challenge for computational models, a challenge that Meschini et al. (J. Fluid
Mech., vol. 834, 2018, pp. 271–307) tackle head-on by simulating not only the
flow in a modelled left ventricle of the heart, but also the coupled dynamics
of the mitral valve. The model is validated against a well-designed companion
experiment and the authors then proceed to examine the effects of cardiac and
valvular dysfunction, as well as prosthetic valves, on ventricular
haemodynamics. The insights provided by this study extend from the functional
morphology of the left ventricle to the implications of the choice of valve
implant on ventricular function.哺乳动物的心脏经过数百万年的进化，已被塑造成一个卓越的流量泵。在人的一生中，心脏会跳动超过 30 亿次，泵出的血液足以填满 60 多个奥林匹克规格的游泳池。而且每一次搏动都会使血液的静水压头升高1.5米或更多，足以克服全身数十亿条血管的流动阻力，为全身各组织提供充足的灌注。为惊人的机械性能提供动力的是心肌，但血液通过心脏四个腔室的运动是由心脏瓣膜控制的。 因此，血流和瓣膜小叶之间的双向相互作用对心脏的功能至关重要，并且一直被广泛你研究（可见 Yoganathan, He & Jones 2004；Sotiropoulos, Le & Gilmanov 2016）。第一个已知的心脏血流动力学科学研究是由列奥纳多·达·芬奇 (Leonardo da
Vinci) 进行的，他使用草籽来观察动物主动脉玻璃模型中的流动 (Robicsek 1991)。在现代，已经提出各种体内和体外的方案，用于研究心脏内和瓣膜血流动力学研究（Yoganathan 等人，2004 年），但此类实验具有一定局限性。计算机处理能力的不断提高为心脏血液动力学的计算建模打开了大门，但这种建模也并非没有问题（Mittal 等人，2016 年）。其中最主要的要求是 (i)准确模拟几何复杂、显着变形的三维域中高度不稳定的湍流(iii)从此类模型产生的超大数据集中提取有用的见解。 Meschini 等人在2018 年，提出的MTQV模型，很有效地解决了这些挑战，并有力地证明了此类模型的潜力，以提供从心脏功能的基本方面到外科手术干预的实际方面的见解。图 1. (a) MTQV 中使用的天然二尖瓣小叶的计算模型。 (b) 用于验证计算的伴随实验。MTQV 专注于通过二尖瓣进入左心室 (LV) 的血流建模，左心室是含氧血液流向身体的主要驱动力。二尖瓣控制左心房和心室之间的流动，很容易出现功能障碍和置换。 通过二尖瓣的流量的典型雷诺数约为 4000，这与泵送作用相结合，在左心室中产生具有广泛空间和时间尺度的脉动湍流。 许多先前的脑室内流量的计算模型研究专注于问题的单一方面，例如评估心室特定特征的功能形态（Pedrizzetti & Domenichini 2005；Vedula et al. 2016）和/或瓣膜（Seo et al. 2014），或动力学 天然和人工瓣膜（Peskin & McQueen 1980；Choi、Vedula & Mittal 2014）或验证（Vedula 等人 2014）。 MTQV 的重点是二尖瓣对 LV 血液动力学的影响，但 MTQV 的一个独特之处在于它们从多个方面解决了这个问题。天然二尖瓣具有极其复杂的解剖结构，包括非圆形、随时间变化的纤维环、不均匀的组织特性和弦状结构（腱索）将两个小叶连接到 LV 壁 (Standring 2016)。 因此，对该阀的流固耦合建模是一项重大挑战。MTQV 采用了一种相对简单的天然二尖瓣模型，该模型结合了其解剖学的一些关键特征，但在计算模型和实验中仍然可以实现。使用浸入边界法 (de Tullio & Pascazio 2016) 求解流动，瓣膜小叶的动力学采用相互作用势方法 (Spandan et al. 2017)，该方法模拟具有拉伸和弯曲刚度的膜的非耗散变形。 MTQV 从验证研究开始，他们比较计算结果与由硅橡胶制成的带有二尖瓣的柔性心室（见图1）组成的伴随实验进行对比。在这个实验中，心室的扩张-松弛是由流入和流出围绕心室的密封有机玻璃罐的时变流量驱动的。 因此，心室的变形和二尖瓣的打开和关闭都是流固相互作用的结果，MTQV 表明他们的模型不仅可以合理准确地预测心室和瓣叶的运动，而且可以解析心室内部的流动剖面。 验证后，MTQV 建立了具有“自然”健康二尖瓣的健康心室（射血分数 (EF) = 60%）的流量和瓣膜运动学特征。发现二尖瓣射流从 LV 的外侧到间隔壁产生圆形流动模式，增加了 LV 心尖区域的“冲洗”。 然后 MTQV 将他们的注意力转移到有心脏病的病例上，并检查瓣膜出口区域的小叶硬度和变窄（狭窄）的影响。他们发现小叶的有限活动性导致射流速度显着增加以及瓣膜上的压降。后者从临床观点来看尤为重要，因为增加的压降会转化为心输出量减少和血压升高。 MTQV 还模拟了瓣膜健康但 EF 降低 40% 的情况，这是临床上心力衰竭的常见指标， MTQV 的模拟表明，即使在 EF 减少的情况下，顶端区域的冲刷仍然存在。图 2. 三个瓣膜在峰值流速下的心室流量可视化：自然瓣膜、生物瓣膜瓣膜和机械瓣膜，EF = 60%。 显示了速度大小的一个等值面，用垂直速度着色：范围 −2（红色）到 +2（蓝色）。 很明显，每种阀门类型都会产生非常独特的流动模式和射流穿透力。MTQV 的后续部分通过两种类型的瓣膜植入物解决了 LV 的血液动力学：双叶机械瓣和三叶生物假体瓣。前者是最常用的二尖瓣假体，MTQV 对该瓣膜进行了多次模拟，发现它加速了二尖瓣射流的破裂，从而减少了射流进入 LV 的穿透力（见图 2） ). 对两种不同 EF 进行的生物假体瓣膜模拟表明，该瓣膜在 LV 血液动力学方面的性能明显优于机械瓣膜，尽管它在整体心室冲洗方面仍无法击败天然二尖瓣。 对三个瓣膜的血液动力学性能进行更详细的分析，包括 LV 血栓形成风险、有效孔口面积（一种常用的表征与心脏瓣膜相关的流动阻塞的指标（Yoganathan 等人，2004 年））、整个心脏瓣膜的压降 瓣膜和 LV 中产生的“全球循环”一致表明，生物瓣膜优于机械瓣膜，但天然瓣膜在每个计算指标中都超过其他瓣膜。
