【生物医学】主动脉瓣根部数值模型：瓣膜修复术后Annulus直径与有效高度预测

一、研究背景

主动脉瓣关闭不全是常见的心脏瓣膜疾病，瓣膜修复手术可以在保留自身瓣膜的同时恢复瓣膜功能。瓣膜修复手术中，主动脉根部的几何参数对手术效果有重要影响。Annulus直径是其中一个关键参数，直接影响瓣叶的对合（coaptation）和有效高度（effective height）。

二、研究目的

本研究旨在确定主动脉Annulus直径对瓣膜性能指标的影响，包括最大主应力、应变能密度、对合面积和有效高度，为外科医生在瓣膜修复手术前预测最佳Annulus直径提供量化依据。

三、主动脉根部解剖结构

3.1 结构组成

主动脉根部包括：

• 瓣叶：三个半月形瓣叶
• 瓣环（Annulus）：瓣叶附着的纤维环
• 主动脉窦：瓣叶上方扩张部分
• 窦管交界（STJ）：升主动脉起始处

3.2 功能意义

瓣膜正常功能依赖于：

• 足够的对合面积保证密封
• 适当的有效高度维持瓣叶位置
• 合理的应力分布避免组织损伤

四、流体-结构耦合分析

4.1 分析方法

采用流体-结构耦合（FSI）方法：

• 结构模型：柔性瓣叶+顺应性根部
• 流体模型：生理舒张压条件
• 耦合方法：双向耦合，考虑瓣叶变形对流场的影响

4.2 TrueGrid建模

应用TrueGrid生成高质量六面体网格：

• 根部结构的几何模型
• 流体域的网格划分
• 接触区域的网格过渡

五、数值模拟结果

5.1 Annulus直径范围

研究了Annulus直径从20mm到30mm的变化：

• 20-26mm：瓣叶完全闭合
• 28-30mm：瓣叶部分闭合，存在反流

5.2 关键指标变化

对合高度：从3.3mm（20mm直径）降至0.3mm（30mm直径）

标准化对合面积：从27%降至2.8%

有效高度：从10.9mm降至8.0mm

六、临床意义

研究结果表明：

• 较小的Annulus直径增加对合高度和面积
• 改善的有效高度有利于瓣膜性能
• 术前预测可帮助外科医生选择合适的手术方案

七、结论

本研究通过流体-结构耦合数值模拟，揭示了Annulus直径对主动脉瓣性能的影响规律，为瓣膜修复手术的术前规划和术后评估提供了重要的量化工具。

八、涉及图片

• 图1：主动脉根部三维几何模型 — 瓣膜窦、瓣叶、升主动脉的解剖结构
• 图2：流体-结构耦合模型示意图 — 血液流场与瓣叶变形的耦合分析域
• 图3：TrueGrid网格划分 — 根部结构和流体域的六面体网格
• 图4：不同Annulus直径下瓣叶闭合状态图 — 20mm~30mm直径的瓣叶形态对比
• 图5：有效高度与直径关系曲线 — hE随Annulus直径变化的曲线
• 图6：对合面积与直径关系曲线 — 对合面积随Annulus直径变化的曲线