一
背景
心脏瓣膜是维持血液循环单向流动的关键结构，其功能障碍（如狭窄或关闭不全）可导致心力衰竭、血栓栓塞甚至猝死。在主动脉瓣病变的终末期治疗中，双叶机械心脏瓣膜（BMHV）因其耐久性成为首选人工瓣膜，但其非生理性血流特性（如高剪切应力、湍流增强）可能引发血栓形成、溶血和内皮损伤等并发症。传统的实验研究（如体外测试或动物模型）受限于伦理、成本及临床可及性，而计算流体动力学（CFD）结合流固耦合（FSI）技术为心脏瓣膜的血流动力学研究提供了高效且可控的解决方案。
然而，传统基于网格的CFD方法（如有限体积法FVM或任意拉格朗日-欧拉法ALE）在处理瓣叶大变形和动态界面时面临网格畸变、计算效率低等挑战。相比之下，无网格方法如光滑粒子流体动力学（SPH）因其拉格朗日描述和天然适应复杂几何变形的能力，在心血管FSI模拟中展现出独特优势。尽管已有研究探索SPH在心血管领域的应用（如左心室模型或静脉瓣模拟），但针对患者特异性主动脉几何中天然与机械瓣膜的对比研究仍属空白。
本研究填补了这一空白，通过SPH-FSI模型系统分析了天然瓣膜与BMHV的血流动力学差异，重点探讨了壁面剪切应力（WSS）、有效开口面积（EOA）等临床关键参数，并首次提出基于SPH的WSS估算方法，为人工瓣膜优化和术后风险评估提供了新工具。
二
方法
本研究采用基于SPH的FSI模型，对比分析了天然主动脉瓣和BMHV在患者特异性主动脉几何中的血流动力学特性。具体方法如下：
模型构建：基于患者4D MRI数据重建主动脉几何，分别植入天然三叶瓣和25 mm St. Jude BMHV。
SPH方法：采用弱可压缩SPH（WCSPH）框架，使用Wendland C₂核函数进行粒子近似，结合亚粒子尺度（SPS）湍流模型模拟血流湍流特性。
FSI耦合：
机械瓣膜：通过Chrono引擎实现刚体动力学耦合，计算瓣叶的旋转和位移。
天然瓣膜：基于应力-应变张量模拟柔性瓣叶的变形，采用PK1应力模型描述材料特性。
边界条件：入口施加生理性脉动流速，出口设为恒定压力，采用动态边界条件（DBC）处理壁面相互作用。
血流动力学参数：提出SPH视角下的壁面剪切应力（WSS）估算方法，并计算时间平均WSS（TAWSS）、振荡剪切指数（OSI）和内皮细胞激活电位（ECAP）等指标。
验证：通过Poiseuille流解析解、4D MRI数据和文献实验数据验证模型的准确性。
三
结论
血流动力学差异：BMHV产生三股射流（中央和两侧），而天然瓣膜形成单一射流。BMHV的射流不对称性导致下游流动紊乱，局部涡流增加，可能引发血栓。
有效开口面积（EOA）：BMHV的EOA比天然瓣膜低21%，导致更高的压力降（17.64 mmHg vs. 9.27 mmHg），增加左心室负荷。
壁面剪切应力：BMHV植入区TAWSS显著升高（>2.5 Pa），可能损伤内皮细胞，促进动脉粥样硬化。天然瓣膜邻近主动脉壁的低TAWSS（<0.4 Pa）和BMHV外环区的极低TAWSS（<0.2 Pa）易引发血栓。ECAP分析显示BMHV安装环为血栓高风险区。
临床风险：BMHV可能导致坏死核心形成、瓣周反流等并发症，而天然瓣膜的关闭不对称性会引发局部高WSS。
四
展望
模型扩展：未来可纳入更多患者数据，进行统计显著性分析，并耦合血小板活化模型以量化血栓风险。
算法优化：改进无滑移边界条件（如mDBC）和湍流模型，提升WSS计算精度。
多物理场耦合：结合电生理或钙化模型，模拟病变瓣膜的动态演变。
临床应用：开发个性化手术规划工具，优化BMHV植入角度或设计新型仿生瓣膜。
技术推广：推动SPH在心血管领域的标准化应用，为临床决策提供高保真模拟支持。
本研究证实了SPH-FSI在心脏瓣膜模拟中的独特优势，为理解人工瓣膜的血流动力学风险及优化设计提供了新思路。
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② 脑血管疾病介入治疗数智化计算机手术模拟及分析平台
③ 心脏瓣膜外科和介入置换计算机手术模拟及分析平台
④ 患者特异性数字孪生心脏
产品审评有限元分析报告
人工心脏瓣膜：外科生物瓣、外科高分子瓣、介入生物瓣、介入高分子瓣、二尖瓣三尖瓣夹合器、封堵器等
支架：颅内动脉瘤介入栓塞装置、覆膜支架、取栓支架、外周支架、颈动脉支架、可降解支架等
有源：植入式心脏辅助装置、心脏起搏器、TCAR、DBS、PFA、RFA、PNS等
其他：肿瘤、消化等其他外科介入器械
计算机手术模拟及分析
TAVR、TEVAR、TMVR、TEER等计算机手术模拟及分析
脑动脉瘤介入栓塞装置的计算机手术模拟及分析
TCAR、RFA、PFA等计算机手术模拟及分析
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