[发明专利]一种基于ALE法对生物瓣膜进行双向流固耦合分析的方法

说明书

本发明公开了一种基于ALE法对生物瓣膜进行双向流固耦合分析的方法。本发明对血液与瓣叶的耦合分析采用双向耦合分析，在处理问题时，每一步均计算血液对瓣叶的力的作用，同时也计算瓣叶变形也对血液流动造成的影响，采用基于ALE法对生物瓣膜进行双向流固耦合分析，使得力学性能分析同时兼顾流体(血液)和固体(瓣膜及血管壁)，同样使得分析更为精确可靠。方法包括如下步骤：第一步：建立血液及生物瓣膜几何模型；第二步：基于流体域与固体域相互耦合，构建流体控制方程、固体控制方程；第三步：构建任意变量的流固耦合方程，对瓣叶及血管壁的变形、生物瓣膜表面应力变化和瓣叶开口面积变化进行分析。

技术领域

本发明属于流固耦合数值模拟控制领域，具体涉及一种基于ALE法对生物瓣膜进行双向流固耦合分析的方法。

背景技术

心脏是人体的重要器官，心脏瓣膜一旦发生病变就会危及人的生命。目前还没有方法能对功能失调的心脏瓣膜进行药物治疗，修复或更换瓣膜仍是唯一能降低心脏瓣膜病发病率和死亡率的治疗方法。生物瓣膜具有良好的力学性能逐渐成为瓣膜置换手术的首选，但仍存在着耐久性方面的问题，主要表现在瓣膜材料的疲劳和破坏，以及多发于儿童和青年患者的钙化现象。利用计算流体力学的方法对生物瓣膜与血液的耦合过程进行分析，获得瓣叶的变形特点及应力分布情况，对研究瓣膜损坏及钙化的原因有重要的理论意义和参考价值。

由于生物瓣膜的临床应用中，必须通过缝合环与血管壁连在一起，因此在分析中必须考虑血管壁的形态及受力变化，然而，现有研究中，往往只是单独分析瓣膜应力变化，而忽视了血管壁对瓣叶与血液流固耦合的影响，因此造成仿真结果与实际结果出现偏差；同时，现有技术中对生物瓣膜研究中普遍采用单向耦合分析，这使得流体与固体间的参数传递过于简化，这一分析方法在较小变形时可以采用，但对于生物瓣膜研究中的复杂大变形，结果则会存在一定失真。因此，建立新的分析方法，使得力学性能分析能够同时兼顾流体(血液)和固体(瓣膜及血管壁)，对生物瓣膜的设计制作无疑具有重要的指导意义。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种基于ALE法对生物瓣膜进行双向流固耦合分析的方法。本发明对血液与瓣叶的耦合分析采用双向耦合分析，在处理问题时，每一步均计算血液对瓣叶的力的作用，同时也计算瓣叶变形也对血液流动造成的影响，再将计算的结果带入到下一次的计算中，依次迭代，计算整个流固耦合过程，得到瓣叶与血液相互作用的结果，从而使结果更加准确。

具体的，本发明的技术方案如下：

一种基于ALE法对生物瓣膜进行双向流固耦合分析的方法，包括如下步骤：

第一步：建立血液及生物瓣膜几何模型；

第二步：基于流体域(血液)与固体域(生物瓣膜)相互耦合，构建流体(血液)控制方程、固体(生物瓣膜)控制方程；

第三步：基于ALE法对生物瓣膜进行双向流固耦合过程进行分析，构建任意变量的流固耦合方程，使用LS-DYNA对瓣叶及血管壁的变形、生物瓣膜表面应力变化和瓣叶开口面积变化进行分析。

其中，所述第一步中，对生物瓣膜构建几何模型时，采用不可压缩弹性材料对瓣叶进行描述，具体步骤包括：

(1)给出瓣叶的位移方程，X表示空间中单元的初始位置，x表示单元受力移动后的位置向量，y表示位移向量；

x(X,t)＝X+y(X,t)

则单元的变形梯度可以表示为：

(2)由步骤(1)得到的单元的变形梯度，得到单元的柯西应力张量C、应变张量E以及变形张量J，由于瓣叶模型被认为是不可压缩的，所以变形张量J等于1；具体柯西应力张量C、应变张量E以及变形张量J的描述方程如下：

C＝F^TF