二尖瓣脱垂仿真-厦门大学学报（自然科学版）.doc

人体二尖瓣瓣膜厚度有限元分析及仿真比较 王聪1，2, 黄晓阳，2*, 苏茂龙3 (1.厦门大学计算机科学系,福建 厦门 361005；2，福建省智慧城市感知与计算重点实验室（厦门大学）,福建 厦门361005；3.厦门大学附属中山医院超声医学科,福建 厦门 361004) 摘要：建立基于亚区结构的人体二尖瓣模型，仿真二尖瓣从开放到闭合的整个过程，分析心动周期过程中二尖瓣前后叶的应力分布差异，得到与实际生理相符合的有限元模型。在该模型的基础上建立11个具有不同瓣膜厚度的比对模型，对比不同瓣膜厚度下二尖瓣的应力分布情况，分析瓣膜厚度对二尖瓣闭合程度的影响，实验结果表明随着二尖瓣瓣膜厚度增加，其整体应力水平虽然下降，但影响了二尖瓣性能的正常发挥，导致二尖瓣关闭不全的程度加重，同临床实际生理情况相吻合。实验结果验证了二尖瓣瓣膜厚度对二尖瓣应力分布具有较大影响，为更深入的研究和了解二尖瓣工作机制奠定了基础。 关键词：二尖瓣；有限元分析；瓣膜厚度；应力分布 二尖瓣是人体心脏中重要的瓣膜组织，它位于左心房与左心室之间，保障了血液从左心房到左心室的单向流动，对维持心脏的正常功能具有重要作用。二尖瓣包括瓣叶，瓣环，腱索，乳头肌四个部分。其中瓣叶分为前后叶，临床上通过小的褶皱可将2个瓣叶各自划分为三个亚区。在研究中，通常将前叶看做一个单独的瓣尖，后叶则细化为3个较窄的瓣尖[1]，即由P1、P2、P3三个亚区结构组成（图1）。前后叶通过腱索由乳头肌牵拉完成二尖瓣的开放与闭合[2]。在心脏收缩期，两片瓣叶边缘闭合密封瓣口；心脏舒张期，瓣叶开放，血液从左心房流入左心室。 B-C为前瓣叶， D-A为后瓣叶，其中D-E,E-F,F-A分别为P1，P2，P3亚区，A-B和C-D为前后叶交界处，A和A为同一点。 图 1 展开的二尖瓣轮廓模式图 Fig.1 Image of the spread mitral valve 为了有效地评估二尖瓣病变情况，首先需要了解正常二尖瓣的工作原理。CT、磁共振和超声心动图等成像技术虽然可以看到二尖瓣组织的运动情况，但无法进行压力等力学数据的定量测量与分析。利用计算机建立有限元模型，并进行仿真研究，通过数值建模对正常或者病变二尖瓣进行力学仿真，可以模拟二尖瓣不同时相的受力情况，对于二尖瓣关闭不全等疾病的力学机理研究具有重要意义。 目前国内外学者对于人体二尖瓣的建模及研究已经有了一些进展：国内主要集中在人工瓣膜的研究分析,如罗云[3]等人对长方形无支架心包二尖瓣的仿真；Kunzelman 等人[4]仿真了正常和病态两种情况下的二尖瓣模型Lau 团队[5]流固耦合的二尖瓣模型忽略了瓣叶与腱索的接触且在瓣叶结合处增添了 2 个尖端，与实际生理结构不符； Prot[6]模拟肥厚型梗阻性心肌病患者的二尖瓣瓣叶状态；[7]等人成功模拟二尖瓣闭合状态，其将前后叶均简化为一个瓣尖，未考虑亚区结构；钟琪[8]在模型细化的基础上研究了二尖瓣的受力情况及腱索的作用。 这些研究涉及二尖瓣瓣膜厚度的[7]虽然分析了二尖瓣厚度的作用，但其模型不够精细，未考虑瓣叶的亚区结构。临床上二尖瓣瓣膜厚度[9]。研究表明，一定厚度范围内，随着瓣叶厚度的增加，瓣膜开启相同等效面积所需要的压力也增大[10]，同时二尖瓣厚度与某些疾病的诊断与治疗密切相关，如经皮球囊二尖瓣狭窄扩张术 ( P B M V )的诊断和治疗效果与二尖瓣瓣膜厚度有直接关系[11]，[12]，对瓣叶厚度的研究可以指导临床医生二尖瓣球囊扩张手术或者直接进行瓣膜置换手术[13]。瓣膜厚度的不同会影响二尖瓣的应力分布，其厚度的临界值意味着瓣叶僵硬度明显增加，相应腱索牵拉瓣膜的牵拉力也不同，瓣膜应力也会发生变化。临床上风湿性心脏病二尖瓣狭窄进行二尖瓣球囊扩张手术时必须进行超声心动图学评分，1988 年 Wilkins[14]等创建了超声心动图学评分系统来评价二尖瓣狭窄是否适合进行二尖瓣球囊扩张手术，该评分系统从瓣叶厚度、瓣叶活动度、瓣下结构受累程度及钙化情况四个方面进行超声评分，其中很重要的就是瓣叶厚度。因此分析二尖瓣瓣膜厚度二尖瓣的具体运动状态及其应力分布具有重要意义。[15],[16]建立包含瓣环、瓣叶、腱索和乳头肌四个部分的物理模型。由于二尖瓣的对称性，建立一半的结构模型，通过镜面反射得到整体模型，如图2。 瓣环与瓣叶：瓣环为D字形，本模型中前瓣叶为一个大瓣叶，后瓣叶则细分为3个亚区结构。 乳头肌：由于乳头肌在整个心动周期内的位置相对固定，若不考虑乳头肌解剖变异，可以假设乳头肌为静态的点，位于离瓣环平面20-22mm的位置。 腱索： 本模型中，与前瓣叶相连的腱索有10根，每根分成2或3个分支，其中1支与瓣叶的游离边缘相连，其它分支与闭合线或游离边缘与闭合线中间位置相连。与后瓣叶相连的腱索有14根，其