论文摘要
目的对长方形无支架四叶心包二尖瓣进行有限元应力分析，参照前期研究的梯形瓣、椭圆形瓣应力分布，评价长方形瓣膜的力学性能。方法按照仿生原则，简化瓣膜设计，采用牛心包材料，缝制成无支架长方形四叶二尖瓣，瓣口呈长宽比近似3：2，前、后瓣叶或两侧瓣叶延续了椭圆形瓣的对称理念，为大小形态对称，相连腱索长度相等的设计；两侧瓣叶与前后瓣叶对合均匀、严密。根据瓣膜的几何形态及心包组织材料特性，将心瓣和血流作为耦合系统进行动力学分析，建立模拟长方形瓣膜开放与关闭的有限元动态模型，应用有限元软件ANSYS分析长方形瓣膜四个瓣叶的应力分布，所获结果与前期研究的体外流体动力学测试结果进行校正。分析中采用八节点曲线薄壳单元并充分考虑大应变和瓣叶闭合过程中的接触。在瓣膜开启状态下，以前期研究体外脉动流仪测得的长方形瓣膜平均跨瓣压差5.86mmHg作为瓣膜开启状态下的面载荷；在瓣膜关闭状态下取峰值跨瓣压差120mmHg为面载荷；应用Newton-Raphson方法求解有限元方程，计算在开启和关闭状态时，各瓣叶的第一应力和第二应力及莱维—米泽斯应力分布。结果1、有限元方法计算的长方形瓣膜四个瓣叶变形形态和体外流体动力学实验中的瓣膜实际变形十分相近。2、长方形瓣膜开启时，四个瓣叶大部分区域应力水平在0.080～0.450Mpa之间，其前后瓣叶基部与瓣环连接处出现应力增高，达0.789Mpa，最大应力为0.903Mpa，出现在瓣叶交界缝合处。四个瓣叶大部分区域第二应力水平在0.005～0.167Mpa之间。前后瓣叶最大应力为0.946Mpa，出现在与侧瓣叶交界缝合处。莱维—米泽斯应力分布均匀，前后瓣叶和两侧瓣叶大部分区域应力水平在0.110～0.440Mpa之间，最大应力为0.980Mpa，出现在其前后瓣叶与侧瓣叶交界缝合处。3、长方形瓣膜关闭时，前后瓣叶大部分区域的第一主应力水平在1.200～2.410Mpa之间，最大应力为3.060Mpa，出现在瓣环缝合区附近；两侧瓣叶大部分区域的第一主应力水平在0.591～1.200Mpa之间，最大应力为1.809Mpa，出现在瓣叶游离缘。瓣叶大部分区域的第二主应力水平在0.051～0.514 Mpa之间，前后瓣叶最大应力为1.650 Mpa，出现在瓣叶基部；两侧瓣叶大部分区域的第二应力水平在0.015～0.245 Mpa之间，最大应力为1.482 Mpa，也出现在瓣叶基部与瓣环缝合连接区附近。莱维—米泽斯应力分布较均匀，前、后及侧瓣叶大部分区域的应力水平在0.520～1.060 Mpa之间，最大应力为3.700 Mpa，也出现在前、后瓣叶的瓣环缝合区。4、长方形瓣膜其大部分区域的平均应力处于较低水平，且分布较均匀，在瓣叶缝合处应力稍高。结论1、本研究有限元计算的改进型长方形瓣膜变形形态和前期体外流体动力学实验研究中所观察的瓣膜实际变形十分相近，采用的有限元模型计算方法合理。2、长方形瓣平均应力水平较低，分布较均匀，具有较好的应力分布，有利于延长无支架心包二尖瓣的寿命。