摘要：对机械人工三叶心脏瓣膜的模型进行定常流测试，并与QT型双叶瓣膜进行比较。通过使用Soildworks2005 中的插件COSMOSFloworks2005作为定常流测试的模拟软件，分别在定常流5L/min、10L/min、15L/min不同流量，不同开启角度79°、83°、87°下，测试出三叶瓣膜的跨瓣压差。测试实验结果表明三叶瓣膜跨瓣压差的确远小于双叶瓣膜，而且血流动力表现优于双叶瓣，符合瓣膜的设计要求。
关键词：机械人工心脏瓣膜 三叶瓣膜 定常流测试 跨瓣压差 COSMOSFloworks2005
中图分类号：R319 文献标识码：A 文章编号：
Experimental Study of Steady Flow Patters of a Trileaflet
Mechanical Valve Model
LIAO Xiao-song, LUO Yang, LIU Sheng-qing, PAN Tian-jia
(College of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan
University, Chengdu 610065,China)
Abstract：The authors did an experiment on the steady flow patters of a trileaflet mechanical
valve model. T COSMOSFloworks 2005 was used as simulating software and measurements were made in the heart vlave model on different
flux include 5L/min, 10L/mini, 15L/min, and occluder different open angles include 79°,83°,87°. The trileaflet mechanical heart
valve model shows a smoother
central flow and it also shows far lower pressure difference than bileaflet
valve.
Keywords：
Mechanical heart valve ;Trileaflet heart valve;Steady flow tests;Transvalvular pressure gradient; COSMOSFloworks2005
1 引言
在过去40多年里，机械心脏瓣膜作为自然心瓣的替代品，并没有完全能够达到自然心脏瓣膜的理想功能。双叶机械心脏瓣膜是临床应用机械人工心瓣以来比较好的，例如跨瓣压差和流场表现最好的机械心瓣［1］，以及相对生物瓣有更长的耐用性；但其有并发症如［2］：血栓栓塞，溶血，还要终生服用抗凝药物等。因此离理想心瓣的要求还有较大的距离。理想的人工心瓣主要有［3］：跨瓣压差小，回流百分比小，不发生凝血和血栓等。
作为以往的人工心瓣，在设计上的限制，在血流经心瓣后有所滞留等现象，会激活血小板导致栓塞［4］［5］。本实验的三叶心瓣设计完全张开时是中心流型，完全闭合时三个瓣叶组合为一个圆锥形。
2 材料和方法
1．材料模型
本测试实验中三叶瓣膜模型设计是由三个扇形瓣叶组成，而三个扇形瓣叶又在完全闭合位置形成一个圆锥状，瓣叶圆锥顶部位于血流的下游，圆锥的底部位于血流的上游，这样设计有利于在血压下迅速打开瓣叶，所示；
三叶瓣膜模型 QT双叶瓣膜模型
三叶瓣膜与QT双叶瓣膜模型
三叶瓣膜的瓣叶打开和关闭时是绕着靠近孔环内壁的柱形枢轴转动，瓣叶的开启角度范围大概为45°～90°，枢轴图上未显示出来。三个瓣叶合拢，完全关闭时形成一个圆锥形。另一种测试的瓣膜是QT双叶机械瓣膜，该瓣膜的孔环架（或支架）是由钛合金制成，瓣叶则是由热解碳加工而成。叶瓣开闭运动是绕着孔环壁上的四个8字形铰轴旋转，开启和关闭受8字形槽限制，开启角度大约为35°～90°。
定常流测试模型
2．测试的模型及软件
测试的三叶瓣膜和双叶瓣膜模型，把它们放在所示的这样一个体外模型里进行定常流测试。
该模型分为三部分：装配模型内径为35mm，左下较短的一部分长35mm是流体的上游部分，右上较长的部分长105mm，为流体的下游部分，中间的标准孔口部分是放置瓣膜。即该三部分形成一个整体，流体在压力作用下从左下方，通过瓣膜向右上方流动。改变定常流流量和不同开启角度下，测量相应的压力。
该测试实验使用的软件是Solidworks 2005中的插件COSMOSFloWorks2005，在该插件中采用的流体没有血液这项，因此，我们把血液近似看成为水，并且在软件中自定义了流体的性质。
使用COSMOSFloWorks2005进行流体分析，大体的设定步骤有以下几步：
a) 预先设定测试工程参数：包括工程名称、自定义系统单位、定义流体类型、模型壁体参数等。
b) 设定各个工程参数的边界条件。选择需要分析的模型表面的流量、流速、压力等流体运动的物理量。
c) 设定目的项。设定想要得到和输出的某一模型表面、某一模型部件或整体的目标参数。
d) 进行分析运算。根据预先设定的参数系统进行分析计算。
e) 得到结果。可通过设定模型剖面、轮廓、表面等以等高线、等值线、向量、流线轨迹、3D轮廓等形式表示结果参数数值，同时还可以以Excel表格和图表形式给出报告。
3．测试的方法及依据
研究血流动力学的目的，是用力学的概念、理论、方法去了解和确定血液及心血管的流变学性质和流动规律：
表2 双叶瓣不同流量和开启角度下跨瓣压差（mmHg）
流 量瓣膜型号87°83°79°
5L/min19#1.76432.21332.6181
21#1.06841.35891.5341
23#0.73700.84830.9449
10L/min19#6.58478.40309.8985
21#3.79354.89215.7375
23#2.52593.14243.6235
15L/min19#14.20617.65722.123
21#8.638610.46412.857
23#5.53817.02558.3701
表3 三叶瓣不同流量和开启角度跨瓣压差（mmHg）
流 量瓣膜型号87°83°79°
5L/min19#0.03330.03840.0414
21#0.01880.01890.0207
23#0.01730.01600.0165
10L/min19#0.06780.07850.0843
21#0.03830.03850.0419
23#0.03540.03260.0334
15L/min19#0.10350.11990.1263
21#0.05830.05860.0635
23#0.05380.04940.0505
结合生物学、力学和医学方法去研究心血系统的力学特性与功能特性之间的联系，研究心血管的血流动力学相流变学表现与生理、病理效应，建立用于诊病和护理等方面的方法；用血流动力学的原理指导设计心血管人工器官――人工血液、人工血管、人工心瓣和人工心脏等【6】。
人工心脏瓣膜血流动力学的研究方法，从大的分类来说，有在体研究（体内测试）和离体研究两大类。
离体研究主要是采用模拟研究的方法，因为在研究中，由于客观条件限制，在原型上对现象或过程进行直接的研究，困难较大或甚至不能实现，在这样的情况下，就采用了间接的研究方法。即先设计该原型现象或过程的相似模型，然后间接地通过对模型地研究，得出有关原型地规律。这种方法对心血管系统力学和心瓣流体力学来说，得到了成功地应用。
一般中等身材的成年人静息时每分钟的心输出量为5L～6L/min［7］，在进行强体力劳动时，其心输出量可达静息时都5～6倍。正常人的各心室、心房的平均压力在2.8mmHg～130mmHg之间［8］。因此，根据以上的条件及国家标准要求［9］，测试时分别测试了双叶瓣和三叶瓣19＃、21＃、23＃瓣膜在5L／min、10L／min、15L／min定常流流量下沿测试管道的压力剖切分布图和瓣叶不同开启角度的跨瓣压差曲线图。
3 测试结果
以上的图所示，分别测试了双叶瓣膜和三叶瓣，分别在5L／min、10L／min、15L／min定常流流量下，瓣叶开启角度79°、83°、87°，每次递增不同开启角度进行测量相应的压力。以下>了三叶瓣19＃瓣膜在5L／min、10L／min、15L／min流量，瓣叶开启角度变化测试管中的压力变化及图4表示了双叶瓣19＃瓣膜同样条件下的压力变化。由于其他型号的瓣膜压力变化曲线图与19＃类似，因此只列出19＃瓣膜的曲线。
4 讨论及结论
人工心脏瓣膜在开启状态时，瓣环和瓣叶会对血流有阻滞的作用，由此就会产生压力阶差，即跨瓣压差。跨瓣压差是评价人工心脏瓣膜功能的最重要的血流动力学参数。
人工机械心脏瓣膜结构设计后第一阶段的体外试验中，体外定常流试验是最简单的，同时也是最能直接预判出心瓣结构设计优劣的评价手段。
在人工心脏瓣膜的研制过程中，认为跨瓣压差越小约好，接近于零是最理想的［10］。但同时要考虑瓣叶在瓣膜架内地闭合旋转运动是由血液反流推动力而被动运动的，开启角度过小，会影响瓣叶作闭合运动时的初始反应速度，会使血液反流量加大。但在实际的应用的人工心脏瓣膜都由于结构上等与自然心瓣的差异，因此都会存在不同程度的跨瓣压差。跨瓣压差受到不同流量、不同类型等诸多因素的影响，一般认为［11］，正常的跨瓣压差应小于40mmHg。而据了解目前国外较先进的双叶心脏瓣膜跨瓣压差一般在20mmHg以下［12］［13］。
三叶瓣19＃定常流量下的压差
图4 双叶瓣19＃定常流量下的压差
由图3、图4可看出，随着开启角度的增大，压差减小，作为中心流型的三叶瓣比三流道型的双叶瓣流动稳定、平缓；表2、表3的比较看出，19＃三叶心脏瓣膜在5L定常流流量下跨瓣压差不超过0.05mmHg。而双叶瓣在相同的条件下，最小也有1.6mmHg。随着流量的增加，跨瓣压差也有所增大，特别是双叶瓣的压差增大较为明显，三叶瓣则变化小得多。总的来说，三叶瓣的血流动力等方面的表现优于双叶瓣膜。
因此，由以上测试结果可得出结论：
1. 定常流流量在15L／min以下，各测定的瓣膜的跨瓣压差均小于20mmHg，比较符合瓣膜的设计要求；
2. 三叶人工心瓣在血流动力等方面的表现优于双叶瓣膜，可以看出三叶瓣有可能成为未来机械心脏瓣膜的研究发展方向，其应用也将会最近的俄罗斯新开发的三叶瓣就很好地说明了这一点［14］。
参 考 文 献
［1］ 康振黄 . 心瓣流体动力学. 四川教育出版社出版 1991年
［2］ 于奇 韩继彪 陶宇 疏元善 . 心脏瓣膜置换术后法华林抗凝治疗318例. 人民军医 , 2005年第48卷第四期
［3］ 邹盛铨 . 血流动力学与心血管人工器官. 成都科技大学出版社. 1991年
［4］ Wei Yin , Danny Bluestein , Jolyon Jesty：Flow Induced Platelet Activation in
Mechanical Heart Valve---in vitro Studies[J]. Proceedings of second joint EMBS/BMES conference, Huston, Tx, USA, October 23-26, 2002
［5］ Danny Bluestein, Wei Yin, Yared Alemu：Platelet Activation and free emboli formation in flow past mechanical heart valve—numerical and in vivo studies[J]. Proceedings of second joint EMBS/BMES conference, Huston, Tx, USA, October 23-26, 2002
［6］ 柳兆荣， 李惜惜. 血液动力学原理于方法[M]. 上海：复旦大学出版社. 1997年，12：87--90
［7］ 张钧华 霍勇 江丽蕙 . 临床血流动力学. 北京医科大学出版社 1999年
［8］ 冯建章 . 临床血流动力学. 广东科技出版社 . 1986年出版
［9］ 赵乐军，奚廷斐，陆颂芳，等. 中华人民共和国国家标准―人工心脏瓣膜GB 12279-2005，ISO5840-1990. 国家质量监督检验检疫总局发布.2005年
［10］ Wlikins GT, Gillan LD, Kritzer GL,
et al. Validation of continuous—wave
Dopplerechocardiographic measurements of mitral and tricuspid prosthetic valve gradients: A simultaneous Doppler—catheter study[J]. Circulation, 1986(74): 786--795
［11］ Labovitz Aj. Assessment of prosthetic heart valve function by Doppler ic posechocardiography[J]. Circulation, 1989(80): 707--709
［12］ Izzat MB, Bird I, wilde P, et al. Comparison of hemodynamic performance of St. Jude Medical and Carbo Medics 21mm aorttheses by means bobutamine stress echocardiography[J]. thorac Cardiovasc Surg, 1996(111)408--415
［13］ Rashitan M Y , Sevenson D A, Allen DT, et al. Flow characteristics of four commonly used mechanical heart valves[J]. Am J chardiol , 1986(58): 743--752
［14］ International Journal of Medical management[J]. May 2005 , 81--82
