Методические основы расчета связной задачи взаимодействия жидкости и твердого тела для оценки гемодинамики аортального клапана
Автор: Пиль Н.Е.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 2 т.30, 2026 года.
Бесплатный доступ
Аортальный стеноз остается одной из наиболее значимых клапанных патологий сердечно-сосудистой системы. Рост числа реконструктивных и транскатетерных вмешательств усиливает потребность в количественной оценке работы аортального клапана, поскольку ряд определяющих характеристик, включая локальные напряжения и деформации створок, пристеночные касательные напряжения и пространственную структуру потока, не может быть полноценно определен in vivo. В работе предложена методика расчета гемодинамики аортального клапана, основанная на связной постановке взаимодействия жидкости и твердого тела. Выполнен анализ влияния моделей материала створок на характеристики клапана в норме, при патологии и после операции Озаки в двумерной и трехмерной постановках. Показано, что выбор определяющих соотношений существенно влияет как на интегральные гемодинамические показатели, так и на локальный механический отклик створок. Для уточнения параметров моделей материала предложен подход на основе эхокардиографии, включающий отслеживание движения створок и сопоставление восстановленных траекторий с результатами численного расчета. Для задания физиологически обоснованных граничных условий использована механо-электрофизиологическая модель левого желудочка, позволяющая получать пространственно распределенное поле скорости в выходном тракте. Показано, что использование такой модели изменяет структуру входного потока и приводит к перераспределению скоростей и нагрузок в области клапана. Сравнение полной связанной постановки и модели деформируемого твердого тела показало, что упрощенная постановка не воспроизводит пространственно-временную структуру гидродинамической нагрузки на створки. Для биопротезного клапана установлено, что его оценка требует комплексного подхода, объединяющего экспериментальное исследование механических свойств материала и последующее гемодинамическое моделирование.
Аортальный клапан, гемодинамика, взаимодействие жидкости и твердого тела, математическое моделирование, модели материала створок, электрофизиология левого желудочка, моделирование биопротезов клапана
Короткий адрес: https://sciup.org/146283362
IDR: 146283362 | УДК: 531/534: [57+61] | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2026.2.01
Methodological foundations of fluid–structure interaction modeling for the assessment of aortic valve hemodynamics
Aortic stenosis remains one of the most significant valvular pathologies of the cardiovascular system. The growing number of reconstructive and transcatheter interventions increases t,he demand for quantitative assessment of aortic valve function, since several key characteristics, including local leaflet stresses and strains, wall shear stresses, and the spatial structure of the flow, cannot be fully determined in vivo. This study proposes a methodology for calculating aortic valve hemodynamics based on a coupled fluid–structure interaction formulation. The influence of leaflet material models on valve characteristics in the healthy state, pathological state, and after the Ozaki procedure was analyzed in both twodimensional and threedimensional settings. It is shown that the choice of constitutive relations significantly affects both integral hemodynamic parameters and the local mechanical response of the leaflets. To refine the parameters of the material models, an echocardiographybased approach was proposed, including leaflet motion tracking and comparison of the reconstructed trajectories with numerical simulation results. To prescribe physiologically grounded boundary conditions, a mechanoelectrophysiological model of the left ventricle was employed, making it possible to obtain a spatially distributed velocity field in the left ventricular outflow tract. It is shown that the use of such a model alters the structure of the inflow and leads to a redistribution of velocities and loads in the valve region. A comparison between the full coupled formulation and a structural finite element model of a deformable solid showed that the simplified formulation does not reproduce the spatiotemporal structure of the hydrodynamic load acting on the leaflets. For the bioprosthetic valve, it was established that its assessment requires a comprehensive approach combining experimental characterization of material mechanical properties with subsequent hemodynamic modeling.
