我们有机会在2025SIMULIA欧洲北部地区用户会议(RUM)上采访美敦力公司的高级首席工程师大卫·马丁了解他的演讲内容:《模型与仿真工具在美敦力公司开发经导管心脏瓣膜设备中的作用》。听听美敦力公司如何利用 SIMULIAAbaqus 的结构仿真技术来协助开发能够挽救生命的经导管心脏瓣膜。
挑战：
在极端变形条件下准确模拟精细生物瓣膜的完整压溃过程，以确保在物理测试前的安全性和现实可靠性。
解决方案：
美敦力的工程师们与来自 SIMULIA服务中心(SIMULIAServices Hub)的模拟专家及其结构模拟技术Abagus合作，进行了高精度的迭代压接模拟，以捕捉复杂的非线性组织及材料行为
益处：
全挤压建模技术能够加速设计信心提升、减少昂贵的实物构建次数、强化监管证据，并支持更安全、更快速地开发下一代经导管心脏瓣膜产品。
模拟精准:美敦力工程师如何推动心脏瓣膜创新
SIMULIA Abaqus使美敦力工程师能够以速度、准确性和以患者为中心的精度设计和测试下一代心脏瓣膜。
美敦力公司始终巧妙地将工程卓越性与医疗创新相结合。从第一款电池驱动的起搏器到如今的微型无导线设备(通过静脉植入)，公司的使命始终未变:运用先进技术改善生活。同样的承诺也推动其在经导管心脏瓣膜置换领域的开创性工作。这一手术通过导管系统输送生物瓣膜，使患者无需进行开放式心脏手术。
仅在美国一地，每年就有超过500万人被诊断出患有心脏瓣膜疾病。若不予治疗，此病可能导致心力衰竭乃至死亡。当原发性瓣叶因钙化而变得僵硬时，疾病便会随。之发展，迫使心脏需更加用力地泵血。数十年来，唯一有效的治疗方法便是心脏直视手术，但这往往是一项高风险的选择，尤其是对于老年患者而言。
每个阀门内部隐藏的挑战
过去20年来，经导管心脏瓣膜置换术彻底改变了心脏护理方式。如今，外科医生无需开胸，而是通过腹股沟处的小切口引导生物瓣膜，并将其植入到功能衰竭的原生瓣膜内。“随后，生物瓣膜会通过输送系统被植入......患者通常当天就能出院，”美敦力公司的高级首席工程师大卫·马丁解释道。
开发这些救命的装置带来了巨大的设计挑战。每个阀门都必须被压扁到其标准尺寸的极小一部分，以便能够装。入导管并穿过人体的血管系统。“这些阀门直径可能为20到40毫米，”马丁指出。“为了被送入心脏，它们必须被压扁到6到7毫米的直径，并装入导管输送系统然后导管被插入腹股沟处的股动脉，并穿过主动脉进0入心脏的腔室。”
压紧过程会在多种材料(金属框架、生物假体软组织及缝合线)上引发极端的应力和变形，而这些材料在投入使用时都必须完美运作。“我们的工作重点是确保生物假体瓣膜能够准确送达目标解剖部位，并在投入使用后能够可靠地运作数十年，”马丁强调道。对于美敦力而言，患者安全是重中之重，正因如此，美敦力的工程师在产品开发过程中仅使用最高端的模拟工具。
破解压接密码
为了克服这些复杂的挑战，美敦力公司转向了SIMULIA的有限元分析(FEA)软件Abaqus。通过模拟，工程师可以虚拟地模拟心脏瓣膜整个生命周期的过程，从压紧到安装，而无需先制作单个原型。美敦力公司的工程师在设计和发展经导管心脏瓣膜的各个阶段广泛使用建模工具，包括加速概念评估、进行详细设计优化以及在提交监管申请前的设计验证活动。
在最近的一次合作中，美敦力的工程师们与来自SIMULIAServicesHUB的仿真专家联手，攻克了心脏瓣膜设计中最艰巨的步骤:模拟整个压紧过程，包括所有组织组件。马丁表示:“由于存在极端的变形和接触，这是一个非常具有挑战性的问题。”挑战不仅在于将设备压缩到适合放入输送导管的大小，还在于同时处理附着在生物假体组织(取自动物的经处理生物材料)上的问题。与金属或塑料不同，生物假体组织极易发生拉伸、起皱、撕裂和变形，这使得其物理术为到。其基红接形与理道。这揭示了生物力学模拟的局限性，而最终这有助于工程师们为依赖此类装置的病人设计出更为安全的瓣膜。
SIMULIA服务枢纽在英国的专家们与戈尔韦美敦力团队密切合作了几周。“我们为他们提供了所需的一切我们尽己所新地供我我们问民商是的际以高正党道江还项目不保展了金尽培牌在压接过程中可能的表现。
马丁认为SIMULIAAbaqus在此类要求严苛的应用中表现出色，值得信赖:“我个人一直使用Abaqus，因为该软件求解器拥有良好的通用性能历史。
通过仿真建立信心
建模和仿真技术彻底改变了美敦力公司设计、测试和验证其设备的方式。马丁解释说:“制造和测试我们所研究的瓣膜设备成本极高。任何我们能够提前采取的措施，以确保我们只构建和测试那些我们确信可靠的瓣膜设计，都会对我们有所帮助。这正是建模和仿真技术在美敦力公司发挥巨大作用的地方。
现在，模拟技术已能支持开发过程的每一个阶段，从早期的概念探索到监管验证。“我们将尽可能地榨取每一分性能，”马丁补充道。虚拟测试数据还能通过展示安全性和有效性来支持FDA的申报工作，从而确保设备能够按预期运行，不会对患者造成任何风险。
此外，这还带来了实质性的效率提升。在一个项目中，美敦力通过100次分析运行优化了支架设计。这种物理重现原本需要数月甚至数年时间。(支架设计是金属支架结构的格子状组件，在瓣膜被压缩、输送和展开后，它们将生物组织固定在适当位置。)马丁证实:“如果你考虑建造和测试100个支架所需的时间，那将是数月甚至数年的时间。”我们仅用不到四分之一(三个月)的时间就完成了这项工作。这表明，基于模拟的虚拟测试可以提前进行，并将实际数据呈现给管理层，从而为继续采用基于模拟的产品开发方法提供了强有力的理由。
除了提高效率外，模拟技术还强化了美敦力在准确性及患者安全方面毫不妥协的标准。“我们在美敦力投入了大量工作，以确保我们的模型能够准确反映现实情况。验证和确认确保了准确性，”马丁总结道。
从验证到愿景
模拟技术已深深融入美敦力的工程文化之中。“当我于2014年加入公司时，有4名专门的模拟工程师在结构性心脏病业务部门工作，”马丁回忆道。“如今，这一数字已接近40或更多。”这种10倍的增长凸显了公司对模拟技术的信心，以及公司认为虚拟测试如今已成为医疗设备开发的核心。
通过与SIMULIA合作并利用其结构仿真技术Abaqus，美敦力公司继续引领介入式心脏瓣膜设计的演进，同时提高可靠性、降低成本和缩短开发时间，最终为全球患者带来更安全的治疗结果。曾经只是一种辅助工具，如今仿真已成为美敦力公司如何将创意转化为拯救生命的创新的关键基石。
资料来源：达索官方
