基于IB/FE方法的微重力环境下左心室-二尖瓣流固耦合模型构建及心功能动态模拟研究

【编辑推荐】为探究长期太空飞行对宇航员心血管系统的影响，研究人员采用浸入边界/有限元（IB/FE）方法构建左心室（LV）-二尖瓣（MV）流固耦合模型，模拟零重力、月球（0.167 g）、火星（0.38 g）等不同重力环境下心脏动态形变与血流动力学参数变化。结果证实LV球形化程度与重力水平呈线性相关，为制定太空心血管防护策略提供理论依据。

　　

太空探索的浪漫背后隐藏着严峻挑战——长期微重力环境会导致宇航员心脏质量减少10%-15%，并可能引发心律失常、心功能衰竭等严重问题。尽管既往研究通过航天实测和模拟实验获取了部分血流动力学数据，但无法揭示心脏内部应力应变分布及瓣膜特性变化机制。为此，中国研究人员在《Life Sciences in Space Research》发表创新成果，通过建立首个完整的人类LV-MV流固耦合模型，首次实现多重力环境下心脏结构与功能的动态模拟。

研究团队采用浸入边界/有限元（IB/FE）这一前沿计算方法，将LV几何形态与重力水平、舒张末期压力的关联性作为边界条件，构建包含流入/流出道、腱索结构和瓣膜叶片的三维模型。技术核心在于整合流体动力学与固体力学方程，并引入三元素Windkessel模型模拟生理性压力边界条件。

【方法】基于前期建立的MV-LV几何模型（图1），研究人员在8组腱索支撑的瓣膜结构中植入超弹性材料参数，通过调整LV球形度指数匹配不同重力环境。模型验证阶段，零重力模拟数据与航天实测结果高度吻合。

【比较LV压力与容积】数据显示：零重力下LV舒张末期容积增加20.13%，收缩末期容积增长4.91%，射血分数下降3.76%。月球和火星重力环境呈现梯度变化，证实重力减弱导致LV容积扩张和泵血效率降低。

【讨论】球形度（Sphericity）作为关键指标，揭示LV形态与重力强度的线性关系。微重力引发的LV球形化改变不仅影响心室应力分布，还可能通过改变电传导路径诱发心律失常。模型预测结果与抛物线飞行、头低位卧床实验数据相互印证。

【结论】该研究首次量化不同重力水平下LV-MV系统的力学响应，证实IB/FE模型在太空医学研究的适用性。成果为开发对抗太空心血管功能衰退的防护措施（如人工重力训练方案）提供精准的生物力学依据，对保障载人登月/火星任务具有重大战略价值。