瓣膜性心脏病作为临床常见病、多发病,是心血管疾病发病率和死亡率升高的重要原因。当前瓣膜性心脏病的主要治疗方式是瓣膜置换术,其手术效果与植入的人工瓣膜密切相关。临床上人工瓣膜的选择主要取决于医生的经验和技术。对人工瓣膜生物力学机制的研究可以为瓣膜选择和手术效果优化提供初步的理论依据。运用计算数学的方法建立瓣膜仿真模型,并进行瓣膜置换虚拟手术是当前瓣膜研究的一个重要手段。本文首次提出基于瓣膜各向异性的力学特性和任意拉格朗日-欧拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE）方法建立双向三维瓣膜流固耦合（Fluid-structure interaction,FSI）模型,并运用该模型研究瓣膜尺寸、瓣膜材料和厚度对置换手术效果的影响,为人工瓣膜的选择和手术方案的优化提供了一个高效益、低风险的研究途径。论文主要包括以下四个方面。本文根据双轴拉伸实验获得肺动脉瓣瓣叶的材料特性,引进各向异性Modified MooneyRivlin模型表征瓣叶的力学特性,并利用该材料性质建立法洛四联症患者的正常三瓣叶和病变二叶式肺动脉瓣（Bicuspid Pulmonary Valve,BPV）及其根部的动态计算模型。结果显示,BPV在瓣膜打开时瓣叶上的应力应变分布模式与正常肺动脉瓣有显著差异,尤其在瓣膜完全打开时,BPV瓣叶上的应力和应变峰值分别比正常肺动脉瓣高94.29%和70.74%,且BPV模型的几何开口面积比正常肺动脉瓣减少55.56%。瓣膜尺寸是影响瓣膜置换术效果的重要因素之一。本文结合瓣膜的各向异性的材料性质和患者左心室流出道的血流速度数据,提出了一种新的、基于ALE方法的双向三维瓣膜FSI模型。本文采用该FSI建模方法建立了19 mm（No.19）,21 mm（No.21）,23 mm（No.23）和25mm（No.25）4种瓣膜尺寸的主动脉根部模型,并进行不同瓣膜尺寸的虚拟主动脉瓣膜置换（Aortic Valve Replacement,AVR）手术,以优化AVR手术中瓣膜尺寸的选择。初步结果表明使用较大尺寸的瓣膜可以显著改善AVR术后瓣膜的血流动力学性能。其中No.25瓣膜的最大血流速度、平均瓣口压差、平均跨瓣压差（Systolic cross-valve pressure difference,SCVPD）和流体剪切应力（Flow shear stress,FSS）分别比No.19瓣膜低44.60%、49.08%、49.32%和42.45%。另外,No.25瓣膜的几何开口面积比No.19瓣膜高52.03%。猪瓣和牛瓣是AVR手术中常用的人工瓣膜,但临床上对于两种瓣膜的选择还没有定论。在上述FSI模型的基础上,本文使用患者的主动脉压力数据作为模型的出口边界条件,建立了一种更加精确的双向三维瓣膜FSI模型。我们构建了包括4种瓣膜尺寸和2种瓣膜材料（猪瓣和牛瓣）在内的8个主动脉根部FSI模型以研究瓣膜材料对AVR手术效果的影响。初步结果显示,与猪瓣相比,牛瓣具有更好的血流动力学性能和更低的瓣叶应力。4个牛瓣模型的最大血流速度、平均SCVPD、峰值SCVPD、瓣叶上的FSS和应力分别比4个猪瓣低7.17%、8.92%、9.28%、6.61%和5.76%。牛瓣模型有更大的开口面积,其值比猪瓣模型高9.56%。运用上述猪瓣模型的材料性质、边界条件以及建模方法,本文构建了瓣叶厚度为0.24 mm的4种瓣膜尺寸的薄猪瓣双向三维FSI模型,通过与上述猪瓣模型对比,研究瓣叶厚度对瓣膜的血流动力学和瓣叶上的应力的影响。初步结果表明,瓣叶厚度对瓣叶上的应力有显著影响,但在瓣膜的血流动力学方面无显著差异。薄猪瓣模型比猪瓣模型的厚度减小了40%,但其瓣叶上的平均应力增加了46.52%。本文的创新点包括:a)提出基于瓣膜各向异性的材料特性和ALE方法建立双向三维瓣膜FSI模型,并运用该模型进行瓣膜置换虚拟手术,为准确模拟瓣膜力学机制和优化瓣膜置换手术提供了可能;b)结合动态有限元模型和肺动脉瓣各向异性的材料性质,研究BPV的几何结构对瓣膜及其根部应力应变分布的影响;c)运用瓣膜FSI模型和患者的血流速度数据,开展不同瓣膜尺寸的虚拟AVR手术研究,提出了优化AVR手术中瓣膜尺寸的初步方案;d)使用患者的主动脉压力数据,建立猪瓣和牛瓣的FSI模型,并通过比较猪瓣和牛瓣的力学特性来指导AVR手术中瓣膜材料的选择;e)运用瓣膜FSI模型进行不同瓣叶厚度的虚拟手术,研究瓣叶厚度对AVR手术效果的影响。