SIMULIA精准仿真：美敦力(Medtronic)工程师如何推动心脏瓣膜技术创新
我们在 2025 年 SIMULIA 欧洲北部区域用户大会（RUM）上，专访了美敦力公司高级首席工程师大卫・马丁，本次专访围绕他的演讲主题《建模与仿真工具在美敦力经导管心脏瓣膜器械研发中的作用》展开，为大家揭秘美敦力如何借助 SIMULIA Abaqus 结构仿真技术，推动救命的经导管心脏瓣膜研发工作。
核心摘要
挑战：精准仿真精密生物人工心脏瓣膜在极端形变下的完整压握过程，确保物理测试前产品的安全性与实际工况可靠性。
方案：美敦力工程师联合 SIMULIA 服务中心的仿真专家，运用 Abaqus 结构仿真技术，开展高保真、迭代式压握仿真，精准复现生物组织与材料的复杂非线性力学行为。
价值：全流程压握建模提升设计可靠性，减少高成本物理样机制作数量，强化监管申报佐证材料，助力下一代经导管心脏瓣膜更安全、更高效地研发落地。
精准仿真：美敦力工程师如何推动心脏瓣膜技术创新
SIMULIA Abaqus 助力美敦力工程师以更快速度、更高精度、以患者为核心的严苛标准，设计并测试下一代心脏瓣膜产品。
美敦力始终将顶尖工程技术与医疗创新深度融合。从全球首款电池驱动起搏器，到如今通过静脉植入的微型无导线器械，公司的使命始终如一：用科技改善生命质量。这份初心也驱动着美敦力在经导管心脏瓣膜置换领域的开拓性研究 —— 该技术通过导管系统输送生物人工瓣膜，让患者无需接受开胸手术。
仅在美国，每年就有超 500 万人确诊心脏瓣膜病。若未及时治疗，该病会引发心力衰竭甚至死亡。心脏瓣膜病的病理机制为原生瓣膜瓣叶因钙化僵硬，导致心脏泵血负荷大幅增加。数十年来，开胸手术是唯一治疗方案，该方案风险极高，对老年患者尤为不友好。
心脏瓣膜内部的隐形研发难题
过去 20 年间，经导管心脏瓣膜置换术彻底革新了心脏医疗方案。医生无需打开患者胸腔，仅需在腹股沟处做微小切口，将生物人工瓣膜通过血管输送至病变原生瓣膜内部并完成释放。美敦力高级首席工程师大卫・马丁介绍：“生物人工瓣膜通过输送系统完成释放后，患者通常当天即可出院。”
这类救命器械的研发面临极高的设计挑战。每一枚瓣膜都需被压握至原尺寸的几分之一，才能装入导管并穿越人体血管系统。马丁说明：“瓣膜的直径通常为 20-40 毫米，而为了输送至心脏内部，必须压握至 6-7 毫米直径，装入导管输送系统。随后导管经腹股沟股动脉插入，沿主动脉输送至心脏腔室。”
压握过程会让金属支架、生物人工软组织、缝合线等多种材料承受极端应力与形变，而瓣膜释放后必须保证所有组件完美运作。马丁强调：“我们工作的核心目标，是确保生物人工瓣膜精准输送至目标解剖位置，且释放后能可靠工作数十年。” 患者安全是美敦力的第一准则，这也是美敦力工程师在产品研发中仅采用顶级仿真工具的核心原因。
攻克压握仿真技术难题
为攻克这类复杂挑战，美敦力选用了 SIMULIA 旗下的有限元分析（FEA）软件Abaqus。借助仿真技术，工程师可在制作任何物理样机前，对心脏瓣膜从压握到释放的全生命周期进行虚拟建模。美敦力工程师在经导管心脏瓣膜的全设计研发阶段广泛运用建模工具，包括加速方案评估、精细化设计优化，以及监管申报前的设计验证工作。
在近期的合作项目中，美敦力工程师与 SIMULIA 服务中心的仿真专家联手，攻克心脏瓣膜设计中最棘手的环节：包含全部软组织组件的完整压握过程仿真。马丁表示：“由于存在极端形变与复杂接触，这是一项难度极高的课题。” 核心挑战并非仅将器械压缩至可装入输送导管，而是在连带生物人工组织（动物源处理生物材料）的前提下完成压握。与金属或塑料不同，生物人工组织极易拉伸、起皱、撕裂、屈曲，物理力学特性极为苛刻。他解释：“生物组织极度精密，形变与接触状态极端复杂，多种非线性材料相互接触作用。” 这项工作突破了生物力学仿真的技术极限，最终助力工程师为患者研发更安全的瓣膜产品。
SIMULIA 英国服务中心的专家与美敦力戈尔韦研发团队进行了数周的紧密协作。马丁表示：“我们为团队提供了全部所需资源，在专业领域提供支持，而团队负责执行仿真工作，直至达成我们在问题定义阶段约定的研发目标。” 该项目不仅验证了高效开展全尺寸压握仿真的可行性，还让研发团队对组织组件在压握过程中的力学行为有了更深入的认知。
马丁对 SIMULIA Abaqus 在高要求工况下的可靠性给予高度认可：“我个人长期使用 Abaqus，正是因为其求解器在长期应用中展现出稳定优异的综合性能。”
以仿真技术筑牢设计信心
建模与仿真技术彻底革新了美敦力的器械设计、测试与验证流程。马丁明确表示：“我们所研发的心脏瓣膜，其生产与测试成本极高。任何能在前期帮助我们筛选出高可靠性设计、减少无效样机制作与测试的手段，都极具价值。这也是建模与仿真技术在美敦力发挥核心价值的关键所在。”
仿真技术现已覆盖研发全流程，从早期方案探索到监管验证全环节支撑。马丁补充：“我们会充分挖掘仿真工具的全部性能潜力。” 虚拟测试数据可作为安全性与有效性的佐证材料，支持 FDA（美国食品药品监督管理局）申报，确保器械按设计预期运作，无患者安全风险。
此外，仿真技术带来了显著的效率提升。在某项目中，美敦力通过 100 次分析迭代完成支架框架设计优化，这项工作若采用物理测试，需耗时数月甚至数年。（支架框架为金属支架结构的格栅状组件，用于瓣膜压握、输送、释放后固定生物人工组织。）马丁证实：“若计算制作并测试 100 个支架框架的时间，至少需要数月，甚至数年。而我们通过仿真，在不到一个季度（3 个月）的时间内就完成了全部工作。” 向管理团队展示前期可开展仿真驱动虚拟测试的实测数据，进一步夯实了美敦力以仿真驱动产品研发的战略方向。
除效率提升外，仿真技术还支撑了美敦力对精度与患者安全的极致标准。马丁总结：“美敦力投入大量资源，确保仿真模型与真实工况高度匹配，而模型验证与确认是保障精度的核心手段。”
从技术验证到企业战略
仿真技术已深度融入美敦力的工程文化。马丁回忆：“2014 年我刚加入公司时，结构性心脏病业务部门仅有 4 名专职仿真工程师；如今，团队规模已扩充至近 40 人。” 十倍的人员增长，印证了公司对仿真技术的信心，也体现出虚拟测试已成为医疗器械研发的核心支柱。
通过与 SIMULIA 合作，依托 Abaqus 结构仿真技术，美敦力持续引领经导管心脏瓣膜的设计革新，同时提升产品可靠性、降低研发成本、缩短研发周期，最终为全球患者提供更安全的治疗方案。仿真技术曾是辅助工具，如今已成为美敦力将创意转化为救命创新的核心基石。
