牛生物瓣膜瓣叶颤振模式定量表征：揭示流体-结构相互作用与结构瓣膜退化的关联

《Annals of Biomedical Engineering》：Modes of Leaflet Fluttering: Quantitative Characterization of a Bovine Bioprosthetic Heart Valve

本研究针对主动脉生物瓣膜(BHV)植入后瓣叶在收缩期发生的颤振现象(LF)，通过体外实验与流体-结构相互作用(FSI)计算模拟，首次系统定量表征了两种不同的LF模式：高频低幅的瓣叶尖端振动(V-mode, 150-380 Hz, 0.2-0.8 mm)和低频高幅的瓣叶基底部至尖端的行波运动(T-mode, 30-90 Hz, 0.4-2.6 mm)。研究证实LF受心输出量(CO)、流入道条件及个体瓣叶特性影响，并揭示了其与大规模涡旋脱落的关联，为理解LF在结构瓣膜 deterioration(SVD)中的作用及优化BHV设计提供了关键见解。

　　

在心脏瓣膜置换领域，生物瓣膜(Bioprosthetic Heart Valves, BHVs)因其良好的血流动力学性能和较低的血栓形成潜力，应用日益广泛，尤其在经导管主动脉瓣植入(TAVI)技术和年轻患者中。然而，BHVs的长期耐久性面临巨大挑战——结构瓣膜退化(Structural Valve Deterioration, SVD)。SVD是一个复杂的长期过程，包括钙化、纤维化、组织撕裂和穿孔等，其根本机制尚未完全阐明，但机械疲劳被认为是重要因素之一。在此背景下，瓣叶在心脏收缩期出现的快速振动，即瓣叶颤振(Leaflet Fluttering, LF)，引起了研究人员的关注。LF被认为可能通过反复的机械应力加速瓣叶材料的疲劳，从而参与SVD的进程。尽管既往研究有所报道，但关于LF的定量特征、其背后的物理机制以及其对瓣膜耐久性的具体影响，仍存在许多争议和未知。例如，不同研究报告的颤振频率范围极宽（15-750 Hz），且其发生条件（如与心输出量的关系）结论不一。这些矛盾提示，可能存在不同的颤振模式，或者结果受到瓣膜设计、实验条件等多种因素的干扰。因此，对LF进行系统、定量的表征，并深入探究其驱动机制，对于评估瓣膜功能、预测其长期性能乃至优化瓣膜设计都具有至关重要的意义。

为解决上述问题，由Silje Ekroll Jahren等人组成的研究团队在《Annals of Biomedical Engineering》上发表了他们的最新研究成果。他们以一款牛心包材质的外科手术用BHV（Edwards Intuity Elite 21 Valve）为研究对象，综合运用先进的体外实验和高保真计算模拟，旨在：1. 在严格控制变量的条件下，系统地表征BHV的LF行为；2. 识别与LF相关的关键流场结构。

研究人员为开展本研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，他们构建了一个包含可透视硅胶主动脉根部模型的体外脉动流循环系统，使用与血液粘度相近的甘油-盐水混合液作为循环液，通过调节心输出量(CO)和主动脉压来模拟不同生理状态（如CO=3.5 L/min, 100/60 mmHg 和 CO=5.0 L/min, 120/70 mmHg）。其次，利用两台高速摄像机（2000帧/秒）从轴向和径向两个视角同步记录瓣膜在整个收缩期的运动。此外，还通过改变左心室流出道流入条件（无修饰 vs. 指数型喇叭口EXP插入）以及旋转瓣膜和主动脉根部的相对方位，系统考察了多种因素对LF的影响。在计算模拟方面，研究团队建立了一个高保真的流体-结构相互作用(FSI)模型，该模型基于实验所用的BHV几何构型，采用浸入边界法耦合求解Navier-Stokes方程和瓣叶组织的结构动力学方程，对CO=5.0 L/min条件下的瓣膜运动和相关血流进行了直接数值模拟(Direct Numerical Simulation)，网格分辨率高达125微米。

研究结果

瓣叶颤振的模式

研究发现，瓣叶颤振主要表现为两种截然不同的模式：

1. 1.
   V模式：表现为瓣叶游离缘尖端的高频（150-380 Hz）、低振幅（0.2-0.6 mm）振动。这种振动通常是连续的。
2. 2.
   T模式：表现为从瓣叶附着基底部向尖端传播的低频（30-90 Hz）、高振幅（0.8-2.3 mm）行波。这种模式通常是间歇性的，单个心动周期内可观察到1-7个波。

在某些情况下，同一瓣叶可同时存在这两种模式。计算模拟结果成功地复现了这两种模式，证实了LF是一种固有的流体-结构相互作用现象，而非实验伪影。

影响瓣叶颤振的因素

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  心输出量(CO)：更高的CO（5.0 vs. 3.5 L/min）使LF更易发生，且V模式的频率、T模式波的数量和振幅均显著增加。
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  个体瓣叶特性：T模式颤振表现出明显的瓣叶依赖性，主要发生在瓣叶1和2上，而瓣叶3则几乎不出现T模式，但易出现V模式。这种差异不能归因于实验系统的不对称性，提示瓣膜自身微小的几何或材料属性差异对LF有重要影响。
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  流入道条件：使用指数型喇叭口(EXP)平滑流入流场，可以减少流入扰动，从而在某些条件下（如较低CO时）抑制LF的发生，并降低V模式和T模式的振幅。
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  瓣膜方位：旋转瓣膜在主动脉根内的方位，对LF特征无显著影响，排除了重力或主动脉根模型本身不对称性的主要作用。

与瓣叶颤振相关的流场结构

FSI模拟揭示了两种颤振模式背后不同的流体动力学机制：

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  V模式：当瓣叶处于最大开放位置时，仅在瓣叶尖端发生，与小尺度涡旋的脱落和向下游输运相关。
  
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  T模式：伴随着瓣叶的S形弯曲，在瓣叶腹部产生流动分离和回流区。随着行波向尖端推进，在瓣叶弯曲处形成涡旋，最终在波到达瓣叶尖端时，导致一个大尺度涡环的脱落。

结论与讨论

本研究首次对牛生物瓣膜的瓣叶颤振现象进行了系统性的定量表征，明确区分了高频瓣尖振动（V模式）和低频行波运动（T模式）两种基本模式。研究结果表明，LF并非单一现象，其发生和特征受到全局血流动力学参数（如心输出量）、局部流体不稳定性以及瓣叶自身机械特性的共同调控。V模式可能是一种与流速相关的自激振荡，而T模式则与瓣叶腹部涡旋的周期性生成和脱落密切相关。计算模拟直观地展示了两种模式对应的涡旋脱落过程，为理解其力学成因提供了直接证据。

该研究的发现具有多重重要意义。首先，它澄清了以往研究中关于LF频率、振幅和发生条件存在矛盾的可能原因，即不同研究可能观测到了不同主导模式的LF。其次，研究证实LF对个体瓣叶的微小差异极为敏感，这提示在瓣膜制造过程中严格控制瓣叶的一致性对于稳定其动力学行为、保证长期性能至关重要。最重要的是，两种LF模式所产生的周期性机械应力，均是潜在的、加速BHV结构瓣膜退化(SVD)的疲劳因素。因此，在瓣膜设计阶段，通过优化瓣叶几何形状（如减小腹部曲率以抑制T模式）、材料特性或支架结构来主动调控或抑制有害的LF模式，可能成为延长BHV使用寿命的一种新策略。尽管目前临床影像技术尚难以精确观测V模式，但T模式的大幅运动可能为评估瓣膜状态提供有价值的诊断信息。未来研究可拓展至更多瓣膜设计和尺寸，并进一步探索LF与特定SVD病理改变（如钙化灶形成）之间的直接关联。