射流方向对简化主动脉模型中能量耗散与压力损失的影响

《Results in Engineering》：Influence of Jet Orientation on Energy Dissipation and Pressure Loss in a Simplified Aortic Model

　　

： 主动脉瓣置换术（aortic valve replacement, AVR），包括外科主动脉瓣置换术（surgical aortic valve replacement, SAVR）和经导管主动脉瓣植入术（transcatheter aortic valve implantation, TAVI），是严重主动脉瓣疾病患者广泛应用的干预手段。尽管临床疗效确切，AVR受限于有限的耐久性，常因结构性瓣膜退化而在10–15年内需要再次干预。此外，即使手术技术上成功，瓣膜植入后欠佳的血流动力学表现可导致持续性左心室（left ventricular, LV）压力负荷增加，由此增加的心脏负荷促进病理性重构，包括左心室肥厚（left ventricular hypertrophy, LVH）的发生。 描述瓣膜性能的主要血流动力学参数是跨瓣压力损失，其源于主动脉内复杂的血流结构。传统上，压力损失通过简化替代指标如峰值射流速度和几何开口面积（geometric orifice area, GOA）估算，常基于Gorlin方程。然而，这些传统指标未能完全捕捉下游血流结构的影响，后者对主动脉管腔内能量耗散有显著贡献。事实上，即使在健康主动脉中，复杂流动模式和扰动性非层流区域也已被认识，挑战了传统上完全层流生理血流的假设。压力损失不仅取决于瓣膜开口面积和由此产生的射流速度，还取决于速度剖面、射流方向和主动脉几何形态。因此，近期研究开始关注湍流动能（turbulent kinetic energy, TKE）分布和黏性耗散率等流动依赖性参数，将其作为压力损失更直接的決定因素。 瓣膜类型、设计和植入方向均已知显著影响主动脉血流模式。Hohri等人报道，猪和牛生物瓣膜产生不同的下游血流动力学——螺旋状与涡旋状——从而改变LV负荷条件。Geiger等人使用四维血流磁共振成像（4D flow MRI）证明，与二叶式瓣膜相关的异常血流动力学与LV重构相关。同样，TAVI瓣膜类型和植入方向已被证明可调节下游射流行为。Hatoum等人强调，瓣膜倾斜改变窦部血流动力学如冲刷和滞留，但其分析未延伸至整体主动脉压力损失。此外，多项4D flow MRI研究揭示，主动脉瓣狭窄患者中，收缩期射流常偏离主动脉中心线，显著改变下游流场。 尽管有这些观察，射流方向与整体压力损失之间的基本流体动力学联系仍未得到充分量化。在弯曲管道中，流线曲率产生二次运动，离轴射流冲击可进一步改变这些横向结构的强度和分布。然而，射流方向与这种二次流相互作用以改变主动脉能量收支的方式仍不清楚。 在本研究中，研究人员因此使用简化主动脉模型作为受控的典型框架，在稳态流动条件下系统研究射流方向对整体压力损失和能量耗散的影响。在保持几何开口面积（GOA）和流动条件的同时改变射流方向，从而将几何对齐的影响与瓣膜开口面积变化及其他解剖因素分离。

论文解读文章

一、研究背景与意义

主动脉瓣置换术（aortic valve replacement, AVR）是严重主动脉瓣疾病患者的标准治疗手段，包括外科主动脉瓣置换术（surgical aortic valve replacement, SAVR）和经导管主动脉瓣植入术（transcatheter aortic valve implantation, TAVI）两种主要形式。尽管AVR在临床上取得了显著疗效，但其仍面临两大核心挑战：其一，瓣膜耐久性有限，常因结构性退化而在术后10–15年内需要再次干预；其二，即使手术技术成功，瓣膜植入后的次优血流动力学表现可导致持续性左心室（left ventricular, LV）压力负荷增加，进而促进病理性重构，包括左心室肥厚（left ventricular hypertrophy, LVH）的发展。

描述瓣膜性能的核心血流动力学参数是跨瓣压力损失，其源于主动脉内复杂的血流结构。传统上，压力损失通过峰值射流速度和几何开口面积（geometric orifice area, GOA）等简化替代指标估算，常基于Gorlin方程。然而，这些传统指标未能充分反映下游血流结构的影响。近年研究已认识到，即使在健康主动脉中也存在复杂流动模式和扰动性非层流区域，压力损失不仅取决于瓣膜开口面积和射流速度，还受速度剖面、射流方向和主动脉几何形态的共同影响。已有研究显示，瓣膜类型、设计和植入方向均显著影响主动脉血流模式，且主动脉瓣狭窄患者中收缩期射流常偏离主动脉中心线。然而，射流方向与整体压力损失之间的基本流体动力学联系尚未得到充分量化，特别是在弯曲主动脉管道中，射流方向如何与二次流动相互作用以改变主动脉能量收支仍不清楚。因此，开展本研究以系统量化射流方向对压力损失和能量耗散的独立影响。

二、研究内容与主要发现

研究人员采用简化主动脉模型作为受控的典型框架，在稳态流动条件下系统研究了射流方向对整体压力损失和能量耗散的影响。研究在保持GOA和流动条件恒定的前提下改变射流方向，从而将几何对齐的影响与瓣膜开口面积变化及其他解剖因素分离。实验采用丙烯酸弯曲管道模型，内径21 mm，上游连接内径10.5 mm的直管以模拟主动脉射流，其截面积约0.9 cm2，对应2020年ACC/AHA指南中重度狭窄的主动脉瓣面积（aortic valve area, AVA）≤1.0 cm2标准。研究排除了瓣叶和窦部结构以隔离射流角度效应。

实验系统采用恒水位水箱建立稳态流动条件，以峰值雷诺数（Reynolds number, Re）4324进行实验，该值对应健康主动脉血流典型条件。压力损失通过上游55 mm和下游300 mm处的两个测压孔测量。计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）分析采用ANSYS Fluent 2025 R1软件，在峰值（Re=4324）和平均（Re=1146）两个稳态流动条件下进行模拟，采用雷诺应力模型（Reynolds Stress Model, RSM）以考虑射流冲击、流线曲率和弯曲管道中二次运动相关的雷诺应力各向异性。网格独立性研究确认了最终网格由54,462,900个六面体单元组成，网格收敛指数（Grid Convergence Index, GCI）为0.8393%，验证了网格无关性。

研究通过能量收支分析将压力损失与平均动能（mean kinetic energy, MKE）的黏性耗散相关联，并通过实验与CFD结果的对比验证了分析的有效性。

三、研究结果

3.1 射流方向对压力损失的系统性影响

实验测量显示，在不同射流方向条件下，压力损失系数和相应压力损失存在可测量的变化，变化幅度最高约0.2 mmHg。通过与基准（0,0）条件进行Welch双样本t检验，识别出具有统计学显著性的射流偏转方向。这些显著偏转的射流在主动脉壁上产生特定的冲击位置，表明射流方向通过改变射流与管壁的相互作用模式来影响压力损失。

3.2 实验与CFD结果的验证

实验测量的压力损失（ΔP_exp）与CFD预测的压力损失（ΔP_CFD）之间呈现良好的线性相关（R2=0.9104），验证了CFD模型在捕捉压力损失特征方面的可靠性。同时，MKE方程的无量纲化左侧（LHS）和右侧（RHS）项在所有射流角度下呈现高度一致性（R2=0.972），确认了能量收支分析的有效性。

3.3 能量损失分解

在峰值流动条件（Re_peak）和平均流动条件（Re_mean）下，能量损失分解显示黏性耗散率（ε）和湍流动能产生率（P_k）在不同射流配置下呈现一致趋势。压力损失与MKE的黏性耗散密切相关，表明射流方向通过改变近壁剪切和冲击特性，系统性地调节能量耗散过程。

3.4 面内MKE与压力损失的相关性

面内平均动能（MKE）与压力损失呈现强相关性，提示其可作为压力损失的实用替代指标。这一发现为临床评估瓣膜血流动力学性能提供了潜在的简化工具。

四、讨论与结论

研究结果表明，在恒定GOA条件下，射流方向对主动脉压力损失具有可测量的独立影响，变化幅度最高约0.2 mmHg。压力损失与MKE的黏性耗散密切相关，射流方向通过改变近壁剪切和冲击特性导致能量耗散的系统性变化。面内MKE与压力损失之间的强相关性提示其可作为临床实用的替代指标。

该研究首次在受控条件下隔离了射流方向对压力损失的独立效应，为理解瓣膜植入方向对血流动力学的影响提供了定量依据。研究采用的简化模型排除了瓣叶和窦部等解剖结构，虽然简化了临床实际，但有利于揭示射流方向与压力损失之间的基本流体动力学联系。研究结果对瓣膜植入方向的优化具有潜在临床意义，并为压力损失的评估提供了新的替代指标思路。