《Journal of Biomechanics》：Société de Biomécanique senior investigator award 2024 - Hemodynamic Performance of a Bicuspid Venous Valve: A Computational Study
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摘要：采用三维双尖瓣静脉瓣膜模型，研究了瓣叶屈曲在实现高效、低压开启中的生物力学作用。该模型经过参数化处理，可分别代表股静脉、股总静脉及腘静脉，尺寸与流量按比例缩放以匹配体内条件。研究人员采用贴体数值方法结合半隐式预测-校正耦合法，证明瓣叶屈曲能够通过低能量弯
摘要：采用三维双尖瓣静脉瓣膜模型，研究了瓣叶屈曲在实现高效、低压开启中的生物力学作用。该模型经过参数化处理，可分别代表股静脉、股总静脉及腘静脉，尺寸与流量按比例缩放以匹配体内条件。研究人员采用贴体数值方法结合半隐式预测-校正耦合法，证明瓣叶屈曲能够通过低能量弯曲而非耗能的弹性拉伸实现开启。该设计确保在所测案例中最大开启压力损失为42 Pa，显著低于既往报道值，且与生理观察到的压力损失相容，凸显了多余表面积在最小化流动阻力同时保持瓣膜功能中的重要性。即使瓣叶增厚导致有效开口面积（effective orifice area，EOA）减小，该模型的压力损失与其他静脉瓣膜数值研究相比仍大体低于生理压力损失。最后，复杂的下游流动模式提示其与近端瓣膜动力学存在潜在相互作用，即使在卧床休息条件下亦是如此。
**论文解读：双尖瓣静脉瓣膜血流动力学性能的计算研究**
**一、研究背景与问题提出**
心血管疾病是全球范围内导致死亡的首要原因。其中，静脉血栓栓塞症（venous thromboembolism，VTE）以静脉系统内血栓形成，位列心肌梗死和卒中之后的第三大致死性心血管疾病。VTE的全球发病率和死亡率分别为每10万人115至269例和9.4至32.3例，在美国，与VTE事件相关的年度经济负担估计为70至100亿美元。院内获得性VTE中，高达10%（每年约5万例）被视为可预防病例。因此，深入理解VTE的发生机制对于降低其发病率和相关费用具有重要意义。
静脉瓣膜在深静脉系统（胫静脉、腓静脉、腘静脉和股静脉）中尤为丰富，确保单向血流。研究已证实，静脉瓣膜参与深静脉血栓形成（deep vein thrombosis，DVT）的发病过程，血栓形成常起源于瓣膜窦内，栓子脱落可导致致命的肺栓塞（pulmonary embolism，PE）。然而，触发血栓形成的精确机制仍不清楚。
瓣膜窦内血流对内皮细胞抗血栓功能的调控可能起关键作用。免疫荧光研究表明，瓣膜窦内的内皮细胞（endothelial cells，ECs）与管腔面ECs相比表现出更强的血栓抵抗性。近期证据进一步表明，周期性牵伸可增强ECs的血栓抵抗性，而异常的非振荡血流则会破坏瓣周抗血栓表型。这些发现强调了血流模式与内皮抗血栓功能之间的关键联系，有必要进一步研究静脉瓣膜及其血流动力学环境在DVT发病中的作用。
近年来，数值模拟已越来越多地用于研究静脉瓣膜血流动力学。早期的模拟仅考虑流体流动而不考虑生物组织变形，刚体瓣膜模型无法分析搏动流动，球阀类似物则无法复制生理瓣膜动力学。流固耦合（fluid-structure interaction，FSI）方法随后被采用，但二维模型固有地过度简化了静脉瓣膜的三维复杂性。现有三维静脉瓣膜模型常忽略瓣膜窦区域，并假设瓣叶为单向曲率且闭合构型中接合线为直线。这种几何简化迫使瓣叶在从闭合状态向开放状态转变时经历显著的弹性拉伸（应变达25%，接近组织的极限应变），大幅增加储存的弹性能。因此，在这些模型中实现生理有效开口面积（effective orifice area，EOA）需要高达数百帕的跨瓣压差，远超实际静脉压力。本研究的首要目标是开发并分析卧床休息条件下深静脉瓣膜的FSI模型，该模型能产生生理可接受的压力降和有效开放面积。
**二、主要技术方法**
本研究采用贴体坐标的自主开发求解器（YALES2BIO数值平台）。瓣叶几何构建基于Hofferberth等人提供的离体测量数据，引入两个无量纲比值来表征静脉双尖瓣：瓣膜高度与静脉直径之比为0.37，瓣叶中高度与瓣膜高度之比为0.55。流体采用牛顿流体模型，动力学粘度为3.5×10?? m2/s，密度为1050 kg/m3（原文数值，此处如与上下文不符可核原文，但此处原文如此）。瓣叶采用neo-Hookean材料模型，剪切模量为166,667 Pa，体积模量为35,714 Pa（对应杨氏模量约500 kPa，泊松比约0.45）。入口采用抛物型层流剖面，模拟1.2秒的流动周期（包含流动期与无流动期）。模拟了三种解剖位置案例：腘静脉（直径6 mm）、股静脉（直径10 mm）和股总静脉（直径14 mm），另设一增厚瓣叶的腘静脉配置以研究厚度影响。
**三、研究结果**
**3.1 深静脉瓣膜中的血流动力学特征**
以股静脉案例（直径10 mm）为例进行分析。当瓣膜开放时，在瓣膜基底下游0.8倍直径处，最大流速达0.31 m/s，相比上游平均速度增加50%，表明瓣膜对流动产生收缩加速效应。下游射流发生轴切换现象：射流在矢状面扩张、在额状面收缩，该过程在2.4倍直径距离内完成。扩张/收缩产生回流区，额状面回流区纵向尺度更大，回流速度达0.08 m/s。螺旋度计算值为零，排除螺旋运动机制。引入新指标（应变与旋转比率）以区分流动中的应变主导区与旋转主导区：射流内部应变项占优，支持收缩/扩张假说；在射流撞击壁面附近区域则旋转占优，该区域将血液排入回流区。瓣叶连合处附近形成混合层，旋涡主要从连合处脱落，脱落频率对应的斯特劳哈尔数为0.65，与血管狭窄研究文献值（0.54）一致。瓣膜窦内流速极低，窦内最大轴向速度为0.006 m/s，比管腔区域最大流速小15倍，开放状态下窦内无明显流动。
**3.2 尺寸和厚度对瓣膜血流动力学性能的影响**
压力损失测量采用两个探针（P1位于瓣膜基底上游1倍直径处，P2下游3倍直径处）。三种尺寸配置（腘静脉、股静脉、股总静脉）的压力损失动态相似：初始压力浪涌约在0.2秒出现，随后进入平台期（0.4-0.7秒），血流减速时压力梯度反转。压力损失峰值分别为42 Pa（腘静脉）、34 Pa（股静脉）和25 Pa（股总静脉），三种配置平台期共享约20 Pa的压力损失。初始浪涌期和关闭期，绝对压力损失曲线与瞬态伯努利方程理论曲线高度吻合，表明压力降主要由瞬态项控制；其余周期内理论压力损失比绝对压力损失低约15 Pa，表明瓣膜在大部分周期内诱导额外压力损失。增厚瓣叶配置的动力学显著不同，无压力浪涌，平台期压力损失较高（33 Pa），且额外压力损失约30 Pa，是其他配置的两倍以上。EOA方面，标准腘静脉配置最大EOA为42%，股静脉为39%，股总静脉为33%，增厚瓣叶配置EOA最低且瓣膜不完全关闭。增厚瓣叶案例的柯西数较低，与平台期较低的EOA一致。
**四、讨论与结论**
本研究证明所提出的计算框架能够准确捕捉静脉瓣膜的复杂血流动力学，包括流动再定向、回流区和压力损失动力学。下游流动分析揭示瓣叶游离缘和连合处的剪切层、窦内回流区等复杂结构，这些流动特征导致静脉横截面上90°轴切换，与观察到的对应瓣膜定向一致，可能有助于最小化能量损失。虽然螺旋流曾被提出作为这种流动再定向的起源，但本数值模拟支持基于开放瓣膜各向异性形状诱导的汇聚和发散流动运动相互作用的轴切换机制。
就压力损失量级而言，从足部静脉回流需经过约20个瓣膜（腿长0.9 m，瓣膜间距4 cm），总压力降2700 Pa条件下，每个瓣膜允许损失130 Pa。本研究中最大瞬态压力损失为42 Pa（标准腘静脉配置），稳定压力损失为33 Pa（增厚瓣叶配置），即使有效开口面积减小也能保持低压降，与静脉回流兼容的压力损失一致。本研究首次强调，实现生理压力降和有效开放面积的关键要素是瓣叶的形状设计：瓣叶必须能够在开启时通过屈曲而非拉伸实现变形，从而最小化变形能垒。这一能力与瓣叶游离缘多余长度或瓣叶多余表面积的概念相关。
压力损失动力学在不同配置间存在显著差异。标准配置的EOA大于增厚瓣叶配置，后者较厚的瓣叶限制开放。与理论损失相比，瓣膜在整个周期内（初始开启阶段除外）诱导额外压力损失。这与柯西数一致：标准配置的柯西数相似，而增厚配置至少低8倍。增厚配置还表现出延迟的部分关闭，流体的惯性阻碍了快速关闭。
本研究存在若干简化假设：接触模型和刚性壁面假设可能影响瓣叶动力学；牛顿流体模型在低剪切率区域的准确性可能受限。然而，瓣膜区域的生理压力差仅为几十帕（小于130 Pa），静脉的弹性变形及其对瓣膜附近血流动力学的影响可能属于二阶效应。本分析仅在静息条件下有效，未考虑骨骼肌泵这一静脉壁变形的主要驱动因素。未来工作可探索柯西数阈值以判断生理可接受损失，深入分析瓣膜窦血流有助于定位易发生血流淤滞的区域，为临床应用提供关键见解；单瓣膜模拟中观察到的复杂流动模式也提出了串联瓣膜累积效应的问题，这可能影响整体静脉功能。
