基于二维格点玻尔兹曼、浸没边界和格点弹簧框架的搏动性静脉瓣流固耦合与血流动力学输运

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Pulsatile venous-valve fluid–structure interaction and hemodynamic transport in a two-dimensional lattice Boltzmann, immersed boundary, and lattice spring framework

　　## 亮点- 二维 LBM-IBM-LSM 框架可量化静脉瓣膜流固耦合（FSI）传输指标。- 低速区面积随入口速度增大而减小，但在瓣膜窦区域仍存残余低速区。- 黏度扫描给出有界的非单调涡区面积响应。- 壁面剪应力（WSS）随入口速度增大而增强，且在壁面附近高度集中。---## 引言静脉血栓栓塞症（VTE），包括深静脉血栓形成和肺栓塞，仍是全球每年影响约1000万人的重大健康负担[1],[2]。静脉瓣膜窦形成受限的、可变形几何结构，其中停留时间、回流、洗涤作用减弱、壁面附近传输以及剪切不均匀性与血管传输文献中讨论的生化过程相互交织[2],[3]。这些特征也使瓣膜窦成为化学工程中有用的生物学类比对象——在该领域中，局部几何结构和柔性边界控制着混合效率、死区、被动流调节以及复杂通道中的传输。因此，本研究将静脉瓣膜流动框架化为一个洗涤减弱与流固耦合（FSI）传输问题，同时避免声称所模拟的指标本身即可预测血栓形成结局。静脉瓣膜为双瓣膜结构，位于瓣膜窦内，其中压力驱动的开启和流动诱导的闭合有助于维持单向血流[2],[4]。在正向流动期间，瓣叶伸展形成漏斗状缩窄，据报告可使截面积减少约35%，并加速瓣膜孔道内的流动[4]。瓣叶的耦合运动还在瓣叶尖端和瓣膜窦附近产生瞬时涡旋，造成局部回流、滞止区特征和异质性壁面传输[5],[6]。当洗涤作用较弱时，这些结构可能作为与停留时间相关的区域持续存在，这在静脉疾病文献中常被视为与血栓易发环境相关的传输条件[2],[6],[7]。实验和影像检查仍然必不可少，但多普勒超声、散斑测速、相位对比磁共振成像（MRI）和四维血流MRI各自在空间覆盖范围、穿透深度、时间分辨率或采集负担方面存在折衷[8],[9],[10]。因此，瓣叶运动、窦内涡旋和壁面传输之间的时间分辨耦合在实验上仍难以测量，这促使采用互补的FSI仿真来隔离流-固相互作用机制并比较参数效应。先前研究已利用不同的建模层次解决了该问题的重要部分。弹簧格点和有限元FSI模型已复现了静脉瓣膜的开启行为和静脉壁顺应性[11],[12]。离散多物理场/光滑粒子流体动力学和浸没有限元方法研究了细胞聚集、滞止以及纤维化或萎缩等病理性瓣叶状态[13],[14],[15]。其他模型还纳入了额外的生物学细节，如有机化学传输或细胞聚集，而最近的综述强调VTE建模涵盖血流动力学、流变学、血管力学和凝血生物学[2],[16]。微流控柔性瓣膜实验进一步量化了涡区面积缩放和刚度依赖的阀状几何结构中的流动拓扑[17]。与此同时，格子玻尔兹曼方法（LBM）和浸没边界公式为复杂域中的移动边界流动和变形结构提供了高效介观途径[18]–[23]。本工作通过应用紧凑框架来量化静脉瓣膜FSI传输的参数敏感性，对上述研究进行了补充。本文采用一体化的二维格子玻尔兹曼方法–浸没边界方法–格子弹簧方法（LBM–IBM–LSM）公式，模拟简化静脉瓣膜几何结构中的脉动流和瓣叶变形。目标是在一组可复现的数值假设下，确定与停留时间相关的流动结构和归一化壁面剪切异质性。这些目标旨在将流动、黏度和柔性瓣叶响应与受限变形几何中的血流动力学传输联系起来，同时对化学工程中的被动柔性阀门和混合受限传输系统具有次级参考意义。---## 各节摘录### 数值模型与方法采用二维FSI模型，在可控参数变化下量化静脉瓣膜传输。流体在欧拉二维九速度（D2Q9）格子中使用LBM求解；瓣叶通过Lagrange节点-弹簧网络使用LSM表示；动量交换通过隐式直接强迫IBM施加。该模型旨在量化涡区面积、洗涤减弱区域、局部壁面剪应力（WSS）等的参数敏感性。### 与柔性瓣膜实验的基准对比涡区面积行为与Schofield等人的微流控柔性瓣膜实验[17]进行了定量比较。那些实验在聚二甲基硅氧烷微通道中采用聚乙二醇二丙烯酸酯瓣叶，将瓣叶杨氏模量从约[较低值]变化至约100 kPa。本对比侧重于阀状几何中的涡旋位置、形态和雷诺数依赖性。Schofield等人的研究提供外部实验背景，而非……### 结论本研究提供了一个有界的二维LBM–IBM–LSM框架，用于量化简化柔性静脉瓣膜几何结构中的流固耦合传输。在所采用的低流量静脉淤滞相似映射下，增加入口速度降低了低速区面积分数并增强了壁面剪应力，而松弛时间（及对应的黏度）改变了Q准则涡区面积和瓣膜区域剪切分布曲线。有效的LSM阻尼控制产生了适度的……### CRediT作者贡献声明**张西宝：** 撰写——审阅与编辑，监督，方法论，形式分析，数据管理。**罗正洪：** 撰写——审阅与编辑，监督，软件，资源，项目管理，资助获取，形式分析，数据管理，概念化。**陈哲：** 撰写——初稿，验证，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。### 利益声明作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。### 致谢本工作由中国国家自然科学基金（22238005）资助。