摘要 目的 设计一种附起旋功能的双叶机械瓣,通过改善其血流状态预防术后并发症。方法 基于导流片式局部起旋器结构,将瓣叶作为导流叶片,并定义瓣叶包角以探究具有较优血流动力学特性的瓣膜构型。应用有限元分析软件,对心脏收缩期峰值流量状态下的主动脉流场进行仿真,比较各组的流速场、有效开口面积、血流不对称性及螺旋性、壁面切应力分布等血流动力学特征。结果 相较于对照瓣膜,起旋瓣具有更大的有效开口面积与更小的跨瓣压差,一定瓣叶包角范围内的起旋瓣能促进右手螺旋流的生成,并使血流趋向流道中心;起旋瓣壁面切应力分布也更加均匀,具有较少的低应力区与高应力区,壁面切应力峰值也相对较小。针对研究中的主动脉模型,具有最优血流动力学特性的瓣叶包角为15°～20°。结论 该新型人工主动脉瓣能调节主动脉内的血流特征,降低主动脉瓣置换术引起主动脉扩张与主动脉瘤的风险,对未来机械瓣构型设计具有指导意义。
关键词:
机械瓣
旋动流
计算流体力学
血流动力学
利用人工心瓣替换病变心瓣是治疗严重心瓣疾病的有效方法。人工心瓣虽早已成功用于临床,但其血流动力学特性远不如自然心瓣。生物瓣血流动力学性能较好,仅需短期或不需抗凝治疗,但容易钙化导致撕裂;机械瓣耐久性优越,但其血流动力学性能较差 [1] 。目前临床使用的大多数机械瓣如双叶瓣、斜碟瓣还存在一个非常大的缺陷：对中心轴而言,它们是非轴对称的。
血流动力学研究发现,升主动脉处的血流呈单涡旋动流态 [2] 。主动脉的旋动流态源自心脏泵血的运动形式和主动脉的空间三维螺旋结构。近年来,人们对血流的这种旋动现象越来越感兴趣。深入研究发现,该现象不仅存在于主动脉,也存在于动脉系统其他部位(如股动脉和冠状动脉) [3-5] 。Frazin 等 [6] 甚至认为,由于动脉分叉空间构型的特性,人体动脉中的血流形态大都是旋动流态,这种流态也许有利于器官的灌注。
流体力学的基本原理表明,目前临床应用的机械瓣因其非轴对称性,植入人体后一定会破坏主动脉中的旋动流态。本研究团队认为,旋动流态的破坏可能会产生如下影响：① 导致升主动脉内形成湍流(心缩期主动脉瓣处血流量较高,期间流动雷诺数特别是峰值雷诺数很高,而旋动流有稳定流动、抑制湍流的特性 [7] ),由此产生的湍流高剪切应力会激活血小板引起血栓 [8-10] ,导致红细胞破坏从而造成溶血 [11-12] ;② 影响主动脉内物质(特别是脂质和氧气)输运,对主动脉血管不利(容易导致动脉粥样硬化) [7] ;③ 流态的改变也许还会导致主动脉管壁组织发生重构,使其产生病变 [13] 。
基于此,本文设计了一种能自主产生旋动流的双叶瓣(起旋瓣),虽然其结构仍是非轴对称,但由于它能使通过瓣膜的血流产生旋动,故不会像目前临床使用的双叶瓣那样严重影响或破坏主动脉中的旋动流。本文采用计算机数值仿真法,对该起旋瓣进行血流动力学性能的验证和评价。
为使仿真结果更真实可靠,本文基于1名钙化性主动脉瓣狭窄成年男性患者的CT扫描数据(层厚与间距为0.625 mm),利用Geomagic Studio与Mimics软件构建2 mm壁厚的主动脉模型 [14-15] ,并略去对主动脉流场影响较小的冠状动脉。参考CarboMedics Inc.可访问的信息 [16] ,选择合适的瓣模型号(R5-025型CARBOMEDICS®主动脉瓣：缝合环直径25.0 mm,瓣环内径20.5 mm,瓣环高度7.7 mm,几何开口面积3.16 cm 2 ),在SolidWorks中建立对照组瓣膜模型。
起旋瓣在对照瓣基础上对瓣叶进行起旋设计：瓣叶于瓣环两内侧平面的几何轮廓为相切的直段与圆弧段,该轮廓沿平面延伸(穿出瓣环)至瓣环最大内径处,轮廓末端中心与瓣叶转轴中心的连线与对照瓣叶闭合轴线成±20°夹角。最后,对两平面轮廓进行光滑曲面放样,保留瓣环内部实体[见 图1 (a)]。对侧瓣叶通过两次镜像生成。鉴于设计主体为瓣叶,模型略去倒角与环外结构,并简化铰链系统,最终模型如 图1 (b)所示。
该设计中,两瓣叶类似于中心对称的导流片,且最大开口角为90°。参照导流片式起旋器的偏转包角 [17] ,将上段提及的瓣叶轮廓中心连线与闭合轴线所成夹角定义为瓣叶包角,并将其作为考察自变量,将起旋瓣分为25°、20°、15°与10°包角4组。
在SolidWorks中完成双叶瓣与主动脉的装配,同时建立长度大于瓣环内径的入流管道,固定于瓣膜入口端,使血流到达瓣膜前得以发展。将各组瓣叶转至最大开口角(对照瓣78°)。利用ANSYS 2020的SpaceClaim模块获得流体力学分析所需流道。
网格采用四面体,单元尺寸0.57 mm,各组单元数约1 018万个。网格无关性分析显示：单元数增加约30%时,血流流速峰值、壁面切应力(wall shear stress,WSS)峰值与跨瓣压差的变化幅度均小于2.5%;单元数减少约30%时,跨瓣压差变化幅度大于4%,WSS峰值变化幅度超过15%。因此,本文认为该网格尺寸合理。
血液视为不可压缩牛顿流体,密度1 080 kg/m 3 ,运动黏度3.9 mPa·s [14] 。控制方程包括连续性方程与Navier-Stokes方程：
式中： ρ 为血液密度; V 为速度矢量; p 为流场压强; μ 为血液黏度。
入口边界采用1.25 m/s流速,出口边界采用15 kPa压强,以模拟心缩期峰值流量状态 [18] 。仿真计算按稳态模式进行,固壁假设,壁面无滑移。
基于FLUENT,利用Pressure-based求解器与SIMPLEC算法进行数值求解。由于流道结构复杂且雷诺数达7 000左右,可能存在流动分离与湍流现象,选择“SST k -omega”湍流模型进行计算。收敛标准默认为残差值小于10 -3 。
采用有效开口面积(effective orifice area,EOA)、正螺旋分数(positive helix fraction,PHF)、偏斜度与偏心度[见 图2 (a)]、WSS峰值等参数评估瓣膜血流动力学特性,并探究具有较优血流动力学性能的瓣叶包角。EOA(cm 2 )、PHF的计算方法如下：
PHF= H + /( H + + H - ) (4)
式中：Δ p 为正压差期间平均压差(mmHg); q [
{
"name": "text",
"data": "V"
}
] 为正压差期间前向流均方根(mL/s),此处简化为入口流量。EOA的获取条件参考现行瓣膜标准(GB 12279-2008与ISO 5840∶2021)中的稳态前向流试验,虽然不同于临床得出的EOA,其数值对比能在一定程度上表征瓣膜血流动力学性能的优劣。 H + 与 H - 分别为主动脉特定横截面螺旋通量的正负部分,其算法如下：
式中： t 为平面单位切向量; n 为平面单位法向量;d S 为面微元。当PHF=0.5时,流场整体不表现出螺旋性;PHF>0.5时呈右手螺旋;PHF<0.5时呈左手螺旋。
偏斜度为流道截面的平均流速矢量与该平面法线所成夹角 θ ,偏心度为截面内高流速区域(≥0.85倍截面流速峰值)的几何中心与该截面形心的距离 d ,二者用于评估血流不对称性。如 图2 (b)所示,从升主动脉扩张多发区选取3个典型平面计算这3个参数 [19-22] 。
当心动周期时均WSS小于1.0～1.2 Pa时存在动脉粥样硬化风险 [23-26] ,故本文将WSS分为3阶,WSS<1.0 Pa为低WSS区,WSS>15 Pa为高WSS区,其余区域为中WSS区,并以各阶在主动脉内壁的面积占比评估WSS分布情况。
如 图3 所示,对照组流场流速分布极不均匀,升主动脉中段及主动脉弓末端内侧(前、后、内、外侧为解剖学方位)存在高、低流速区交错的现象。起旋瓣各组的整体流速分布更均匀,上述现象不显著。随瓣叶包角减小,起旋瓣射流逐渐收束：25°组射流于升主动脉初段开始发散,壁面冲刷点靠近瓣膜,20°组冲刷点轻微延后,至15°组冲刷点已位于升主动脉中部。流线结果显示,对照组升主动脉中部存在明显的流动分离,解释了此处高、低流速区交错的原因。而实验组随着瓣叶包角减小,升主动脉外侧的低速回流区逐渐增大。
各组峰值流速均位于瓣膜处,对照组峰值位于两瓣叶间的流道,且明显高于另外两流道,起旋瓣三流道的流速无明显差异。起旋瓣流速峰值较对照瓣减小约20%,且随瓣叶包角减小递减(见 表1 )。
起旋瓣各组跨瓣压差明显小于对照瓣,EOA高于对照瓣,且EOA较对照瓣提升至少25%。随瓣叶包角梯度递减,跨瓣压差及EOA的变化幅度逐渐减小[见 图4 (a)]。
Plane-1流速显示,对照瓣出口处的血流沿瓣叶向两侧开口发散且呈对称状。起旋瓣出口处的血流也分为两股,但呈右手螺旋的中心对称状。随瓣叶包角减小,起旋瓣该平面外周的流动区减小,即血流向流道中心收束。Plane-2中对照瓣流场延续Plane-1中的流动趋势,高流速区分布于平面外周。起旋瓣则存在明显的中心流区,且随瓣叶包角减小,高流速区的趋心性越显著[见 图5 (a)]。
偏斜度( θ )上,Plane-1中25°与20°组 θ 低于对照组,15°与10°组 θ 高于对照组。Plane-2中除25°组,其余实验组 θ 均远高于对照组,且随瓣叶包角减小 θ 递增。Plane-3中实验组 θ 均大于对照组,但20°组最小。
偏心度( d )上,Plane-1中各组 d 无明显差异。Plane-2中除25°组,其余实验组 d 均低于对照组,且15°组最小。Plane-3中25°与20°组 d 与对照组无明显差异,15°与10°组 d 则低于对照组,且15°组仍最小。
PHF上,除25°组,其余各组由Plane-1至Plane-3的过程中,PHF均由0.5以上降至0.5以下,即流场呈现出右手螺旋到左手螺旋的过渡流态。Plane-1中15°组PHF明显高于对照组;Plane-2中除25°组外,实验组PHF均高于对照组,右手螺旋性较强;Plane-3中各组PHF均小于0.5,且10°组表现出相对突出的左手螺旋,其余实验组与对照组无显著差异[见 图5 (b)]。
各组升主动脉段均存在高WSS区,对照组、20°与10°组该区域WSS峰值为33～34 Pa,而25°与15°组WSS峰值为27～28 Pa。虽然各组WSS峰值无显著差异,但对照组高WSS区存在明显的集中分布,且主要集中于升主动脉中上游,除内侧壁外,其前后壁亦存在带状的集中区域。实验组前后壁则无明显的WSS集中区域,其WSS在内侧壁以及整个主动脉内分布更均匀[见 图6 (a)]。
WSS峰值均出现在瓣膜区域。对照组WSS峰值高达69.7 Pa,而实验组峰值不超过50 Pa,其中20°组峰值最低,15°组略高于20°组[见 图6 (b)、 表2 ]。随瓣叶包角减小,起旋瓣WSS峰值先减小后增大[见 图4 (b)、 表2 ]。
WSS分区占比上,各实验组低WSS区占比均小于对照组,仅10°组接近对照组,且随瓣叶包角减小,低WSS区占比先减小后增大。各实验组高WSS区占比明显小于对照组,其中20°组最低;除10°组外,各实验组该值亦先减小后增大。随瓣叶包角减小,实验组中WSS区占比先增大后减小,且均大于对照组[见 图4 (c)、 表2 ]。
本文基于心缩期峰值流量状态下主动脉流场的数值模拟,比较对照瓣与起旋瓣的流速场、EOA、血流螺旋性与WSS分布情况等。结果表明,相较于对照瓣膜,起旋瓣能促使血流旋动并具有较优的血流动力学性能。本文发现,不同瓣叶包角起旋瓣的性能存在差异：① 包角越小,起旋瓣EOA越大,但该增益效果也逐渐减弱;② 20°组具有最小的WSS峰值,理论最小WSS峰值应出现在25°～10°包角;③ 20°组WSS分布最均匀,具有最少的高、低WSS区与最多的中WSS区,理论最少高、低WSS区应出现在25°～15°包角;④ 15°组具有最优的偏心度,理论最小偏心度位于20°～10°包角;⑤ 15°组具有最优的促右手螺旋流效应,且20°～10°包角很可能存在起旋能力更优的包角。
综上所述,从壁面冲刷角度出发,20°组表现最优;而从流场出发,15°组表现最优。在主动脉扩张与动脉粥样硬化的力生物学机制中,WSS是直接影响因素 [23-26] ,但主动脉血流状态又会直接影响WSS的大小及分布 [14,19,21] 。鉴于本文仅分析了心动周期中某一时刻的流场状况,无法排除完整周期下较优的中心旋动流态能改善WSS分布,故本文在综合考虑各因素后认为,最优的瓣叶包角范围为20°～15°。
Sigovan等 [21] 通过数值模拟发现,WSS与偏斜度呈现明显的正相关性。本文结果显示,起旋瓣近端平面偏斜度小于1 mm,中端平面偏斜度小于4 mm(除25°组),与Kai等 [19] 研究结果相符。相较于对照瓣,起旋瓣较小的偏斜度也支持其较优的WSS分布,其较少的低WSS区也证明其较低的主动脉病变风险。由WSS结果还可进一步评估血栓风险。已有研究表明,当血流剪切应力达 50～450 Pa 时,红细胞存在破裂风险 [27] 。而本文发现,仅对照组WSS峰值高于50 Pa,可见起旋瓣能减少切应力相关的溶血风险。而高剪切力引起的血小板激活一般只在切变率大于5 000/s时考虑 [28] ,其对应本研究中19.5 Pa切应力,故本文对WSS>19.5 Pa区域在瓣膜区域与在整个流场壁面区域的占比情况进行计算。结果表明,在瓣膜区域,实验组血小板激活风险低于对照组,且随包角减小风险逐渐降低。而考虑整个流场壁面时,对照组占比约为实验组的两倍,可见起旋瓣极大减小了主动脉壁面上血小板激活的可能(见 表3 )。通常流场切应力峰值出现于壁面,故本研究仅考虑WSS,若要更加准确地判断血栓风险,可进一步计算血流切应力场并使用相关血栓预测模型。
本文还发现,除25°组外,各组血流旋动均由右手螺旋变为左手螺旋,且Plane-3中的左手旋动强于上游两平面中的右手旋动。Plane-1、2中PHF>0.5与已有研究结果相符 [19,22] ,且起旋瓣的PHF较高,相较对照组更有利于维持主动脉的旋动流态。Kilner等 [29] 发现,主动脉弓至降主动脉段血流存在螺旋方向改变的现象;临床研究也显示,部分人群生理条件下升主动脉PHF<0.5,且PHF随血流量增大而减小 [22] 。由此可见,主动脉内血流的旋动流态存在个体差异,主动脉的几何形状对旋动方向存在影响,该结果也符合Liu等 [7] 关于旋动流产生原因的分析。因此,本文推断,Plane-3内左手旋动的产生与主动脉弓后段的弯曲关系密切。
本文的局限性如下： ① 仿真未模拟整个心动周期; ② 主动脉构型的个体差异可能影响最优包角的选取;③ 模型忽略了主动脉的弹性壁行为; ④ 未分析对血管壁损伤及物质沉积存在影响的流场压力 [30] 。后续研究可采用流固耦合模型,并模拟完整的心动周期,计算压力与含时的血流动力学参数,如时均WSS与振荡剪切指数 [15,19] 等,并进一步确认该新型机械瓣应用于临床实践的可能。
针对主动脉瓣置换术术后并发症,本文基于旋动流原理,提出了一种新型人工主动脉瓣构型设计。该瓣膜能调节主动脉内血流特征,达到通过改善血流状态预防主动脉瓣置换术术后并发症的目的,且通过综合评估各瓣叶包角起旋瓣的血流动力学参数,本文得出具有最优血流动力学特性的瓣叶包角为15°～20°。起旋瓣的设计思路与研究得出的最优瓣叶包角范围对未来机械瓣产品构型设计及相关研究具有指导意义。
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