摘要
目的 阐释运用直筒型人工血管行保留主动脉瓣膜的主动脉根部改良重塑术和佛罗里达袖套术对新生主动脉根部生物力学的影响。方法 采用CTA影像重建5例主动脉根部有限元模型,包括2例主动脉根部改良重塑术(A1、A2),2例佛罗里达袖套术(B1、B2)和1例无主动脉根部病变的对照组(C)。通过数值模拟获得血流和压力分布结果,评估主动脉根部的血流动力学差异。结果 两种术式的患者和对照组收缩峰值的最大流速之间没有显著差异,但主动脉根部改良重塑术后的流速较为平缓,与对照组模型相近,而其主动脉内平均压力和壁面切应力趋于稳定。佛罗里达袖套术中,存在高速血流冲击血管壁,沿主动脉壁出现不同程度的壁面切应力和压力集中现象。结论 保留瓣膜的主动脉根部手术后,新生主动脉根部的血流模式依赖于术后窦部几何形状的变化。观察到两种术式的血流状态均表现良好,但主动脉根部改良重塑术血流模式较佛罗里达袖套术更稳定。
关键词:
主动脉根部改良重塑术
佛罗里达袖套术
直筒型人工血管
主动脉根部形态
计算流体力学
主动脉根部病变指的是主动脉瓣叶形态学表现正常的情况下,其功能障碍主要归因于主动脉根部结构的病变 。针对该疾病,为提高患者术后生活质量,临床上开展保留主动脉瓣的主动脉根部置换术 。但针对不同类型保留瓣膜的主动脉根部手术优劣的争议,仍是当前临床讨论的热点。
不同手术方案对患者后期病变影响均不相同。David和Yacoub 保留技术是主动脉根部动脉瘤手术矫正最常见的手术,需要用合成移植物替换Valsalva窦,并在其中重新悬挂主动脉瓣 。
经典的Yacoub手术(主动脉根部重塑术)是将直筒型人工血管末端部分纵向剖成三等份,分别修剪成扇贝状后与原生主动脉根部的主动脉窦底血管壁吻合。该术式保留了原生主动脉根部的瓣间三角,从而维持主动脉窦部的部分膨出功能,有利于维护主动脉瓣叶的正常生理功能。主动脉根部改良重塑术在此基础上,通过在主动脉瓣下外加人工血管环,全周加固主动脉基底环来防止主动脉瓣环的远期扩张,以提升长期疗效[见 图1 (a)] 。佛罗里达袖套术是对经典David手术(主动脉瓣叶再植术)的一种简化[见 图1 (b)] 。该技术保留了原生主动脉瓣叶和主动脉窦壁,直接在扩张的窦部外壁包裹涤纶人工血管,并在人工血管上预留“钥匙孔”使左、右冠脉穿出。该技术也通过主动脉基底环置线而稳固了主动脉瓣环。
临床上,主动脉根部改良重塑术(采用直筒型人工血管)和佛罗里达袖套术均为常用的手术方式,但两种术式的优劣和差异还缺少生物力学的对比研究。本文重点关注这两种术式对新生窦部几何结构影响不同而导致的血流动力学差异。
计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法广泛用于对比分析不同术式主动脉根部结构运动及内部血液流动。有学者通过四维血流磁共振成像(4D Flow MRI)测量人体升主动脉内的血流特征,对比分析不同几何构型产生的涡旋 。但4D Flow MRI较低的分辨率可能导致信息的丢失或模糊,从而影响模拟结果精度。本课题组通过建立不同窦管交界直径与窦部直径之比的三维有限元模型,使用有限元方法探讨主动脉根部的力学行为,并运用体外脉动流实验探究窦管交界处锥度角对主动脉瓣叶功能的影响 [8-10] 。但该主动脉根部模型选用了基于解剖生理的理想化参数模型,而不是患者个性化模型,对真实复杂主动脉结构血流动力学分析存在一定局限。上述研究提示,利用真实主动脉根部模型对不同术式进行CFD数值模拟,探讨不同术式的生物力学差异,可为手术规划提供科学依据。
本文利用CFD对主动脉根部改良重塑术和佛罗里达袖套术两种术式模拟主动脉内血流的流动,分析窦部几何结构不同对主动脉造成的影响 。利用患者CT影像进行三维重建,在接近真实主动脉模型环境中开展血流动力学模拟,探讨不同术式样本形态学改变对其血流动力学环境产生的影响,为临床诊断治疗主动脉扩张患者提供理论基础。
患者资料采集经中国医学科学院阜外医院机构评审委员会批准,并征得患者知情同意。
利用3D重建软件MIMICS 20.0(Mimics公司,比利时)对术后随访获得的CT影像进行3D重建,再导入FreeFormPlus 2017(FreeForm公司,美国)平滑处理 。使用Geomagic Studio 2013(Geomagic公司,美国)创建模型的面片,进行表面细节优化,生成可以用于计算的主动脉流体模型。主动脉窦和主动脉弓均涉及一定的个性化结构,为了观察远端主动脉血流状态且排除主动脉弓个性化结构产生的影响,在SolidWorks 2020(SolidWorks公司,法国)中将重建的主动脉窦部模型与正常升主动脉模型进行“组合”。
患者术式的具体情况为:2例主动脉根部改良重塑术(术式A,模型A1和A2);2例佛罗里达袖套术(术式B,模型B1和B2);1例无主动脉根部病变的对照组(模型C)。三维重建的模型如 图2 所示。
术式B显示主动脉窦部的3个主动脉窦(右冠窦、无冠窦和左冠窦)并非等大结构,术式A的3个窦尺寸基本相同。测量不同模型得到窦部几何尺寸信息(见 表1 )。
针对不同术式模型设计与患者相匹配的瓣叶 。为了使不同模型的CFD模拟结果具有可比性,将瓣叶最大开口面积设计为相同大小。将主动脉模型与瓣膜模型进行布尔删减运算,得到主动脉流体域几何模型。
本文主要关注主动脉根部形状不同导致的血流动力学差异,不考虑人工血管材料的问题,即均将其看作正常血管结构。血液视为均匀、不可压缩的牛顿流体,血液密度为1 050 kg/m 3 ,黏度 μ 为3.5 mPa·s [14-16] 。计算得到的主动脉流体的雷诺数 Re >2 300,因此,将血流的流动状态设为湍流模式,选择Realizable k-epsilon模型 ,既满足对雷诺应力的约束,也保持与真实湍流一致。管壁处施加无滑移边界条件。使用ANSYS 2021R1 Fluent(ANSYS公司,美国)进行稳态数值模拟,采用半隐式算法求解,为了达到稳态,收敛残差目标设置为10 -5 。
将重建的主动脉根部模型导入ANSYS 2021 FLUENT Meshing(ANSYS公司,美国)进行网格划分。采用六面体和四面体为主的混合网格。为了确定合适的网格单元尺寸和网格数量,对5个模型均进行网格独立性检验。网格最大单元尺寸设置为0.8 mm,血管壁处选用结构网格的边界层数为4层,网格高度增长率设置为1.2。网格独立性测试如 表2 所示,随网格数量增加对仿真的最大壁面切应力(maximum wall shear stress, WSS max )影响不超过6%。当残差降到10 -4 以下时,压力和血流速度线趋于平稳,连续性方程收敛。因此,本文认为该网格尺寸合理。
在CFD模拟中,速度-压力是经常使用的边界条件。如 图3 所示,在主动脉血管选择5个不同的出入口,分别为胸降主动脉(Out1)、右冠脉(Out2)、左冠脉(Out3)、头臂干动脉(Out4)、左颈总动脉(Out5)、左锁骨下动脉(Out6)。在收缩峰值时期血流流动最剧烈,选取收缩峰值时刻左心室流出道血流速度约为1.1 m/s。采用集中参数模型得到压力作为边界条件 。其中,出口1～6对应的压力分别为13.055、12.633、14.130、12.350、12.477、12.477 kPa。
为了进一步测量不同区域受到压力和壁面切应力(wall shear stress,WSS)等力学因素的影响,选取主动脉上6个不同受力区域进行数值测量,分别为左心室入口端(S1)、主动脉窦部(S2)、升主动脉近端(S3)、升主动脉远端(S4)、主动脉弓(S5)、胸降主动脉远端(S6)。
图4 显示了无主动脉根部病变的对照组和两种术式后患者的主动脉内收缩峰值期的3D血流模式。结果表明,模型C在右冠窦和主动脉瓣环处有较高射流区,血流主要冲击升主动脉的右后方和主动脉弓的前方,在主动弓处形成旋动流。模型A1中血流在每个主动脉段都接近对称,旋动流相对较弱,其根部血流模式较模型C更稳定。模型A2引导血流沿主动脉壁后方分布,引起升主动脉处血流加快,对血管壁冲击增大;在术式B中,由于窦部结构尺寸呈现无冠窦>左冠窦>右冠窦的趋势,故高速射血部位出现的位置在窦管交界处和瓣环区域,且血流导致流线向主动脉后方偏转,速度流线倾斜,相比于术式A,术式B在升主动脉区域的收缩峰值期血流产生更多紊乱。
临床上,主动脉血流的正常范围为1.0～1.7 m/s。本文发现,血流在窦部和升主动脉处出现高速血流,进入升主动脉速度逐渐降低。但不同手术后,模型A1、A2、B1、B2主动脉的峰值速度分别为1.8、2.3、2.3、2.7 m/s,均高出正常值范围。血液在主动脉窦部和升主动脉近端的血管内部产生高速血流,容易引起该处压力和WSS的急剧增加 。
血管壁必须能够承受来自血流的压力,否则可能导致血管破裂或形成瘤样扩张。由收缩峰值时期不同模型的壁面压力分布可见,当血流冲击血管壁时会造成生主动脉壁面压力增加 。压力较大的区域主要在窦部和左心连接的血管处。每个模型高压集中区域不同,这与不同术式导致窦部结构形态差异密切相关。在模型C中,高压区主要集中在右冠窦和升主动脉外弯侧,升主动脉内弯侧没有高压力集中区;模型B2与模型C的高压集中区域较为相似;在模型A1中高压集中区域主要在无冠窦和升主动脉外侧;模型A2和B2高压集中在整个窦部区域和升主动脉外弯侧[见 图5 (a)]。
分析壁面压力可以帮助评估血管壁的稳定性,了解血管壁受到的力学作用,为预防和治疗心血管疾病提供依据。为此,进一步探究不同术式导致窦部几何形态改变与壁面压力的关系,判断模型压力是否在正常生理压力范围内。比较6个感兴趣区域的平均壁面压力( p avg )和最大壁面压力( p max )发现,模型在左心室入口处和主动脉窦部压力较大,模型C与模型A2、B1和B2压力变化趋势相近。模型A1在每个区域上 p avg 和 p max 数值波动范围不大,趋于稳定,这与其血流对称性相一致[见 图5 (b)、(c)]。
WSS是血管壁承受的切向应力,反映了血流对血管壁内皮细胞的摩擦力大小。WSS与血流速度梯度有关,速度梯度越大,产生的WSS也越大。由收缩峰值期不同术式模型的WSS分布云图可见,所有模型中各区域的WSS显著增高 。模型C中高WSS分布在右冠窦上方窦管交界处和瓣环处;模型A1中高WSS分布在主动脉瓣环和左心室入口处;模型A2在窦管交界处显示有较高的WSS分布,模型B1和B2的高WSS分布在窦管交界处和主动脉瓣环处[见 图6 (a)]。本文推测,造成这种应力分布的原因与手术自体与人工血管的缝合缘有关。
分析WSS可以帮助评估血流对血管壁的影响,了解血管壁的应力分布情况,及时发现血管病变和异常状况。不同术式模型高WSS集中在不同区域,帮助评估血流对血管壁的影响。本文发现,术式A在S2和S3区域速度变化一致,WSS分布基本相似。分析血管壁面受到的刺激,通过WSS max 可以看出差异。由 图6 (b)、(c)可见,模型A1、A2的平均WSS(WSS avg )和WSS max 分布相对均匀;模型C和B1在升主动脉远端(S4)中WSS avg 和WSS max 数值显著增高,其变化趋势相似。但模型B1的WSS表现出明显差异,数值均较高。各组主动脉段均存在高WSS区,在主动脉窦部(S2)中,模型C、A1、A2、B1、B2的WSS avg 分别为7.3、4.2、7.7、10.8、6.1 Pa。不同模型窦壁受到WSS avg 数值均与对照组接近,但在窦部远端,特别是在主动脉弓附近,仍观察到较高的WSS。
本文通过构建不同术式的个性化主动脉根部模型进行流体仿真分析。不同手术后,主动脉窦部的几何形态发生改变,进而引发一系列复杂的主动脉血流动力学状态变化 [21-23] 。在重建的模型中可以观察到同种术式下不同患者的窦部结构也会存在一定差异,可能是术后患者自身血流对血管的刺激,导致血管结构和功能的改变。另外,CTA影像重建过程中,只选择流经血管的血液,而植入的人工血管并未体现在重建后的模型中,导致同种术式重建后的模型也会存在一定差异 。
主动脉根部重塑术可以观察到根部形态相对匀称,但窦部形状较明显。而佛罗里达袖套术可以观察到主动脉窦部结构近似1个球形,3个主动脉窦部大小明显不等,且在手术操作过程中,需要在窦管交界处进行双重缝合,而主动脉根部重塑术没有这些手术过程,导致在术式B的窦管交界处出现较大流速和WSS。对比分析两种术后模型与对照组模型C发现,模型A1血流状况比模型C更稳定。Galea等 利用4D Flow MRI技术验证了通过恢复正常解剖结构来纠正病理状况的可行性,这与本研究中患者经过术式A后可以达到更理想的解剖效果相似。
从生物力学的角度,主动脉根部几何形态改变对主动脉血管壁产生的压力、WSS等力学刺激会直接影响血管内皮细胞、平滑肌细胞等其他生化分子结构的生理功能。这种几何形态的改变还会影响主动脉血管壁的受力状态,从而影响主动脉血管的后续发展 。
通过与已有文献数据[26-27]比较和定量分析发现,本文模型能可靠获得主动脉根部的压力分布。然而,由于模型具有差异性,为了使模拟结果具有可比性,模型均采用相同边界条件作为驱动。因此,本文认为,个性化模型可以为术式的改进和优化提供参考。本文发现,主动脉根部重塑术由于重建后的窦部结构更均匀,在血流影响下相比佛罗里达袖套术更具有优势。结合其他研究及本文研究结果,通过两种术式与对照组壁面压力的对比分析,5个模型 p avg 均在正常主动脉收缩压和舒张压80～120 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)之间。两种术式均可以达到较正常生理状态,但主动脉根部重塑术有得到比对照组更好的血流模式。
本研究的局限性如下:① 在对手术分析过程中没有考虑瓣叶和血流之间的相互作用,没有探究1个心动周期内的生物力学变化;② 自体移植物和主动脉的材料特性、缝合区域和瓣环施加的扩张约束之间的相互作用对于手术成功的影响,本文也没有考虑。这些问题有待更复杂的流固耦合建模与仿真研究。
本文在定常流条件下进行了血流动力学模拟计算,比较对照组模型以及主动脉根部改良重塑术和佛罗里达袖套术两种术式模型主动脉血流环境、壁面压力和WSS分布等结果。本文重点关注这两种术式的血流动力学的异同点。结果表明:两种术式的血流动力学差异与窦部大小和形状有关,两种术式患者模型的WSS avg 及WSS max 在收缩峰值期变化规律与对照组基本一致,但主动脉根部改良重塑术变化更平缓;主动脉 p avg 均在正常生理范围内;观察到两种术式之间血流状态相差不大,佛罗里达袖套术的血流状态更接近于对照组,但主动脉根部改良重塑术中血流较稳定。综上所述,两种手术后主动脉根部在受血流冲击时各项力学性能表现良好,但主动脉根部改良重塑术血流状态较佛罗里达袖套术更稳定。
作者贡献声明： 丘俊涛、胡圣懿负责数据资料收集;王倩负责建模、仿真、数据分析和论文初稿写作;丁学超、杜田明、张艳萍、侯倩文负责协助数据分析和语言修改;乔爱科、罗新锦负责选题设计、论文指导和修改。
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