基于儿童心脏磁共振的Glenn术后血流动力学应用研究

胡立伟 钟玉敏 刘金龙 孙 琦 杜 隽 王 谦

将计算机辅助设计（computer aided design，CAD）的思想，引入到对患儿血管三维数字化模型的重建。依据临床实际诊断情况，在术前对患儿实施虚拟手术，结合计算机流体力学（computational fluid dynamics， CFD），综合考虑引起异常血流动力学变化各因素，对不同手术设计方案进行数值模拟和比较，探讨各手术因素对术后血流的影响，可预估术后血流动力学变化的优劣[1]。

CFD的特点是能够在重建的三维空间结构中进行血流的数值模拟。因此，这项技术的一个非常重要的应用领域便是术前手术进行虚拟设计和术后血液流动模拟，从而预测重建血管结构内血流动力学特征，以及评估血流随时间及血管形态的改变而引起的变化，可以直观地反映先心病患儿个体化血流信息。对不同的可行手术设计方案进行比较，探寻最佳血流动力学手术设计方案[2]，预测手术对患儿血流动力学的改变而产生的后果[3]，以及推测这些改变可能带来的术后并发症[4]，帮助医师在术前根据患儿具体情况选择合适的手术方案。

目前，国内外学者已致力于这方面的研究[5]，利用虚拟手术的思想对各种先心病手术重建的血管连接区域进行分析并取得了一些进展。这些研究主要集中在利用血流动力学方法对Fontan手术结构的数值模拟[6]，个体化Norwood手术后主动脉弓末端再狭窄的不同狭窄程度造成的血流动力学变化的预测[7]，以及肺动脉环缩不同位置对肺血流的影响[8]，其他先心病手术的虚拟研究还尚未见报道。

本研究中，基于磁共振影像数据利用CFD血流动力学模拟技术对先心病患者BDG术后的磁共振图像进行后处理分析，通过个体化的血流动力学模拟，讨论BDG手术区域能量损失与左右肺灌注情况之间的联系，评价10例先心病患儿的能力损失和左右肺血流分配比情况。为进一步二期Fontan手术的设计，提供血流动力学多参数定量的评估。

方 法

1．MRI扫描序列和后处理

CMR检查使用Philips Achiva1．5T超导型磁共振仪，8通道相控阵心脏线圈，并使用回顾性心电门控。①相位对比（2D-PC）序列：TR/TE（ms）=8．2/4．9； 反 转 角 60 °； 视 野 (220～ 360)mm×(160～240)mm；层厚4～5mm ；间隔0mm；体素1．3mm×1．5mm；反转角12°；激励次数l次；主动脉扫描流速编码150mm/s，肺动脉及上下腔静脉扫描流速编码值80mm/s，每个心动周期采集20个相位。②自由稳态进动（B-TFE）序列：层厚4～5mm；间隔0mm；视野(220～360)mm×(160～240)mm；体素1．5mm×1．3mm； TR/TE（ms）＝3．0/1．5；反转角60°；激励次数2～4次，每个心动周期采集20个相位。将磁共振B-TFE序列的DICOM格式图像数据导入医学图像处理软件Materialise® - Mimics 17．0中，对由CMR获取的图像数据进行分割、光滑等预处理，选取BDG手术重建区域完好的图像，三维重建出分流区域的立体图像，最后导出以三角形面单元构成的一组STL格式的数字化三维血管几何模型。

2．BDG血流计算模拟

利用CFD方法，确立准确模拟脉动BDG术后血流运动计算模型，对三维重建手术区域血管模型进行血流动力学模拟和分析。运用基于有限控制容积法则的计算流体动力学分析软件ANSYS® -Fluent 14．5进行血流模拟。根据混合网格法则通过网格的划分进行三维几何空间的离散化，利用惠普工作站并行计算惠普（Z800，配备Windows 7，64位系统，双 CPU Intel (R) Xeon X5690 3．46 GHz，12 核，24G内存），通过计算机C语言编程用户自定义函数（UDF）进行计算控制，实现脉动血流三维流场考虑呼吸作用、肺阻力模型等生理条件下的血流动力学准确模拟。

当BDG手术区域计算网格达到400000时，可以获得准确的计算结果与较短的计算时间。因此，对MRI的三维自由稳定进动序列图像进行三维重建，本研究中利用商业前处理软件ANSYS® -ICEM 14．5对计算区域进行网格划分，10例儿童先心病患者个体化BDG模型采用相同的网格参数生成网格，所有模型网格数量控制在500000～700000之间。为保证血流流入区域为充分发展，流出区域压力恢复为正常条件，故在进出口段沿法向方向分别延长为20倍和40倍管径长度。在划分好网格以后，便导入CFD求解器ANSYS® - Fluent 14．5即可进行BDG连接结构内血流数值模拟。图1所示本研究中BDG计算所生成的网格示意图。

在CFD数值计算中，本研究采用2D-CINE PC得出整个心动周期内20个时相收缩、舒张连续变化的峰值流速及流量值，应用UDF程序控制脉动入口速度边界条件的读入，如图2所示。同时，假定血管壁为刚性，血液为不可压缩的牛顿流体，密度(1060 kg/m3) ，动力黏度(0．0035 kg/ms)为常数，用于求解不可压缩Navier-Stokes方程（公式1）和湍流模型方程。左右肺动脉的出口边界设为平均压力出口边界，在其延长段出口压力设为恒定值[9]，大小为10mmHg，管壁均满足固壁无滑移条件。

式中U为速度，P为压力， 为密度， 为动力黏度。

利用相同的CFD计算方法，结合各先心病BDG模型对应的入口边界条件分别计算获取10例患者的血流动力学模拟结果。

3．CFD血流动力学评价指标

3．1 能量损失 (energy loss，EL)： 血流动力学计算中，计算管腔内能量损失通过以选定区域为控制容积，通过控制容积进出口能量平衡计算获得。

其中，Pi total为流体总压，Qi为进出口的体积流量，进口为SVC，出口为LPA和RPA。本研究分析中，控制容积为三维重建未作延长前的BDG手术区域。

3．2 左右肺血流比 (flow distribution ratio，FDR)：肺部血流平衡关注是术后生存质量评估的重要指标，通过计算左、右肺动脉分流量比，可以比较腔静脉到左、右肺动脉的分流率。

其中， Qb为分配到左右肺动脉的流量，包括其分支的肺血管分流量， Qinlet为上腔静脉SVC总血流量。

结 果

1．能量损失与左右肺灌注比

图1 BDG计算网格图。

图2 BDG计算入口边界条件。

图3 不同LPA /RPA流量比下BDG血流能量损失。

图4 BDG手术区域三维流线图。从图中可以看出：当LPA/RPA流量比为45：55时，上腔静脉的大部分血液比较均匀的分配在左、右肺动脉。此外，左、右肺动脉内流线走向基本一致，血液流动比较稳定，使得整个控制容积的能量损失较小。

表1 BDG能量损失(mW)优化区间

图3所示为随机选取3例年龄、体表面积相近的患儿，计算其BDG三维模型的能量损失与左右肺灌注比之间的关系。不同LPA /RPA流量分配时整个BDG能量损失曲线。从图中可以看出，整个BDG手术区域能量损失幅度约为0．8～1．6 mW。当LPA/RPA流量比接近为50∶50时，此时整个控制容积的能量损失为为最小；当LPA/RPA流量比为80∶20时，整个区域的能量损失为1．6 mW。患者手术后心脏磁共振相位对比法测量数据显示其LPA/RPA流量比约为45∶55。由图可以看出整个区域的能量损失为0．85mW，可见其能量损失还是比较小的。从能量损失曲线还能看出：对于BDG三维重建结构，血流倾向于流向右肺动脉。

2．能量损失优化区间

选取10例先心病患者数据，通过CFD方法计算其各自的能量损失。从表1中可以看出，当左右肺分流量在50∶50之间，能量所示为最低。能量损失可作为BDG手术的评价指标。

讨 论

将等体素三维稳态自由进动序列的磁共振图像重建后的BDG术后三维结构导入ANSYS® -ICEM进行网格划分。为使数值模拟时出、入口的血流得到充分发展，对模型进出口分别进行延长。在中央连接区域及血管延长段，均生成非结构化网格，并对网格敏感度进行验证，当非延长段的网格数量超过450，000个时，计算结果趋于稳定。为了保证计算结果的精确性，同时考虑到计算所需要的时间，最终我们设定的每一个虚拟BDG模型网格数量均在500，000 个左右[9]。

判断BDG手术好坏的主要因素包括血流流动形态、BDG手术重建区域能量损失，以及左右肺动脉的灌注平衡情况。由于术中，将患者上腔静脉与肺动脉吻合形成的腔－肺连接方式对术后整个连接区域的血液流场形态有显著的影响[10]，因此，腔－肺吻合形成的结构对连接区域的血液流动影响较大，处理不当，易造成血流紊乱加剧，左、右肺分配不均，连接区域出现血液的回流和停滞等情况。所有这些因素都将会引起BDG手术重建区域的能量损失增加，从而造成心脏的负荷增加，影响后期Fontan手术的开展。

本文对CFD应用于血流动力学研究的方法做了详尽的介绍，分别以患者个体化数据为例，讨论BDG手术区域能量损失与左、右肺灌注情况之间的联系，又对10例患者能量损失最佳区间进行了探索。对一期手术根治存在高危风险因素的先心病患者，BDG手术作为过渡术式能减轻心室的容量负荷，增加氧合，改善左心功能，为二期根治手术创造有利条件。评价BDG手术对单心室患者心脏功能补偿好坏及长期效果的标准中，能量损失是决定性因素。本研究显示，当能量损失在区间0．8～1．0mW，BDG术后血流可以获得较好的流动形态，无明显的回流、碰撞和涡流。此时，左、右肺动脉血流分配比为较优状态。流入左、右肺动脉平衡的血流对于左、右肺动脉的发育来说是很重要的。

结 论

BDG是临床治疗功能性单心室的有效姑息手术，常用作Fontan手术的过渡手术。手术的成功于否对左右肺的灌注以及二期Fontan手术的影响很大。本文介绍了基于心脏磁共振数据的三维建模，CFD对BDG术后连接段内的全三维血液流场的分析。从血流能量损失与左、右肺动脉流量比之间的关系可以得出：患者手术后的LPA/RPA流量比为50：50的血流能量损失较小。此外，本文还针对左右肺动脉不同流量比条件下BDG血液流场进行了细致的对比分析。在选择手术方案的时候，考虑左、右肺均衡灌注的同时还需特别关注BDG连接段的血流能量损失以及局部区域内的流场形态。

随着磁共振序列的发展，三维相位对比法已可完成对心脏以及大血管的血流评估[11-12]，开展基于磁共振图像的先天性心脏病术后四维血流动力学研究是未来的发展方向。综上所述，计算机流体动力学多参数评价有助于对患者的术后恢复以及二期Fontan手术的开展，具有重要的临床价值。