经心尖人工腱索植入器械的优化设计与分析

崔赛辉，王皓辰，赵展，宋成利，王伟

1.上海理工大学 医疗器械与食品学院（上海，200093）

2.海军特色医学中心（上海， 200433）

0 引言

二尖瓣反流（mitral regurgitation, MR）是一种常见的瓣膜性心脏疾病（valvular heart disease,VHD）。当二尖瓣不能正常关闭时，血液从左心室流入左心房，而不是流入动脉，当血液反流发生时，进入主动脉的血流量减少，导致供血不足，严重的二尖瓣反流可能会引起心率不齐、心力衰竭等问题［1］。根据文献调查发现，2019年我国重度MR患者数量超过1 000万人［2］，但外科治疗率低于2%，中重度二尖瓣反流患者中65岁以上人群患病率较高，约为2.2%［3］。二尖瓣脱垂，腱索或乳头肌的伸长、断裂是导致反流的最常见病因，其中Ⅱ型二尖瓣反流患者居多［4］，腱索冗长断裂，瓣环扩张等因素改变了二尖瓣的形态，瓣叶无法完全紧密的闭合，导致了反流。

人工腱索植入技术［5］的原理是将线材通过心尖途径送入左心室，一端连接左心室心肌，另一端连接二尖瓣叶边缘，两者形成一种平衡的状态，使瓣叶实现紧密闭合。该方法对Ⅱ型中度二尖瓣反流治疗效果较好，与经导管的修复技术相比，经心尖的途径避免了较长的输送途径和房间隔的穿刺，降低了相关并发症率，器械的操作安全性较高［6］。

由于二尖瓣的特殊结构导致之前用于主动脉瓣和肺动脉瓣的成熟技术很难直接用于二尖瓣，同时常规的药物治疗疗效甚微，需借助二尖瓣置换或修复等方法。现有的二尖瓣修复器械的设计难点包括如何精确捕获二尖瓣叶，以及人工腱索的施放与固定。本研究对于经心尖人工腱索植入器械进行了设计优化，通过实验验证人工腱索3种不同固定方式下的效果，该器械可实现在较小且易修复的创伤下，穿刺心尖捕获二尖瓣叶，并且完成人工腱索的施放和固定，提高人工腱索固定的稳固程度，为二尖瓣反流手术的方案制定提供理论和实验依据。

1 材料与方法

1.1 器械工作原理

经心尖人工腱索植入器械的结构，如图1所示。包括前端操作机构（夹钳），钳口开合控制手柄，锁定旋钮，穿刺勾针和鞘管。夹钳采用上下颚式结构，包括活动的上钳叶和固定的下钳叶，可有效减小前端操作机构的尺寸，避免前端穿刺心尖时造成较大的创伤，上钳叶用于植入前固定垫片和人工腱索，下钳叶内侧表面设有排齿，保证前端夹持机构闭合后瓣叶不易发生脱落。

图1 器械结构图Fig.1 Device structure diagram

经心尖人工腱索植入器械手术是在心脏不停跳的情况下进行的［7］。器械前端工作部分通过人体肋间的开孔后，穿刺心尖部位，到达左心室工作区域，待捕获和夹持瓣叶后锁紧旋钮，使夹钳机构不再开合。穿刺勾针可通过鞘管内部通道，穿过二尖瓣叶和垫片，勾针前端到达上钳叶后对人工腱索起牵引作用，将垫片、瓣叶和人工腱索固定，前端机构撤出左心室后，医师可在经心尖超声心动图的指引下［8］，观察二尖瓣叶闭合情况，调整腱索至合适长度，使二尖瓣叶修复后紧密闭合（图2）。

图2 人工腱索植入器械工作原理图Fig.2 Working principle diagram of artificial chordal implantation device

由于二尖瓣环在心脏舒张期的最大面积为8.5 cm2，左心室瓣环到心尖底部的距离约为7 cm，心尖距离体表的面积一般为5 cm［1］，器械前端的长度不宜过长。鞘管的直径决定了穿刺时对心尖部位造成的创伤口大小，因此器械前端长度取17 cm，保证医师的手术可操作性，鞘管选用直径5 mm医用不锈钢管制作，降低腱索植入后心尖部位创面的缝合修复难度。

1.2 人工腱索撕脱力测试

人工腱索撕脱力测试是将腱索的固定方式分为3类，分别为单根人工腱索、人工腱索加锚栓［9］以及人工腱索加垫片（图3），锚栓材料为镍钛合金，选用离体猪心的A2、P2二尖瓣瓣叶［1］，同时保证各瓣叶之间大小、厚度差异接近。在距离瓣叶边缘3 mm处使用优化设计的样机进行人工腱索固定，器械内部的1.0 mm直径勾针穿刺牵引，同时完成腱索的固定。

图3 人工腱索固定方式Fig.3 Artificial chordal fixation methods

人工腱索通常选用聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene， PTFE)线材［10］，单根人工腱索无法在二尖瓣运动过程中与瓣叶产生应力应变耦合，在较大的拉力和工作强度下，腱索直接接触瓣叶表面，可能会对瓣叶造成撕裂破坏，影响其修复的术后效果和耐久性。因此通过增加支撑物的办法，例如将腱索与锚栓或垫片联结，可避免人工腱索线材的牵引力直接作用于二尖瓣叶表面。撕脱力测试平台由INSTRON 5965万能材料试验机 (50 N量程)和二尖瓣固定夹具组成，将瓣叶边缘固定于平台下方，腱索在100 mm/min的速度下纵向拉伸，直至腱索与瓣叶彻底脱离，同时记录拉伸位移-拉伸力曲线以及瓣叶最大撕脱力。

1.3 人工腱索有限元建模与分析

通过建立二尖瓣叶（E=6.23 MPa，μ=0.45，ρ=1 040 kg/m^3，厚度2.8 mm）与人工腱索（E=100 MPa，μ=0.47，ρ=1 040 kg/m^3，直径 0.3 mm）3种不同固定方式下的三维模型［11］，导入有限元分析软件ANSYS Workbench，研究瓣叶在受到腱索100 mm/min纵向牵引力作用下腱索联结处的应力分布情况，验证加垫片的固定方式对减少应力集中所起的作用。人工腱索起到了联结二尖瓣叶与心尖乳头肌的作用，PTFE材料由于其表面多微孔的特性，并且具有较好的生物相容性、较高的强度和抗疲劳性能，可承受心动周期内大量反复跳动引起的拉伸，是人工腱索的理想材料［12］。人工腱索选用了单根三股螺旋结构PTFE线材，三螺旋结构具有较高的稳定性，其特性更接近于人体腱索的生物黏弹特性［6］。

人工腱索和二尖瓣结构可简化为一个单向阀，当左心室收缩时，二尖瓣下方受到血液向上的压力F，为使二尖瓣叶紧密闭合，腱索对二尖瓣产生向下拉力f，建立腱索和瓣叶之间的力平衡方程［6］：

E：腱索材料弹性模量；d：腱索直径；μ：腱索泊松比；N：腱索有效直径；D：腱索中径

在有限元分析过程中，设置二尖瓣环边缘为固定约束结构，通过施加在人工腱索上的纵向位移，模拟腱索牵拉二尖瓣叶的过程，观察腱索、锚栓以及垫片在二尖瓣叶表面的应力分布情况。

2 结果

2.1 撕脱力测试

二尖瓣叶中A2、P2瓣叶是修复手术中主要的腱索植入对象，故本测试选用了离体猪心的A2、P2瓣叶，保证各瓣叶之间大小、厚度差异接近，将人工腱索以3种不同的固定方式固定于距离瓣叶边缘3 mm处，在100 mm/min的速度下拉伸，记录拉伸位移-拉伸力曲线。由于瓣叶的超弹特性［13］，在拉伸过程中其拉伸力不断地增大，到达一定峰值力时，二尖瓣叶边缘的腱索固定处完全破坏，拉伸力也随之下降。其中加垫片的人工腱索固定方式可承受较大的撕脱力，有效避免了人工腱索在二尖瓣开闭时，牵拉对其造成的损伤（图4）。

图4 人工腱索拉伸位移-拉伸力曲线Fig.4 Tensile displacement-tension curve of artificial chord

由于二尖瓣叶中A2、P2瓣叶最易发生瓣叶脱垂和腱索冗长、断裂［14］，对其进行了多次撕脱力测试，并进行统计学分析。A2、P2不同瓣叶下的最大撕脱力，加垫片的固定方式与单根人工腱索相比，有效提高了最大撕脱力数值，与加锚栓的方式相比，A2瓣叶测试结果平均值提高47.4%，P2瓣叶下的最大撕脱力提高71.9%，与单根腱索的方式相比，A2瓣叶测试结果平均值提高113.5%，P2瓣叶下的最大撕脱力提高134.4%。加锚栓的方法仅需将锚栓结构直接穿过二尖瓣叶边缘，其操作难度与加垫片的方式相比，更加易于医师操作，但该方法由于锚栓材料弹性模量较大，并且和二尖瓣叶的接触面积较小，无法显著提升腱索的最大撕脱力（表1）。

表1 人工腱索不同固定方式下的最大撕脱力Tab. 1 The maximum avulsion force of artificial chord under different fixation methods

2.2 人工腱索有限元分析

该分析模型是在P2瓣叶距离边缘3 mm处，以3种不同的人工腱索固定方式进行有限元分析，对比不同固定方式人工腱索牵拉下的应力分布情况。由于腱索的纵向拉伸，压力不断增大，二尖瓣叶呈现向下弯曲状，待其弯曲至同一角度后，瓣叶的最大应力分布于瓣叶与瓣环连接处，且瓣叶表面应力自交界处向腱索固定处逐渐递减，3种情况下的瓣叶表面应力分布较为接近、且过度较为均匀（图5）。

图5 有限元分析等效应力云图Fig.5 The equivalent stress cloud diagram of finite element analysis

3种不同腱索固定方式下应力在人工腱索植入处较大（单根人工腱索1.07 MPa，人工腱索加锚栓0.99 MPa，人工腱索加垫片0.76 MPa）。单根人工腱索的固定方式，主要由PTFE线材直接牵拉二尖瓣叶，较小的作用面积导致应力集中于腱索穿孔位置，人工腱索加锚栓的方式，与前者相比可减小一定的应力大小，且主要分布于圆柱形锚栓与瓣叶表面接触位置，加垫片的人工腱索固定方式，由于垫片采用了PTFE材料，与金属锚栓较大的弹性模量相比具有一定的弹性，可有效减小应力，较大的接触面积也使得接触面应力分布更为分散，验证了加垫片的固定方式对减少应力集中所起的作用，提高了腱索固定的稳定性。

3 讨论

本研究对Ⅱ型中度二尖瓣反流患者出现的瓣叶脱垂、腱索、乳头肌断裂等问题，以及现有的经心尖植入人工腱索的器械，存在的二尖瓣叶撕裂和脱落问题，优化设计人工腱索的植入及固定方式。本研究设计通过改变优化前端操作结构，提出了在人工腱索上加锚栓和垫片的固定人工腱索方式，并通过离体实验验证了该器械的可行性。设计可在传统的单根人工腱索基础上施加垫片或者锚栓，从而解决单根人工腱索存在的应力集中问题。然而较传统固定器械，本研究所提出的器械前端构造复杂，在一定程度上增加了器械的操作难度。为了减少医生的操作难度同时提高器械的控制精度，后续将使用电机驱动前端结构，从而实现经心尖人工腱索植入器械的电动化。

本研究测试了人工腱索在单根人工腱索、人工腱索加锚栓以及人工腱索加垫片3种不同固定方式下的最大撕脱力，证明了增加垫片的方法测试参数优于另外2种固定方式，可提高最大撕脱力。有限元分析结果证明了该器械采用的腱索固定方式，减小了二尖瓣叶表面由于腱索牵拉的最大应力，可有效避免腱索脱落和二尖瓣叶撕裂的发生。经心尖腱索植入器械实现了腱索植入的整个操作流程，可使人工腱索以加垫片的方式固定于二尖瓣叶边缘配合，5 mm的器械直径，可减小穿刺和工作时对心尖部位造成的损伤。经优化设计后，可实现瓣叶的捕获夹持和人工腱索的施放，避免了出现瓣叶撕裂的情况，保证了术后效果的维持，并在实验平台上验证了其效果，为二尖瓣反流手术的方案制定提供理论和实验依据。同时本实验也存在一定的局限性，二尖瓣与植入实验均采用的是离体猪心，与人体心脏性能和结构有一定的差异，且测试过程中无法完全保证二尖瓣叶的大小和厚薄一致，后续工作将对不足部分予以研究改进。