模拟主动脉瓣狭窄血流动力学研究进展

王 楠，韩庆奇，徐洪涛*，崔国民

(1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2.长海医院心血管外科，上海 200433)

主动脉瓣是左心室流出道与主动脉根部的分界线。在心脏收缩期，健康的主动脉瓣可充分打开，对心脏射出血流几无阻挡，此时跨主动脉瓣压差接近于零；如各种原因致主动脉瓣狭窄(aortic stenosis，AS)、瓣口面积缩小及左心室流出道梗阻[1]，则可出现心绞痛、晕厥及心力衰竭等临床表现。随着社会老龄化进程的加快，我国AS患者数量呈明显增加趋势[2]。

医学影像学已成为临床重要辅助工具。心血管领域常用医学成像技术包括MRI、多普勒超声(Doppler ultrasound，DE)、CT及心导管术等，各有其优缺点[3-5]。随着数字医学的兴起，以有限元为代表的数值模拟技术在医学领域、尤其心血管领域得到广泛应用[6]。基于医学影像的数值模拟可在无创前提下，通过流体力学、结构力学及流固耦合等模拟方法综合分析血流量、血流阻力及血管壁面剪切应力等血流动力学参数的变化，弥补常规技术时间分辨率低、评估范围小及无法定量分析等不足，为术前诊断AS及术后评估提供有力手段。本文对血流动力学模拟AS研究进展进行综述。

1 三维重建物理模型

针对AS进行数值模拟的首要任务是建立主动脉物理模型。既往研究[7-10]基于对主动脉曲度、直径、厚度及主动脉瓣的结构进行简化而建立的理想化模型不能准确模拟分析血管壁及主动脉瓣的形变特性，临床适用性低。依托医学影像学、有针对性地建立主动脉物理模型，可准确描述不同个体的病变程度(纤维化、钙化等)及其差异，分析血流动力学的准确性较高。

高空间分辨率医学影像是准确建立主动脉模型的基础。CT扫描层厚是数值模拟中较敏感的参数，适宜厚度为0.5～0.6 mm[11]。将医学影像导入三维重建系统，可进行阈值划分、三维重建并导出[12-13]。目前常用的医学影像三维重建系统有Vitrea2、Osirix、Mimics、VolView、VolVis、ITK-SNAP和3D Slicer等；其后利用逆向工程软件(如Geomagic Studio)进行非参数化曲面重构，可得到完整且光顺的可进行数值模拟前处理(如网格划分)的主动脉物理模型[14-16]。

2 模拟研究内容

2.1 评估血流动力学参数 常规血流动力学参数包括血流速度、血流量及壁面剪切应力等。此外，部分研究者自定义了一些参数，用于量化主动脉区域的压降、涡流形态及血流偏斜度，包括瓣膜阻力指数[17]、正螺旋分数[18]、流动位移[19]和流动角[20]等；而这些参数无法从医学影像图片中直接读取或分析得出，使得数值模拟的量化评估能力优于常规影像学技术。

2.2 分析非正常形态瓣膜及置换术效果 AS常见病因有先天性二叶式主动脉瓣和瓣膜钙化等。针对主动脉瓣二叶畸形，可与正常或狭窄三叶瓣进行流固耦合模拟对比，以分析瓣膜形变及应力分布、壁面剪切应力分布和血流方向[21-22]；针对瓣膜钙化，可通过流体力学模拟分析其对主动脉根部区域血流形态(涡流、回流)的影响[23-24]，还可通过结构力学模拟分析其对血管内支架展开的影响[25]。非正常形态瓣膜使主动脉根部血流模式发生改变，进而影响疾病后续发展，具体表现在流量、流速及流动形态等，如钙化瓣膜造成的涡流降低主动脉根部的血流速度、进而增加钙沉积概率，或瓣膜及血管壁压力改变，如相比三叶瓣而言，射血期二叶瓣叶片形变程度更大、跨瓣压差更高，且使血管壁承受不对称的剪切应力。

对主动脉瓣置换术前、术后影像学图像进行三维重建及模拟的结果[26]显示，主动脉瓣置换术可有效改善AS造成的偏斜射流、涡流等负面血流动力学影响，减小升主动脉区域跨瓣压差和血流角，同时降低主动脉弓的血流复杂性。

2.3 模拟临床 对临床实践的模拟主要包括模拟经导管主动脉瓣置换术(transcatheter aortic valve replacement，TAVR)治疗AS术中植入不同尺寸支架的位置、支架与天然主动脉瓣的生物力学相互作用及量化支架的结构形变[27-28]。DOWLING等[28]将模拟结果与接受TAVR治疗的AS患者的围术期影像学结果进行对比，发现模拟的准确性较高。

TAVR术后可发生瓣周漏、传导阻滞等不良反应。模拟AS血流动力学可预测不良结果并提出优化策略。DOWLING等[29]对TAVR术后AS患者进行1年随访观察，通过模拟预测瓣周漏和心脏传导阻滞，并参考模拟结果调整治疗策略，获得良好效果。

近年来，越来越多的模拟血流动力学研究与临床相结合，对围术期AS进行全面分析；但现有文献中尚无对选择植入支架型号及位置等的明确建议，有待后续深入研究。

3 边界条件

模拟血流动力学重点在于物理模型和数学模型，而数学模型中以边界条件最为重要，主要包括进出口边界条件及材料特性。

3.1 进出口边界条件 数值模拟心血管领域的进出口条件常为流量与压力的结合。现有模拟AS研究的进出口边界条件常为3种情况：①理想化的压力与流量脉动曲线[11,23]；②实时监测瞬态数据[30-32]；③集总参数模型计算数据[5,33]。集总参数模型是将血液循环系统与电路网络进行类比，血液压力与流速分别对应电压与电流，各器官对应不同电路元件，进而利用电路网络的常微分系统来描述血液循环系统；虽然其精度较低，但可恰当描述血液循环系统的某些现象，如压力脉冲传播，且可快速有效计算血管阻抗、压降等参数值，适用于系统性模拟心脏和血管。较理想边界条件而言，实时监测的瞬态数据、集总参数模型的计算数据的边界条件更能准确模拟不同患者血管内血流动力学状况，其结论对临床更具参考价值。

3.2 血管组织材料特性 除进出口边界条件外，血液、主动脉瓣及主动脉壁等组织的材料特性也需要加以定义。通常情况下，血液被假设为均匀的牛顿流体[27,34]，密度为1 060 kg/m3，黏度为0.003 5～0.004 0 N·s/m2[27,30,35]；而血液的流动属性则可根据研究尺度和研究内容分为层流[17,36]或湍流[23]。

主动脉壁和主动脉瓣具有非线性弹性特征，正确进行物性赋值可准确反映组织的形变特性，以准确模拟组织上的应力分布。通常二者被定义为超弹性材料，根据不同计算条件再分为各向异性[11,33]及各向同性[34,36]；LURAGHI等[11]将动脉组织建模为两个优选方向(纵向和圆周方向)一致的各向异性超弹性材料。主动脉壁厚度为1.5～2.5 mm[33,37]，瓣膜厚度0.5 mm[37]；二者密度通常均为1 100 kg/m3，杨氏模量为1～4 MPa，泊松比为0.45～0.48[11,38]。

3.3 钙化物材料特性 瓣膜钙化是AS病因之一，相关模拟需对钙化物进行赋值。钙化瓣膜中钙化物的分布大致分为两类，即均匀分布于瓣叶上[23]或单独建模并耦合在瓣叶上[39]。钙化物密度通常为1 600～2 000 kg/m3，杨氏模量为10～20 MPa，泊松比为0.300～0.495[22,39]。实际上钙沉积分布及其严重程度因人而异，后续需根据影像学表现进行更细致的分类，以更精确地建模与赋值。

4 小结与展望

作为一种非侵入式技术，数值模拟在医学领域、尤其心血管领域具有巨大潜力。基于真实的物理建模、恰当的数学模型及良好的模拟收敛条件(速度、质量的收敛残差小于10-6)，数值模拟可在医学影像学基础上无创、准确整体评估并量化血流动力学状况。数值模拟可在整个TAVR围术期内为AS患者提供全面且科学的参考及指导。

目前AS血流动力学研究存在的不足：①对TAVR术中如何选择支架型号与植入位置尚缺少系统性总结；②对于瓣膜上钙化物的分布及属性分类不够细致；③与模拟相结合的体外实验和临床验证数量较少，且研究时间跨度较短。

未来应继续将数值模拟与临床需求紧密结合，同时弥补上述不足，为智能诊断AS提供关键技术支撑，以促进实现“定制治疗”。