劉麗 萬(wàn)辰杰 柯林楠 王春仁

0 引言

隨著人工生物心臟瓣膜(以下簡(jiǎn)稱：生物瓣膜)材料和技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對(duì)人工機(jī)械心臟瓣膜(以下簡(jiǎn)稱：機(jī)械瓣膜)終身抗凝并發(fā)癥的重視，越來(lái)越多的臨床研究顯示出生物瓣膜的優(yōu)越性[1-4]。2017年發(fā)布的瓣膜性心臟病治療指南(ESC/EACTS Guidelines for the management of valvular heart disease)[5]推薦50 歲以下患者選擇機(jī)械瓣膜，70歲以上患者選擇生物瓣膜，50～70 歲患者兩種瓣膜都可以考慮，但目前臨床上生物瓣膜植入患者有年齡降低的趨勢(shì)，由此帶來(lái)二次植入瓣膜的需求。生物瓣膜一般使用牛心包或者豬主動(dòng)脈瓣制作而成，其優(yōu)勢(shì)在于患者不需要終生服用抗凝藥物，但發(fā)生瓣膜毀損和再次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)較高，且再次開(kāi)胸手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)比首次手術(shù)明顯增高。隨著介入技術(shù)的發(fā)展，2008年開(kāi)始經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣植入技術(shù)逐漸在臨床上嘗試使用[6-10]。即將經(jīng)導(dǎo)管植入式人工心臟瓣膜(以下簡(jiǎn)稱：經(jīng)導(dǎo)管瓣膜)壓縮至輸送系統(tǒng)，經(jīng)股動(dòng)脈(或心尖)植入至已毀損生物瓣膜內(nèi)，形成瓣中瓣模式。瓣中瓣模式下的經(jīng)導(dǎo)管瓣膜(以下簡(jiǎn)稱：經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣)用來(lái)替代已毀損的生物瓣膜，完成瓣膜的二次植入。經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣植入通常不需要開(kāi)胸和體外循環(huán)，患者創(chuàng)傷小，恢復(fù)快，尤其適用于不能再次承受開(kāi)胸手術(shù)的高危患者。近2年來(lái)，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣臨床應(yīng)用[11-12]。由于經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣將經(jīng)導(dǎo)管瓣膜直接安裝在已毀損的生物瓣膜內(nèi)，導(dǎo)致植入的經(jīng)導(dǎo)管瓣膜瓣口面積更小，瓣膜跨瓣壓差增加，從而既增加了心臟負(fù)荷，也會(huì)在一定程度上影響瓣膜壽命。目前，經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣研究多為臨床病例報(bào)道[13-18]，缺乏流體力學(xué)性能研究數(shù)據(jù)，作為血液系統(tǒng)的閥門(mén)，流體力學(xué)性能是瓣膜重要性能之一，而且流體力學(xué)數(shù)據(jù)為臨床上選擇瓣膜規(guī)格的重要依據(jù)，具有及其重要的作用。將經(jīng)導(dǎo)管瓣膜放入生物瓣膜形成瓣中瓣模式，本文對(duì)其流體力學(xué)性能進(jìn)行體外測(cè)試，并與同尺寸生物瓣膜進(jìn)行比較，可作為經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣臨床前體外評(píng)價(jià)的參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)樣品：將經(jīng)導(dǎo)管瓣膜(規(guī)格23 mm、27 mm、29 mm)按照說(shuō)明書(shū)通過(guò)輸送系統(tǒng)安裝在對(duì)應(yīng)規(guī)格生物瓣膜中形成瓣中瓣；參考瓣膜為生物瓣膜(規(guī)格23 mm、27 mm、29 mm)。上述規(guī)格尺寸都是安裝后的內(nèi)徑尺寸。由于放入經(jīng)導(dǎo)管瓣膜之前利用生物瓣膜的支架彈性及特殊設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行了預(yù)擴(kuò)張，使得放入經(jīng)導(dǎo)管瓣膜后瓣口內(nèi)徑仍可維持原尺寸。所有測(cè)試環(huán)境參數(shù)模擬及標(biāo)準(zhǔn)參照為主動(dòng)脈瓣位。

實(shí)驗(yàn)用流體為0.9%生理鹽水。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

脈動(dòng)流性能測(cè)試采用模塊化人工心臟瓣膜脈動(dòng)流測(cè)試系統(tǒng)(上海心瓣測(cè)試設(shè)備有限公司)[19-20]。該系統(tǒng)能模擬主動(dòng)脈瓣部位流動(dòng)環(huán)境，提供生理壓力及流量波形，2～7 L/min的模擬心輸出量。

穩(wěn)態(tài)流測(cè)試系統(tǒng)與之相匹配(上海心瓣測(cè)試設(shè)備有限公司)[19-20]，該系統(tǒng)能提供5 L/min、10 L/min、15 L/min、20 L/min、25 L/min、30 L/min的前向流量；40 mmHg(1 mmHg=133.3 Pa)、80 mmHg、120 mmHg、160 mmHg、200 mmHg的反向壓力。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品預(yù)處理

在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的瓣膜安裝位置先安裝生物瓣膜(牛心包)，進(jìn)行測(cè)試后利用其瓣架上的特殊裝置及材料本身的彈性用球囊將其內(nèi)徑擴(kuò)大，使得經(jīng)導(dǎo)管瓣膜放入后與原先測(cè)試的生物瓣膜有相同的瓣口內(nèi)徑。將經(jīng)導(dǎo)管瓣膜按照使用說(shuō)明壓握至適用規(guī)格的輸送系統(tǒng)上，按實(shí)驗(yàn)管路通過(guò)輸送系統(tǒng)放入對(duì)應(yīng)規(guī)格的生物瓣膜中(實(shí)驗(yàn)瓣膜的規(guī)格為23 mm、27 mm、29 mm)，形成瓣中瓣模式。利用測(cè)試系統(tǒng)對(duì)組裝好的瓣中瓣分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)前向流實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)反向泄漏實(shí)驗(yàn)、脈動(dòng)流實(shí)驗(yàn)。作為對(duì)照瓣膜的生物瓣膜進(jìn)行脈動(dòng)流實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 穩(wěn)態(tài)前向流實(shí)驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)前向流實(shí)驗(yàn)用來(lái)測(cè)試穩(wěn)態(tài)流量下的跨瓣壓差。將經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣正向安裝在穩(wěn)態(tài)流測(cè)試系統(tǒng)上，在5 L/min、10 L/min、15 L/min、20 L/min、25 L/min、30 L/min流量的實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)試經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣的跨瓣壓差，在每一流量下取300個(gè)測(cè)試值并計(jì)算平均值。

1.3.3 穩(wěn)態(tài)反向泄漏實(shí)驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)反向泄漏實(shí)驗(yàn)用來(lái)測(cè)試穩(wěn)態(tài)反向壓力下的泄漏量。將經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣反向安裝在穩(wěn)態(tài)流測(cè)試系統(tǒng)上，在40 mmHg、80 mmHg、120 mmHg、160 mmHg、200 mmHg壓力的實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)試經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣的反向泄漏量，在每一壓力下取300個(gè)測(cè)試值并計(jì)算平均值。

1.3.4 脈動(dòng)流實(shí)驗(yàn)

脈動(dòng)流實(shí)驗(yàn)用來(lái)測(cè)試脈動(dòng)條件下的流體力學(xué)性能。將經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣安裝在脈動(dòng)流測(cè)試系統(tǒng)上，在平均主動(dòng)脈壓100 mmHg、心率70次/min，心輸出量2.0 L/min、3.5 L/min、5.0 L/min、7.0 L/min的實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)試經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣和生物瓣膜的平均跨瓣壓差、返流百分比、有效瓣口面積。每個(gè)條件下選取10個(gè)循環(huán)測(cè)試并計(jì)算平均值。在心輸出量5.0 L/min實(shí)驗(yàn)條件下將經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣和生物瓣膜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果

2.1 穩(wěn)態(tài)前向流實(shí)驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)前向流實(shí)驗(yàn)測(cè)試瓣膜在穩(wěn)定流量下的跨瓣壓差，跨瓣壓差是反映瓣膜性能的重要指標(biāo)，跨瓣壓差過(guò)大影響心臟供血功能，同時(shí)也對(duì)瓣膜瓣葉造成損害。由圖1可見(jiàn)，經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣跨瓣壓差隨著前向流量的增大而增大，在相同前向流量下，隨著規(guī)格變大，跨瓣壓差減小，該結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)噴嘴跨瓣壓差具有相同的變化趨勢(shì)，符合瓣膜穩(wěn)態(tài)流下跨瓣壓差的變化規(guī)律。

圖1 穩(wěn)態(tài)前向流實(shí)驗(yàn)Figure 1 Steady forward-flow testing

2.2 穩(wěn)態(tài)反向泄漏實(shí)驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)反向泄漏實(shí)驗(yàn)用來(lái)測(cè)試瓣膜在穩(wěn)定反向壓力情況下的泄漏量，該泄漏量反映了瓣膜完全關(guān)閉狀態(tài)下的返流情況，是評(píng)價(jià)瓣膜性能的另一個(gè)重要指標(biāo)。由圖2可見(jiàn)，泄漏量隨著反向壓力的增大而增大，經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣與標(biāo)準(zhǔn)噴嘴泄漏量具有相同的變化趨勢(shì)，符合瓣膜在穩(wěn)態(tài)反向壓力下的變化規(guī)律。

圖2 穩(wěn)態(tài)反向泄漏實(shí)驗(yàn)Figure 2 Steady back-flow leakage testing

經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣最大的風(fēng)險(xiǎn)之一就是瓣中瓣結(jié)構(gòu)中的經(jīng)導(dǎo)管瓣膜與植入的生物瓣膜不匹配，在植入和工作過(guò)程中發(fā)生脫落。從穩(wěn)態(tài)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在穩(wěn)態(tài)前向流量30 L/min和穩(wěn)態(tài)反向壓力200 mmHg的實(shí)驗(yàn)條件，該實(shí)驗(yàn)條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于臨床中心輸出量和反向壓力，瓣中瓣中經(jīng)導(dǎo)管瓣膜牢固地固定在植入的生物瓣膜中，沒(méi)有發(fā)生移動(dòng)和脫落，說(shuō)明該經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣結(jié)構(gòu)牢固，植入后經(jīng)導(dǎo)管瓣膜脫落風(fēng)險(xiǎn)低。

2.3 脈動(dòng)流實(shí)驗(yàn)

脈動(dòng)流實(shí)驗(yàn)用來(lái)測(cè)試瓣膜在脈動(dòng)流條件下的流體力學(xué)性能，該流體力學(xué)性能主要通過(guò)平均跨瓣壓差、返流百分比和有效瓣口面積3個(gè)指標(biāo)反映。其中，平均跨瓣壓差是循環(huán)的正壓差階段，瓣膜兩側(cè)的壓差對(duì)時(shí)間的算術(shù)平均值，是用來(lái)評(píng)價(jià)瓣膜狹窄的重要指標(biāo)。返流百分比是一個(gè)循環(huán)內(nèi)反向通過(guò)瓣膜的流量與前向流階段通過(guò)瓣膜的流量的百分比，是用來(lái)評(píng)價(jià)瓣膜返流的重要指標(biāo)。有效瓣口面積通過(guò)壓力和流量計(jì)算得出，更直觀地反映瓣膜的開(kāi)閉性能。由圖3～圖5可見(jiàn)，經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣和生物瓣膜平均跨瓣壓差、返流百分比和有效瓣口面積有著相同的變化趨勢(shì)。對(duì)于同一規(guī)格的經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣和生物瓣膜，隨著心輸出量的增加，跨瓣壓差增大，返流百分比減小，有效瓣口面積增大；在同一心輸出量下，隨著瓣中瓣和生物瓣膜規(guī)格的增大，跨瓣壓差減小，返流百分比增大，有效瓣口面積增大。其中23 mm的經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣和生物瓣膜相比，平均跨瓣壓差和返流百分比較大，有效開(kāi)口面積較小；27 mm和29 mm的經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣和生物瓣膜相比，平均跨瓣壓差和返流百分比較小，有效開(kāi)口面積較大。分析其原因，可能由于存在于瓣中瓣結(jié)構(gòu)中經(jīng)導(dǎo)管瓣膜和生物瓣膜之間的瓣葉對(duì)于經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣脈動(dòng)流性能產(chǎn)生影響。對(duì)于小規(guī)格經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣，瓣葉厚度相對(duì)于瓣膜直徑尺寸占比大，對(duì)經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣脈動(dòng)流性能影響大，對(duì)于大規(guī)格經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣，瓣膜厚度相對(duì)于瓣膜直徑尺寸占比小，對(duì)經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣脈動(dòng)流性能影響小。說(shuō)明大規(guī)格的生物瓣膜中植入經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣具有更好的脈動(dòng)流性能。

圖3 23 mm經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣和生物瓣膜脈動(dòng)流實(shí)驗(yàn)Figure 3 Pulsatile-flow testing in 23 mm ViV-THV and bioprosthetic valve

圖4 27 mm經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣和生物瓣膜脈動(dòng)流實(shí)驗(yàn)Figure 4 Pulsatile-flow testing in 27 mm ViV-THV and bioprosthetic valve

圖5 29 mm經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣和生物瓣膜脈動(dòng)流實(shí)驗(yàn)Figure 5 Pulsatile-flow testing in 29 mm ViV-THV and bioprosthetic valve

2.4 在模擬臨床使用條件下的脈動(dòng)流性能實(shí)驗(yàn)

經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣和生物瓣膜在模擬臨床使用條件(平均主動(dòng)脈壓力100 mmHg、心率70次/min、心輸出量5 L/min)下的脈動(dòng)流性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。同規(guī)格經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣和生物瓣膜在模擬臨床使用條件下的脈動(dòng)流性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)明顯差異，說(shuō)明該經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣基本可以與生物瓣膜具有同等的體外脈動(dòng)流性能。YY/T1449.3—2016《心血管植入物 人工心臟瓣膜 第3部分 經(jīng)導(dǎo)管植入式人工心臟瓣膜》[19](等同轉(zhuǎn)化于ISO 5840.3:2013[20])對(duì)于主動(dòng)脈經(jīng)導(dǎo)管瓣膜的最低脈動(dòng)流性能做了規(guī)定。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣的返流百分比和有效瓣口面積完全滿足同規(guī)格該標(biāo)準(zhǔn)中的要求，說(shuō)明該經(jīng)導(dǎo)管瓣膜以瓣中瓣的方式植入生物瓣膜后具有良好的脈動(dòng)流性能。

表1 模擬臨床使用條件下的脈動(dòng)流性能實(shí)驗(yàn)Table 1 Pulsatile-flow testing under simulated clinical conditions

3 討論

近十幾年，隨著生物瓣膜植入患者越來(lái)越多，生物瓣膜毀損發(fā)生病例逐年遞增，對(duì)于瓣膜發(fā)生毀損的患者需要進(jìn)行二次換瓣手術(shù)，由于二次換瓣患者本身年齡較大，再次開(kāi)胸植入生物瓣膜風(fēng)險(xiǎn)很大。經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣植入技術(shù)逐漸成為生物瓣膜二次植入的替代手術(shù)。Nalluri等[21]通過(guò)PubMed等檢索出二次換瓣臨床實(shí)驗(yàn)594例，其中255例經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣植入術(shù)，339例二次開(kāi)胸生物瓣膜植入術(shù)，二者在手術(shù)死亡率、30天死亡率和1年死亡率無(wú)顯著差異。該結(jié)果從臨床上說(shuō)明了經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣技術(shù)治療高危手術(shù)患者主動(dòng)脈瓣衰敗的安全性和可行性。

目前，國(guó)內(nèi)外經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣研究主要集中在臨床應(yīng)用上，其流體力學(xué)性能數(shù)據(jù)鮮有報(bào)道。瓣膜作為血液系統(tǒng)的閥門(mén)，流體力學(xué)性能是其重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而且也是臨床上經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣植入中所使用的經(jīng)導(dǎo)管瓣膜規(guī)格選擇的重要參考依據(jù)。本文首次對(duì)經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣的流體力學(xué)性能進(jìn)行體外測(cè)試，并與生物瓣膜測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)其流體力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。該經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在高于臨床心輸出量的前向流量和高于收縮壓的反向壓力下，瓣中瓣結(jié)構(gòu)中的經(jīng)導(dǎo)管瓣膜未發(fā)生移動(dòng)及脫落。該經(jīng)導(dǎo)管瓣膜具有良好的脈動(dòng)流性能，與生物瓣膜相比無(wú)明顯差異，滿足YY/T 1449.3—2016的要求，說(shuō)明該經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣可以滿足臨床需要，與二次植入生物瓣膜相比，無(wú)顯著差異。

本研究中將經(jīng)導(dǎo)管瓣膜放入完好的生物瓣膜中進(jìn)行測(cè)試，未模擬出生物瓣膜毀損甚至鈣化的情況，而這類情況的發(fā)生是患者需要放入瓣中瓣的主要原因。當(dāng)生物瓣膜發(fā)生毀損(鈣化)，可能導(dǎo)致植入的經(jīng)導(dǎo)管瓣膜局部變形，從而影響經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣的脈動(dòng)流性能。由于毀損和鈣化情況多種多樣，很難選擇測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)模型。由于該模型的重要性，目前在收集臨床病例的影像數(shù)據(jù)，試圖建立具有代表性的經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣測(cè)試周圍錨定幾何模型。

4 結(jié)論

經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣體外脈動(dòng)流性能指標(biāo)滿足YY/T1449.3—2016標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)導(dǎo)管瓣膜的最低性能要求，且其脈動(dòng)流性能與同規(guī)格生物瓣膜相比無(wú)明顯差異。該經(jīng)導(dǎo)管瓣中瓣具有良好的血流動(dòng)力學(xué)性能。