石靜 羅葦如 劉金龍 楊樂(lè)飛 孫佩璇 仝志榮 杜雋

功能性單心室是一類(lèi)單側(cè)心室發(fā)育畸形、功能不良，或單側(cè)心室缺失的復(fù)雜先天性心臟病，F(xiàn)ontan 手術(shù)為其主要治療方法，術(shù)中通過(guò)將上、下腔靜脈與肺動(dòng)脈吻合，曠置右心，腔靜脈血流直接到肺循環(huán)進(jìn)行氧合[1]。Fontan 術(shù)后引起的急性腎損傷（AKI）是常見(jiàn)的嚴(yán)重并發(fā)癥。因缺乏敏感、特異的生物學(xué)標(biāo)志物，AKI 的早期監(jiān)測(cè)及評(píng)估仍是醫(yī)學(xué)難題。目前臨床多用血清肌酐和尿量評(píng)估，但血清肌酐敏感性不高，尿量易受循環(huán)血容量改變和利尿劑等的影響，均無(wú)法真實(shí)反映腎功能受損情況。發(fā)生AKI 與術(shù)中體外循環(huán)建立、術(shù)后灌注減少和監(jiān)護(hù)期血壓波動(dòng)造成的循環(huán)壓力、灌注及含氧量等變化相關(guān)[2]。因此，及時(shí)準(zhǔn)確了解Fontan 術(shù)后腎血流動(dòng)力學(xué)改變，有助于早期對(duì)腎功能進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)，對(duì)降低AKI 風(fēng)險(xiǎn)，減少Fontan 術(shù)后并發(fā)癥尤為重要。

新興的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法可通過(guò)個(gè)體化血管三維模型，設(shè)定相應(yīng)血流出入口條件，模擬不同病理生理?xiàng)l件下血流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的直觀定量評(píng)估及預(yù)測(cè)[3-4]。本研究采用CFD 方法評(píng)估Fontan 術(shù)前、術(shù)后不同時(shí)期腎血流動(dòng)力學(xué)，結(jié)合多普勒超聲數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

在獲得上海兒童醫(yī)學(xué)中心倫理委員會(huì)批準(zhǔn)和患兒家屬知情同意下，本研究納入30 例擬行Fontan 手術(shù)的患兒，并從中選擇1 例為代表，就CFD 研究方法和結(jié)果展開(kāi)詳細(xì)介紹。該患兒3.5 歲，于6 月齡時(shí)診斷為肺動(dòng)脈閉鎖、室間隔缺損、心室反位、Ⅱ型房間隔缺損、動(dòng)脈導(dǎo)管未閉、右位主動(dòng)脈弓，既往行右側(cè)Glenn 術(shù)和動(dòng)脈導(dǎo)管結(jié)扎術(shù)?；純河诒驹盒孝蚱贔ontan 手術(shù)，術(shù)后于心臟重癥監(jiān)護(hù)室予以積極利尿、強(qiáng)心、抗感染等治療，術(shù)后3 d 順利返回普通病房。

1.2 彩色多普勒檢查

采用彩色多普勒血流顯像（CDFI）技術(shù)于床旁分別采集患兒術(shù)前、術(shù)后3 h、1 d 和3 d 的腎血流超聲數(shù)據(jù)。以SIEMENS ACUSON P500 超聲掃描儀動(dòng)態(tài)獲取腹主動(dòng)脈腎動(dòng)脈分支段（起始段）、左右腎動(dòng)脈起始段（腎門(mén)段）及葉間動(dòng)脈血流參數(shù)，包括收縮期峰值流速（PSV）、舒張期最低流速（EDV）、阻力指數(shù)（RI）。

1.3 三維模型重建及數(shù)值模擬

采用X 射線計(jì)算機(jī)體層攝影設(shè)備掃描獲取患兒腹部血管影像數(shù)據(jù)，利用Materialise?-Mimics Innovation Suite 20.0（Materialise NV.Leuven,Belgium）Mimics 和Materialise?-3-Matic 12.0（Materialise NV.Leuven,Belgium）對(duì)腹主動(dòng)脈、腎動(dòng)脈及其他分支進(jìn)行三維重建，并保留足夠的腎動(dòng)脈分支。重建3D 模型，包括腹主動(dòng)脈、左右腎動(dòng)脈等，見(jiàn)圖1。

圖1 重建3D模型示意圖

利用模擬軟件ANSYS?-Fluent 2020（ANSYS Inc.America），求解Navier-Stokes（N-S）和連續(xù)性方程，獲得血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。計(jì)算中假設(shè)血管壁面剛性、無(wú)滑移，血液不可壓縮，密度為1 060 kg/m3，動(dòng)力黏度為4.0 mPa·s 的牛頓流體。以上端腹主動(dòng)脈開(kāi)口作為計(jì)算域的入口，賦予流速條件。以下游各腹主動(dòng)脈分支開(kāi)口及兩側(cè)髂動(dòng)脈開(kāi)口作為出口，耦合三元素Windkessel 模型[5-6]，代表下游血管阻抗，根據(jù)所測(cè)血流量，按比例調(diào)節(jié)參數(shù)，保持出口壓力在生理范圍內(nèi)。采用SIMPLE 算法及二階精度迎風(fēng)格式進(jìn)行求解，收斂精度為10-5，計(jì)算得到Fontan 前后不同時(shí)期腎動(dòng)脈的壓力階差、速度流線及壁面剪切力（WSS）分布的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化。

2 結(jié)果

2.1 超聲多普勒檢查結(jié)果

該患兒腎動(dòng)脈多普勒超聲實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。術(shù)后各階段雙腎動(dòng)脈起始段及腎門(mén)段最高峰值流速均較術(shù)前降低。術(shù)后3 h，右腎動(dòng)脈各段RI較術(shù)前升高，術(shù)后1～3 d，RI 逐漸降低；而左腎動(dòng)脈術(shù)后3 h 的RI 較術(shù)前降低。此外，葉間動(dòng)脈術(shù)后3 h 及1 d 的RI 較術(shù)前均升高，至術(shù)后3 d 改變趨緩。

表1 患兒腎動(dòng)脈多普勒超聲實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)

2.2 壓力階差分布

不同時(shí)期腎動(dòng)脈壓力階差分布見(jiàn)圖2A。術(shù)前至術(shù)后，腹主動(dòng)脈壓力階差分布無(wú)明顯差異，左腎動(dòng)脈壓力階差均值低于右腎動(dòng)脈。部分右腎動(dòng)脈術(shù)后壓力階差較術(shù)前略高，左腎動(dòng)脈主干的壓力階差在術(shù)后也稍有增高。

2.3 速度流線分布

不同時(shí)期腎動(dòng)脈速度流線分布見(jiàn)圖2B。術(shù)后3 d 右腎動(dòng)脈流速降至最低，與右腎動(dòng)脈壓力階差變化一致。左腎動(dòng)脈流速術(shù)后3 h 出現(xiàn)降低，1 d流速降至最低，3 d 流速逐漸升高，接近術(shù)前左腎動(dòng)脈流速。

2.4 壁面剪切力分布

不同時(shí)期腎動(dòng)脈WSS 分布見(jiàn)圖2C。術(shù)后3 h右腎動(dòng)脈平均WSS 較術(shù)前稍低，1 d 達(dá)到最高，3 d 逐漸降至最低。與術(shù)前相比，左腎動(dòng)脈術(shù)后3 h 和1 d 平均WSS 呈持續(xù)下降趨勢(shì)，術(shù)后3 d 平均WSS 逐漸增加，恢復(fù)至術(shù)前水平。

圖2 不同時(shí)期的腎血流動(dòng)力學(xué)各參數(shù)變化

3 討論

Fontan 手術(shù)改變血液循環(huán)，引起血流動(dòng)力學(xué)變化，增加了圍手術(shù)期罹患腎功能障礙的風(fēng)險(xiǎn)[2]。其中，AKI 是Fontan 術(shù)后常見(jiàn)并發(fā)癥和重要死亡原因。多中心隊(duì)列研究調(diào)查顯示兒童重癥監(jiān)護(hù)室內(nèi)AKI 病發(fā)率高達(dá)29.6%[7]，Esch 等[8]發(fā)現(xiàn)Fontan術(shù)后AKI 病發(fā)率可達(dá)42%。血流動(dòng)力學(xué)改變引發(fā)的腎功能障礙是AKI發(fā)生的關(guān)鍵因素之一[9]。因此，了解Fontan 術(shù)后腎血流動(dòng)力學(xué)的變化特征是預(yù)防AKI 的必要前提。

本研究基于30 例Fontan 手術(shù)患兒腎血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果，以其中1 例為代表，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行討論。選取術(shù)前、術(shù)后3 h、1 d 及3 d，觀察血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)變化。CDFI 數(shù)據(jù)提供了患兒基礎(chǔ)狀態(tài)水平，術(shù)后3 h 各項(xiàng)指標(biāo)存在較大波動(dòng)，F(xiàn)ontan 術(shù)后1 d 是AKI 發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)期，而術(shù)后3 d 進(jìn)入腎功能恢復(fù)期[9]。

本研究中CDFI 數(shù)據(jù)顯示雙腎動(dòng)脈起始段及腎門(mén)段峰值流速在術(shù)后各階段均較術(shù)前降低，符合術(shù)后腎臟血供總量減少的趨勢(shì)。術(shù)后3 h，右腎動(dòng)脈起始段RI 較術(shù)前升高，提示術(shù)后急性期腎內(nèi)高阻態(tài)。術(shù)后1 d 及3 d，雙腎動(dòng)脈起始段RI 較術(shù)后3 h 下降，提示術(shù)后急性高阻態(tài)有所緩解。此外，術(shù)后3 h及1 d 葉間動(dòng)脈RI 較術(shù)前均有升高，至術(shù)后3 d 降低。腎臟應(yīng)對(duì)循環(huán)急性改變的反應(yīng)是持續(xù)增加腎血管阻力，即RI 的特征性變化[10]。腎臟的入腎血管擴(kuò)張，出腎血管收縮，維持一定的腎血流量和腎小球?yàn)V過(guò)率，以保護(hù)腎功能。

本研究計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)Fontan 術(shù)前、術(shù)后不同時(shí)期左、右腎血流動(dòng)力學(xué)的變化不同。不同時(shí)期左、右腎動(dòng)脈壓力階差變化不顯著，但同一時(shí)期右腎動(dòng)脈壓力階差大于左腎動(dòng)脈，這與CDFI 觀察到的兩側(cè)腎動(dòng)脈RI 的變化規(guī)律近似。這可能與右腎動(dòng)脈分支較多，且分支開(kāi)口及角度多變有關(guān)。高RI 和壓力階差不僅表現(xiàn)為腎動(dòng)脈的高阻態(tài)，也可由左、右腎動(dòng)脈解剖固有差異導(dǎo)致。雙側(cè)腎動(dòng)脈開(kāi)口附近壁面剪切力均高于腹主動(dòng)脈其他分支，這與Lee等[11]發(fā)現(xiàn)一致?？紤]Fontan 術(shù)中體外循環(huán)導(dǎo)致較長(zhǎng)時(shí)間的腎臟低灌注狀態(tài)，且術(shù)后循環(huán)狀態(tài)改變，造成心輸出量減少[2]。若血流量失衡嚴(yán)重，腎內(nèi)血流出現(xiàn)代償性調(diào)整，將引起左、右腎動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)變化不同步。右腎動(dòng)脈在術(shù)后3 d 前均為高速流動(dòng)，壁面剪切力隨之增大。隨著代償性調(diào)整，左腎術(shù)后3 d 表現(xiàn)為高流速分布。因此，F(xiàn)ontan 手術(shù)引起左、右腎血流動(dòng)力學(xué)非一致性的改變。

本研究存在以下不足：（1）由于醫(yī)學(xué)影像清晰度有限，腎動(dòng)脈微小血管無(wú)法重建，未能評(píng)估腎微循環(huán)灌注；（2）僅對(duì)血流動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，未結(jié)合生化指標(biāo)評(píng)估Fontan 術(shù)后腎功能。

本研究利用CFD 技術(shù)分析先天性心臟病患兒Fontan 術(shù)前術(shù)后腎血流動(dòng)力學(xué)變化特征，結(jié)合多普勒超聲檢查發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ontan 術(shù)后腎阻力呈現(xiàn)一過(guò)性增高，兩側(cè)腎動(dòng)脈血流呈現(xiàn)非一致性改變。利用CFD 技術(shù)，可為臨床預(yù)測(cè)評(píng)估腎血流動(dòng)力學(xué)改變提供有效幫助。