王 楠，韓慶奇，徐洪濤*，崔國民

(1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2.長海醫(yī)院心血管外科，上海 200433)

主動脈瓣是左心室流出道與主動脈根部的分界線。在心臟收縮期，健康的主動脈瓣可充分打開，對心臟射出血流幾無阻擋，此時跨主動脈瓣壓差接近于零；如各種原因致主動脈瓣狹窄(aortic stenosis，AS)、瓣口面積縮小及左心室流出道梗阻[1]，則可出現(xiàn)心絞痛、暈厥及心力衰竭等臨床表現(xiàn)。隨著社會老齡化進程的加快，我國AS患者數(shù)量呈明顯增加趨勢[2]。

醫(yī)學影像學已成為臨床重要輔助工具。心血管領(lǐng)域常用醫(yī)學成像技術(shù)包括MRI、多普勒超聲(Doppler ultrasound，DE)、CT及心導(dǎo)管術(shù)等，各有其優(yōu)缺點[3-5]。隨著數(shù)字醫(yī)學的興起，以有限元為代表的數(shù)值模擬技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域、尤其心血管領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]?；卺t(yī)學影像的數(shù)值模擬可在無創(chuàng)前提下，通過流體力學、結(jié)構(gòu)力學及流固耦合等模擬方法綜合分析血流量、血流阻力及血管壁面剪切應(yīng)力等血流動力學參數(shù)的變化，彌補常規(guī)技術(shù)時間分辨率低、評估范圍小及無法定量分析等不足，為術(shù)前診斷AS及術(shù)后評估提供有力手段。本文對血流動力學模擬AS研究進展進行綜述。

1 三維重建物理模型

針對AS進行數(shù)值模擬的首要任務(wù)是建立主動脈物理模型。既往研究[7-10]基于對主動脈曲度、直徑、厚度及主動脈瓣的結(jié)構(gòu)進行簡化而建立的理想化模型不能準確模擬分析血管壁及主動脈瓣的形變特性，臨床適用性低。依托醫(yī)學影像學、有針對性地建立主動脈物理模型，可準確描述不同個體的病變程度(纖維化、鈣化等)及其差異，分析血流動力學的準確性較高。

高空間分辨率醫(yī)學影像是準確建立主動脈模型的基礎(chǔ)。CT掃描層厚是數(shù)值模擬中較敏感的參數(shù)，適宜厚度為0.5～0.6 mm[11]。將醫(yī)學影像導(dǎo)入三維重建系統(tǒng)，可進行閾值劃分、三維重建并導(dǎo)出[12-13]。目前常用的醫(yī)學影像三維重建系統(tǒng)有Vitrea2、Osirix、Mimics、VolView、VolVis、ITK-SNAP和3D Slicer等；其后利用逆向工程軟件(如Geomagic Studio)進行非參數(shù)化曲面重構(gòu)，可得到完整且光順的可進行數(shù)值模擬前處理(如網(wǎng)格劃分)的主動脈物理模型[14-16]。

2 模擬研究內(nèi)容

2.1 評估血流動力學參數(shù) 常規(guī)血流動力學參數(shù)包括血流速度、血流量及壁面剪切應(yīng)力等。此外，部分研究者自定義了一些參數(shù)，用于量化主動脈區(qū)域的壓降、渦流形態(tài)及血流偏斜度，包括瓣膜阻力指數(shù)[17]、正螺旋分數(shù)[18]、流動位移[19]和流動角[20]等；而這些參數(shù)無法從醫(yī)學影像圖片中直接讀取或分析得出，使得數(shù)值模擬的量化評估能力優(yōu)于常規(guī)影像學技術(shù)。

2.2 分析非正常形態(tài)瓣膜及置換術(shù)效果 AS常見病因有先天性二葉式主動脈瓣和瓣膜鈣化等。針對主動脈瓣二葉畸形，可與正常或狹窄三葉瓣進行流固耦合模擬對比，以分析瓣膜形變及應(yīng)力分布、壁面剪切應(yīng)力分布和血流方向[21-22]；針對瓣膜鈣化，可通過流體力學模擬分析其對主動脈根部區(qū)域血流形態(tài)(渦流、回流)的影響[23-24]，還可通過結(jié)構(gòu)力學模擬分析其對血管內(nèi)支架展開的影響[25]。非正常形態(tài)瓣膜使主動脈根部血流模式發(fā)生改變，進而影響疾病后續(xù)發(fā)展，具體表現(xiàn)在流量、流速及流動形態(tài)等，如鈣化瓣膜造成的渦流降低主動脈根部的血流速度、進而增加鈣沉積概率，或瓣膜及血管壁壓力改變，如相比三葉瓣而言，射血期二葉瓣葉片形變程度更大、跨瓣壓差更高，且使血管壁承受不對稱的剪切應(yīng)力。

對主動脈瓣置換術(shù)前、術(shù)后影像學圖像進行三維重建及模擬的結(jié)果[26]顯示，主動脈瓣置換術(shù)可有效改善AS造成的偏斜射流、渦流等負面血流動力學影響，減小升主動脈區(qū)域跨瓣壓差和血流角，同時降低主動脈弓的血流復(fù)雜性。

2.3 模擬臨床 對臨床實踐的模擬主要包括模擬經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換術(shù)(transcatheter aortic valve replacement，TAVR)治療AS術(shù)中植入不同尺寸支架的位置、支架與天然主動脈瓣的生物力學相互作用及量化支架的結(jié)構(gòu)形變[27-28]。DOWLING等[28]將模擬結(jié)果與接受TAVR治療的AS患者的圍術(shù)期影像學結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)模擬的準確性較高。

TAVR術(shù)后可發(fā)生瓣周漏、傳導(dǎo)阻滯等不良反應(yīng)。模擬AS血流動力學可預(yù)測不良結(jié)果并提出優(yōu)化策略。DOWLING等[29]對TAVR術(shù)后AS患者進行1年隨訪觀察，通過模擬預(yù)測瓣周漏和心臟傳導(dǎo)阻滯，并參考模擬結(jié)果調(diào)整治療策略，獲得良好效果。

近年來，越來越多的模擬血流動力學研究與臨床相結(jié)合，對圍術(shù)期AS進行全面分析；但現(xiàn)有文獻中尚無對選擇植入支架型號及位置等的明確建議，有待后續(xù)深入研究。

3 邊界條件

模擬血流動力學重點在于物理模型和數(shù)學模型，而數(shù)學模型中以邊界條件最為重要，主要包括進出口邊界條件及材料特性。

3.1 進出口邊界條件 數(shù)值模擬心血管領(lǐng)域的進出口條件常為流量與壓力的結(jié)合。現(xiàn)有模擬AS研究的進出口邊界條件常為3種情況：①理想化的壓力與流量脈動曲線[11,23]；②實時監(jiān)測瞬態(tài)數(shù)據(jù)[30-32]；③集總參數(shù)模型計算數(shù)據(jù)[5,33]。集總參數(shù)模型是將血液循環(huán)系統(tǒng)與電路網(wǎng)絡(luò)進行類比，血液壓力與流速分別對應(yīng)電壓與電流，各器官對應(yīng)不同電路元件，進而利用電路網(wǎng)絡(luò)的常微分系統(tǒng)來描述血液循環(huán)系統(tǒng)；雖然其精度較低，但可恰當描述血液循環(huán)系統(tǒng)的某些現(xiàn)象，如壓力脈沖傳播，且可快速有效計算血管阻抗、壓降等參數(shù)值，適用于系統(tǒng)性模擬心臟和血管。較理想邊界條件而言，實時監(jiān)測的瞬態(tài)數(shù)據(jù)、集總參數(shù)模型的計算數(shù)據(jù)的邊界條件更能準確模擬不同患者血管內(nèi)血流動力學狀況，其結(jié)論對臨床更具參考價值。

3.2 血管組織材料特性 除進出口邊界條件外，血液、主動脈瓣及主動脈壁等組織的材料特性也需要加以定義。通常情況下，血液被假設(shè)為均勻的牛頓流體[27,34]，密度為1 060 kg/m3，黏度為0.003 5～0.004 0 N·s/m2[27,30,35]；而血液的流動屬性則可根據(jù)研究尺度和研究內(nèi)容分為層流[17,36]或湍流[23]。

主動脈壁和主動脈瓣具有非線性彈性特征，正確進行物性賦值可準確反映組織的形變特性，以準確模擬組織上的應(yīng)力分布。通常二者被定義為超彈性材料，根據(jù)不同計算條件再分為各向異性[11,33]及各向同性[34,36]；LURAGHI等[11]將動脈組織建模為兩個優(yōu)選方向(縱向和圓周方向)一致的各向異性超彈性材料。主動脈壁厚度為1.5～2.5 mm[33,37]，瓣膜厚度0.5 mm[37]；二者密度通常均為1 100 kg/m3，楊氏模量為1～4 MPa，泊松比為0.45～0.48[11,38]。

3.3 鈣化物材料特性 瓣膜鈣化是AS病因之一，相關(guān)模擬需對鈣化物進行賦值。鈣化瓣膜中鈣化物的分布大致分為兩類，即均勻分布于瓣葉上[23]或單獨建模并耦合在瓣葉上[39]。鈣化物密度通常為1 600～2 000 kg/m3，楊氏模量為10～20 MPa，泊松比為0.300～0.495[22,39]。實際上鈣沉積分布及其嚴重程度因人而異，后續(xù)需根據(jù)影像學表現(xiàn)進行更細致的分類，以更精確地建模與賦值。

4 小結(jié)與展望

作為一種非侵入式技術(shù)，數(shù)值模擬在醫(yī)學領(lǐng)域、尤其心血管領(lǐng)域具有巨大潛力?；谡鎸嵉奈锢斫！⑶‘?shù)臄?shù)學模型及良好的模擬收斂條件(速度、質(zhì)量的收斂殘差小于10-6)，數(shù)值模擬可在醫(yī)學影像學基礎(chǔ)上無創(chuàng)、準確整體評估并量化血流動力學狀況。數(shù)值模擬可在整個TAVR圍術(shù)期內(nèi)為AS患者提供全面且科學的參考及指導(dǎo)。

目前AS血流動力學研究存在的不足：①對TAVR術(shù)中如何選擇支架型號與植入位置尚缺少系統(tǒng)性總結(jié)；②對于瓣膜上鈣化物的分布及屬性分類不夠細致；③與模擬相結(jié)合的體外實驗和臨床驗證數(shù)量較少，且研究時間跨度較短。

未來應(yīng)繼續(xù)將數(shù)值模擬與臨床需求緊密結(jié)合，同時彌補上述不足，為智能診斷AS提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，以促進實現(xiàn)“定制治療”。