计算流体力学在主动脉瓣狭窄中的应用及研究进展*

刘毅，邓丽，曹勇

（1.广东医科大学研究生学院，广东 湛江 524000；2.高州市人民医院 体外循环科，广东 高州 525200；3.高州市人民医院 心血管外科一区，广东 高州 525200）

主动脉瓣狭窄（aortic stenosis,AS）是常见的心脏瓣膜疾病，阻碍血液进入体循环，起病隐匿且潜伏时间长，病情发展甚至导致患者心力衰竭、增加患者的死亡风险。对于AS 患者来说，主动脉瓣瓣膜狭窄严重程度是AS 患者死亡率的重要影响因素之一；同时也是影响临床决策的重要因素之一［1］。因此，准确判断AS 严重程度至关重要，AS严重程度评估的金标准是血流动力学指标［2］。常规获取血流动力学指标的手段主要有超声心动图、磁共振成像、CT 血管造影等，但都具有局限性。近年来，基于计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）无创性地获得血流动力学指标的方法受到广泛关注，CFD 在AS 的诊断、术前解剖及血流动力异常评估、手术效果及预后评估方面有诸多优势，相信随着多学科之间交叉应用，CFD技术会给更多的AS 患者带来福音。

1 主动脉瓣狭窄概述

AS 是十分常见的瓣膜疾病，其发病率随年龄增长而升高。近年来，随着社会人口老龄化的加剧，该病患者不断增加。目前其公认的病因主要包括瓣膜退行性变如钙化、风湿热、先天瓣叶畸形如二叶式主动脉瓣［3］（bicuspid aortic valve,BAV），65 岁以上患者中钙化性主动脉瓣狭窄是主要类型，30%～40%的患者因外科高危因素不适合进行主动脉瓣置换术。我国AS 不同于西方国家的是风湿性心脏瓣膜病及BAV 是AS 的主要病因。研究表明实验组AS 患者瓣环直径、升主动脉连接处直径、升主动脉直径比对照组大，这说明主动脉瓣狭窄患者主动脉根部扩张；左室流出道直径、主动脉瓣和二尖瓣之间纤维结构距离增大，说明左室流出道变长扩张、室间隔变厚［4］。AS 局部血流改变表现为涡流、高压、低壁面切应力、振荡的壁面切应力等。

2 主要的治疗手段及效果评价

目前AS 的药物治疗效果不佳，主要治疗方式是非药物治疗，包括主动脉瓣膜成形术、外科主动脉瓣膜置换术（surgical aortic valve replacement,SAVR）、经皮穿刺球囊主动脉瓣成形术、经导管主动脉瓣置入术（transcatheter aortic valve implantation,TAVI）、经导管瓣膜置换术（transcatheter aortic valve replacement,TAVR）。SAVR 的优点是疗效确切，但创伤大、风险高，因而很多患者因高龄、心功能差及合并其他并发症而放弃行外科治疗。TAVI 是近十余年介入心脏病学发展最为迅捷的技术之一，它是一种不需要开胸和体外循环的介入治疗技术，当患者因存在手术禁忌、高龄、左心功能差或合并其他重要疾患等，不适合进行SAVR 时，TAVI 有较好的有效性。TAVI 的相对禁忌证有术中及术后瓣周漏、瓣膜装置扩张不均、生物瓣叶早期退化、升主动脉夹层等不良事件［5］。TAVR 是近年来发展起来的新型技术，主要用于钙化性主动脉瓣膜疾病患者的治疗。

3 AS 的常规诊断方法

3.1 经胸超声心动图

众多周知，超声心动图是证实心脏瓣膜病诊断及评估瓣膜狭窄严重程度的首选方法，它可以观察瓣叶数量（二叶或三叶）、测量主动脉瓣环、左心室流出道、主动脉窦部和升主动脉内径等［6］。经胸超声心动图（transthoracic echocardiography,TTE）是了解主动脉根部功能的常用方法，具有无创、简单、经济等优点，但其检查受患者透声条件、探头位置、操作者自身等影响，且无法观察到冠状动脉开口，因而应用受限。

3.2 CT 血管造影

CT 血管造影（computed tomography angiography,CTA）是临床应用极广的一种解剖学评估手段，CT 检查具有检查速度快、技术要求相对较低、价格相对低廉等优势，CTA 图像可以提供高分辨率的房室钙化主动脉狭窄的解剖数据，可以评估钙化的数量，但时间分辨率有限，不能提供血流动力学数据，如主动脉瓣区压降等［7］。近年来为改变这一局限性，更多的研究着力于将CTA 与CFD 结合，基于CTA 图像数据，利用CFD技术进行模拟仿真，获得血流动力学数据。TAYLOR 等［8］、QIN 等［9］研究结果表明，基于CTA 的CFD 方法可准确获取靶目标的血流动力学参数如血流储备分数（FFR），并将其应用于心血管狭窄、心脏重建等的诊断与分析之中，具有较好的前景。

3.3 心脏磁共振成像

心脏磁共振（cardiac magnetic resonance,CMR）成像是临床评价心脏结构和功能的重要无创性技术，也是评价心功能的金标准。近年来在相位对比（phase contrast,PC）技术基础上发展起来的四维血流成像技术（4D Flow），可以动态多方向、多部位地采集血流数据，并计算血流量、血流速度、壁面切应力等信息［10-11］。但是因其对设备要求高、成像难度大、技术挑战高、时间分辨率相对低、图像易产生成像伪影，因此应用受限。还需要进一步提高时间和空间分辨率及进一步的研究来验证利用4D Flow 分析提供的血流动力学信息来对风险分层、跟踪疾病及评价治疗效果的可行性［12］。与CTA 一样，未来CMR 与CFD 的结合，可能是更受欢迎的一种技术手段。

如前所述，常规诊断方法如TTE 侧重于对心脏功能性的评价，而CT 侧重于对心脏解剖结构进行评估［13］，且具有时间和空间上的局限性，总体而言已提供了相当丰富的参数。但随着个体化手术理念的普及，解剖与功能的结合及手术的虚拟设计（基于建模和流体仿真）受到国内外手术术者的青睐，CFD 正是一种介于数学、流体力学和计算机之间的交叉学科，通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析，从而获得目标结构的流体力学指标，因此受到广泛关注，应用极广。

4 影像学图像的后处理及CFD 的基本步骤

影像学图像如CTA 图像无法进行血流动力学分析，需要后处理得到可用于CFD 计算的三维几何模型，此过程即CTA 的三维重建，每位患者的CTA 图像均需后处理，图像处理的内容包括阈值分割法、区域生长分割法、中心线生成，下图中流场模型即为处理后的靶目标的几何模型。CFD的处理过程大致包括三个部分：前处理，包括几何模型地选取和网格划分；求解器，包括确定计算流体力学方法的控制方程，选择离散方法进行离散，选用数值计算方法，输入相关参数；后处理，包括速度场、压力场、温度场及其它参数的计算机可视化及动画处理［14］。具体流程见图1。

图1 CFD 方法的基本步骤

5 网格化与边界条件

网格化的实质是将流场离散化，使流场模型成为有限元，目的是将流体基本偏微分方程离散为易于求解的差分方程［15］。设定边界条件，CFD方法的实质是求解流体的基本偏微分方程组，想要得到偏微分方程组的定解，方程就必须要有附加条件。实质上，边界条件就是对偏微分方程的一组限制条件，它使得该方程有收敛性的解，而最常用的附加条件就是边界条件，边界条件可来源于超声心动图、相位对比磁共振（PC-MRI）、CMR 等获得的血流流量数据。

6 计算方法

CFD 常用的计算方法有纳维-斯托克斯（Naiver-Stokes）方程［16］，格子玻尔兹曼方法（lattice Boltzmann method,LBM）［17-18］方法，大涡模拟（large eddy simulation,LES）［19］方法，层流、湍流假设等。其中，流固耦合法（fluid–structure interaction,FSI）是较适合模拟心脏血流的方法，因为心血管系统是血流与周围结构相互作用的系统，在研究心脏血流动力学的过程中不能忽视流体域与结构域的相互作用，有限元分析方法只考虑结构域，忽视了流体在模拟中的影响；CFD 也无法研究结构域对流体的影响［20］。而流固耦合法（FSI）结合了CFD 和有限元分析方法，以患者自身的MRI 或CT 数据重建模型，能够获取一些不易测量的血流指标（如壁面切应力）［21］，因此，具有高度的特异性。

7 CFD 在AS 中的应用

7.1 CFD 在评估主动脉瓣血流动力学方面的应用

HOEIJMAKERS 等［22］利用高保真CFD 模拟建立元模型，将重建几何模型的元模型和CFD 模拟结果与分段网格的CFD 模拟结果进行对比，发现统计形状模型（SSM）可用于主动脉瓣形状变化的监测。基于SSM 的CFD 模拟训练的元模型可以实时估算压力－流量关系。HELLMEIER 等［23］仅使用患者术前解剖数据与4D flow MRI 数据进行CFD模拟，发现其可以很好地估计生物瓣膜的压力梯度和速度，并评估不同瓣膜假体尺寸对患者术后压力梯度升高的风险程度及术后瓣膜假体的性能。同样，HELLMEIER 等［15］基于患者特异性MRI 的CFD 模拟，获得了可靠的生物瓣膜和机械瓣膜置换术后的主动脉血流动力学指标，有助于临床医生优化手术决策并提供额外的指导。CFD 在评估主动脉瓣血流动力学方面的研究获得了长足的进展，为临床医师及患者带来了诸多便利，但主动脉根部是一个整体，以往研究大都只应用了患者术前影像学数据，如何全面利用术前术后患者的解剖及影像学数据来进行CFD 模拟是今后需要解决的问题。

7.2 CFD 在估计主动脉瓣瓣膜狭窄程度方面的应用

HOEIJMAKERS 等［24］利用18 名患者的CT 影像资料建立相应血流模型，提出“瓣膜阻力指数”的概念，用于量化瓣膜的狭窄程度，并与临床决策的既定指标，如血流速度和瓣膜面积进行比较。发现只有将4D 成像数据与CFD 相结合，才能提供一种与生理学相关的诊断指标来量化AS 的严重程度。而且简化的CFD 模型可预测在给定流量下主动脉瓣的压降值。不足之处是，在低流量条件下，对边界条件的简化可能是不合理的，应该考虑更近似生理的准确地流入边界条件。FUČÍK等［17］使用CFD 模型，运用LBM 方法，研究了PC-MRI 测量AS 湍流的准确性，结果表明在高水平的湍流下严重瓣膜狭窄的后向流被低估。而且，LBM 方法与CFD 技术的结合，还能够解决中重度AS 的分级问题。

7.3 CFD 在瓣膜设计方面的应用

XU 等［25］应用心电门控CTA 和PC-MRI 对一位69 岁患者的主动脉瓣区进行了几何建模，然后参数化瓣叶的几何形状，并使用参数化设计平台和FSI，模拟在生理条件下变形的主动脉根部、参数化设计的假体瓣膜和周围血流的耦合。通过参数化，研究了几何形状对心脏瓣膜性能的影响。最后，将这一性能最佳的假体瓣膜的模拟结果与来自患者的PC-MRI 数据进行比较，证明升主动脉血流模式的定性相似性。研究表明该方法可能创造出更有效的瓣膜设计，并减少病人的假体失配。需要改进的是如何自动探索设计空间，在无需手动选择候选瓣膜和分析人员检查结果的情况下找到最优的瓣膜设计。

7.4 CFD 在计算机虚拟手术中的应用

HOHRI 等［26］报道了一例升主动脉再狭窄，双侧冠状动脉动脉瘤和左心室壁高度增厚的病例。一位38 岁的女性患者，8 岁时曾接受先天性瓣上AS 修复术，研究人员利用CFD 的计算机虚拟手术预测术后血流动力学，成功为其进行了原位冠状动脉重建术。表明计算机虚拟手术及CFD 模拟可以帮助外科医生预测术后冠状动脉流量，帮助临床医生术前制定手术策略，确定最佳移植设计，提高手术成功率。这种方法主要的局限性在于不能将术后生理参数的变化纳入CFD 计算中，还需要进一步的研究来解决这一问题。尽管如此，采用CFD 模拟的计算机虚拟手术仍是确定冠状动脉重建手术策略的唯一方法。

8 CFD 存在的问题与不足

CFD 在分析血流、指导AS 治疗中的应用，显示出其在预测疾病进展、手术干预效果和指导患者治疗方面的良好前景。但是目前CFD 在AS 的应用中存在的问题有：①尚未在大型多中心临床试验中验证其有效性［27］。使用临床成像工具（如4D Flow MRI）作为CFD 计算结果独立验证的研究极少，只有21%的研究使用临床影像学作为验证CFD 结果的工具［25］，这使得以往的研究结果的异质性和偏倚很高，从而影响基于CFD 方法的临床决策。②利用患者特异性影像学数据进行主动脉瓣建模和分析过程中如图像采集、图像分割、几何重建、网格生成、数值模拟，这些步骤产生的误差，以及舍入误差、迭代误差、收敛误差、CFD问题的数值不稳定性和收敛准则都是数值模拟存在的问题。③急需在观察试验中证明其计算结果与侵入性测量结果具有等效性。

正如CEBRAL 等［28］、MORRIS 等［27］所建议的那样，临床医生和工程师之间需要进行多学科协作，以了解数值模拟的原理、近似、假设和局限性，以便在临床决策中利用CFD 结果［29-30］。未来CFD 应当是朝着多学科协作，建立大的数据库，逐渐减少参数的方向发展。

9 结语与展望

CFD 在AS 中的应用还不够成熟，尽管CFD已经初步证明在AS 的治疗过程中有巨大的优势，但基于CFD 的AS 研究案例较少，而这些案例本身就存在偏差，无法产生强有力的统计结果。此外，这些研究是基于单中心单人群数据，这使得结果不完全客观而影响推广。其次，文献中出现繁杂的血流动力学参数，易使人困惑，虽然这是探索一个新研究领域不可避免的情况，但改变目前病例少、小组孤立、缺乏对重建模型进行验证的现状，需要跨学科协作，加入物理学，如结构动力学、声学、机电和生物化学［19］，也必须利用计算机的新兴趋势，获取大量临床数据［28］，仍将是CFD 方法未来发展的方向。