经导管主动脉瓣置入术后椭圆形主动脉瓣环最大直径方向变化对升主动脉血流动力学的影响：一项基于血流动力学的研究

宋攀 罗彩东 王勇军 文军 戴闽

经导管主动脉瓣置入术（transcatheter aortic valve implantation，TAVI）由于其创伤小、风险低等特点，目前已经推荐在所有外科危险分层的患者中使用［1］。但由于主动脉瓣钙化、二叶式主动脉瓣畸形等原因，TAVI治疗后主动脉环常常呈非正常形状［1-3］，其中椭圆形是最典型的形状。

众所周知，动脉的几何特征能够显著影响其内血流动力学参数［4］。此外，前期研究也发现主动脉瓣环的椭圆形变化可能会改变主动脉的血流动力学环境［5］。

既往研究表明，主动脉异常的血流动力学环境与主动脉相关疾病的发生密切相关，例如：较高的旋转流量，可导致主动脉瓣扩张［6］或主动脉夹层［7］；增强的壁面剪切应力（wall shear stress，WSS）可以改变内皮行为［8］，触发血管壁的自我调节过程，维持血流运输系统的稳定［9］；极高的WSS（＞10 Pa）甚至会导致内皮细胞表达独特的转录谱，最终导致主动脉扩张［10］。

尽管既往研究已经证明了主动脉瓣环的椭圆形态会对主动脉的血流动力学环境产生影响，但在临床实践中，发现由于主动脉瓣膜、瓣环的钙化分布以及二叶式主动脉瓣畸形等原因，椭圆形主动脉瓣环最大直径的方向也会有所不同，有的椭圆形瓣环长径平行于主动脉矢状面，有的垂直于主动脉矢状面，这样的差异是否也会影响主动脉血流动力学环境的变化目前还不清楚。

随着计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）的发展，CFD模拟血流动力学评价已成为医师分析心血管疾病发病机制或优化手术方案的重要工具［11］。因此，本研究的主要目的是通过血流动力学数值模拟，探究椭圆形主动脉瓣环方向变化对主动脉血流动力学环境的影响。本研究将有助于心脏团队制定更合理的TAVI治疗方案。

1 对象与方法

1.1 医学成像和几何重建

为简化模型重建过程，本研究选用4个健康主动脉代表TAVI治疗后的主动脉。这些健康主动脉CT血管造影（CT angiography，CTA）图像从绵阳市中心医院获得，并使用商业软件Mimics 14.0（Materialise，比利时）对其进行分析。

为了避免个体之间主动脉几何特征的差异对血流动力学环境造成影响，操作主动脉瓣环以创建具有不同程度椭圆形状的主动脉瓣环。主动脉瓣环的定义是连接3个主动脉瓣的假想远端附着点形成的“虚拟环”，考虑到主动脉3D几何特征的影响，采用2个直径定义了2种椭圆形状，分别为d1和d2。对于Ⅰ型椭圆形，椭圆的长轴为d1，位于主动脉矢状面，d1＞d2；对于Ⅱ型椭圆形，椭圆的长轴为d2，与主动脉矢状面垂直，d1＜d2。2种椭圆形之间的差异只是椭圆长轴的位置不同，并且与正常的主动脉瓣环相比，模拟后的椭圆形瓣环面积保持不变（图1）。

图1 模型示意图 A.Ⅰ型椭圆形瓣环；B.Ⅱ型椭圆形瓣环Figure 1 Model and grid diagram

在模型操作过程中，首先用Mimics软件对健康的环状主动脉进行3D重建。将这些模型导入软件Geomagic Studio 9（Raindrop Geomagic，美国）进行模型操作。在保持主动脉瓣环3D空间位置不变的情况下，通过挤压主动脉瓣环周围的血管段获得椭圆瓣环形，并且保持瓣环面积不变。Ⅰ型和Ⅱ型椭圆形的详细示意图如图1所示。d1和d2直径在Geomagic Studio中进行操作，所有d1和d2的详细值和比值均在文献报道的范围内（表1）［12］。在本研究中，包括操作模型在内的原始主动脉弓数量为12个（图2）。本研究经绵阳中心医院伦理审查委员会批准符合医学伦理要求，并严格遵循《赫尔辛基宣言》的原则进行。由于本研究是一项采用匿名数据的观察性回顾性研究，因此患者批准和知情同意被豁免。

表1 患者瓣环的详细参数（mm）Table 1 Detailed parameters of patient valve annulus（mm）

图2 圆形及椭圆形瓣环的形状示意图（其中P1～P4 为4 个患者的编号）Figure 2 Schematic diagram of the shape of circular and elliptical valve rings

1.2 CFD

1.2.1 控制方程 血液设定为均匀的、不可压缩非牛顿流体。为了开展血流动力学模拟，需要对3D重建的主动脉模型进行离散化处理，相关的控制方程如下所示：

1.2.2 网格划分 计算网格采用四面体非结构化网格，基于ANSYS ICEMCFD 15.0预处理软件包（ANSYS，美国）创建图3A。为了准确捕获边界层处的流场变化，在血管壁附近重新划分网格。为了确保网格的独立性，使用了ANSYS FLUENT 15.0（ANSYS，美国）中的网格自适应命令开展了网格无关性验证，最终网格密度平均为150万左右。

图3 模型网格及边界条件示意图 A.模型网格；B.入口质量流率波形（kg/s）；C.几何多尺度边界Figure 3 Model and grid diagram

1.2.3 边界条件 为了简化模拟和减少计算时间，在现有研究的基础上，本研究中所有主动脉模型的入口边界条件均设置为脉动质量流率波形（图3B）［17］。出口条件使用了由几何多尺度的三单元Windkessel模型（Rp-C-Rd）描述，其中Rp（近端电阻）表示血管出口下游的近端阻力、Rd（远端电阻）表示血管出口下游的远端阻力，C（电容）表示远端血管的顺应性（图3C）。血管壁设定为刚性无滑移壁面。

每个出口的压力由常微分方程求解，该方程由如下的电路中电压和电流的关系描述：

其中，Q（t）和P（t）表示出口的瞬时流量和压力。Q（t）在3D求解器中计算，而P（t）在Rp-C-Rd模型中计算并更新，并作为出口边界条件重新应用于3D求解器。具体的Rp-C-Rd参数通过匹配主动脉血流波形调整其大小直至收缩压和舒张压分别达到生理状态［18］。

1.2.4 血流动力学指标 分别对3种主动脉的血流动力学指标进行了分析，共分析了2个WSS指标和2个基于螺旋度的指标。2个WSS指标分别是时间平均壁面剪切应力（time average wall shear stress，TAWSS）和振荡剪切系数（oscillation shear index，OSI）。TAWSS可以用来表示整个心脏周期壁上的整体剪切应力分布。是一种常用的估计心动周期WSS轴向变化的指标，其范围为0～0.5。采用2个基于螺旋度的指标，分别是平均螺旋度（h1）和绝对螺旋度（h2）。其中，h1可以体现螺旋度的方向，当h1为正数表示为顺时针螺旋流动方向，为负数表示逆时针方向；h2表示心动周期内螺旋流的强度，其值越大表示螺旋流强度越大。h1和h2的具体定义如下：

其中T表示心动周期，V表示血管体积，表示血液流动速度。

1.2.5 数值模拟 采用基于有限体积法的商业CFD软件ANSYS FLUENT 15.0（ANSYS，美国）对血流进行可视化分析。采用默认设置的独立隐含3D求解器进行分析。控制方程的离散化是使用二阶迎风差分格式实现的。采用SIMPLE方法进行压力–速度校正。对于速度方程，残差收敛阈值设定在1e–7。对于搏动模拟，每个脉搏周期分为150个时间步，每个时间步长为0.005 s（T=0.8 s作为一个心动周期时间）。为保证模拟结果的稳定性，每次模拟完成4个周期，选取第4个心动周期的结果进行最终分析。并在2台16核计算机上进行计算，总功率为400 W。本研究的总体模拟时间约为40 h。

1.3 统计学分析

采用GraphPad Prismversion8（GraphPad Software，美国）进行统计分析。所有连续变量均以均数±标准差（±s）表示，对主动脉瓣形态和血流动力学变量进行统计学分析。连续变量采用Shapiro-Wilk检验进行正态性检验。样本为计数资料时两组间比较采用Studentt检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 流场分析（图4）

图4 3 种类型的主动脉瓣瓣环的3D 流线图Fig 4 Three dimensional streamline diagrams of three types of aortic valve rings

3种类型的主动脉瓣瓣环在收缩期峰值和舒张中期时的3D流线图。

（1）在收缩期峰值阶段，3种模型在主动脉的主要部分在3D流线上差异无统计学意义。对于椭圆形瓣环模型，由于其面积小于圆形瓣环，在靠近入口区域，观察到流速的明显增加。

（2）在舒张中期，3种模型的3D流线在整个主动脉弓部分存在显著差异。例如，升主动脉内的均匀螺旋流在环形环中清晰可见，但在Ⅰ型椭圆形瓣环模型中，此螺旋流受到扰动，出现第2个螺旋流。扰动的血流主要发生在主动脉弓的内侧。而Ⅱ型椭圆形瓣环模型虽然保持了主动脉弓内的螺旋流，但螺旋流的主要结构发生了变化，螺旋流的径向分布变为集中在主动脉弓的内侧。

（3）无论是哪种椭圆形瓣环，其形状的非圆形性都强化了降主动脉的螺旋流。并且在这些模型中，增强的螺旋流分布变得不均匀，主要集中在主动脉壁的内侧。

2.2 螺旋度分析

对升主动脉和降主动脉的螺旋度指标h1和h2进行了分析。基于h1的分布，研究发现在升主动脉中，当圆形瓣环变为Ⅰ型椭圆形瓣环时，有75%的样本的螺旋流动方向发生变化，但当变为Ⅱ型椭圆形瓣环时，只有25%的样本方向发生变化，两组之间的差异有统计学意义（P＜0.001）。在降主动脉中，当圆形瓣环变为Ⅰ型和Ⅱ型椭圆形瓣环时，只有25%～50%的样本方向发生变化，两组差异无统计学意义。研究进一步分析了h2的变化，可以看到在降主动脉段，h2存在显著性增大，尤其体现在Ⅱ型椭圆形瓣环（P=0.020，表2）。

表2 螺旋度的变化（±s）Table2Changes inhelicity（±s）

表2 螺旋度的变化（±s）Table2Changes inhelicity（±s）

注：a，表示与圆形瓣环组相比差异有统计学意义；h2，绝对螺旋度。

项目 圆形 Ⅰ型椭圆形 Ⅱ型椭圆形 P 值升主动脉h2 62.98±18.36 92.88±26.56a 84.93±26.83a ＜0.001降主动脉h2 67.60±36.91 72.15±39.35 79.12±39.44a 0.020

2.3 WSS在不同瓣环情况下的数值分析（表3）

表3 剪切应力指标在不同瓣环情况下的数值分布（±s）Table 3 Numerical distribution of shear force indicators under different valve ring conditions（±s）

注：a，与圆形瓣环组相比差异有统计学意义；b，与Ⅱ型椭圆形瓣环组相比差异有统计学意义；TAWSS，时间平均壁面剪切应力；OSI，振荡剪切系数。

项目 圆形 Ⅰ型椭圆形 Ⅱ型椭圆形 P 值TAWSS 极值（升） 12.45±1.84 14.70±1.36ab 13.43±0.98 0.010 TAWSS 极值（降） 9.36±3.16 8.25±3.59ab 9.34±3.66 0.010 TAWSS 平均（升） 3.91±0.69 4.71±0.86a 4.60±0.88a ＜0.001 TAWSS 平均（降） 3.34±0.78 3.42±0.81 3.44±0.84 0.120 OSI 极值（升） 0.46±0.03 0.47±0.01 0.46±0.02 0.420 OSI 极值（降） 0.45±0.02 0.45±0.03 0.45±0.02 0.870 OSI 平均（升） 0.05±0.02 0.07±0.01a 0.07±0.01a 0.010 OSI 平均（降） 0.04±0.01 0.06±0.02a 0.05±0.02 0.080

3组升主动脉TAWSS在极值、平均值比较，差异有统计学意义（P=0.010，P＜0.001），而且在极值Ⅰ型椭圆形瓣环明显高于Ⅱ型椭圆形瓣环；降主动脉TAWSS在极值比较，差异有统计学意义（P=0.010），而且在Ⅰ型椭圆形瓣环明显低于Ⅱ型椭圆形瓣环。3组升主动脉OSI平均值上比较，差异有统计学意义（P=0.010），但在降主动脉OSI平均值上，Ⅰ型椭圆形瓣环明显高于圆形瓣环，但差异无统计学意义（P=0.080）。

3 讨论

T A V I 已被广泛认为是中高危主动脉瓣狭窄患者的首选微创手术［1］，并且在特殊患者中的运用已经广泛开展［19-20］。然而，由于主动脉瓣膜及瓣环钙化程度的差异和二叶式主动脉瓣畸形的影响，TAVI术后主动脉瓣环常常呈现椭圆形。研究发现椭圆形瓣环可能导致显著的瓣周漏、瓣膜异位或功能障碍，甚至瓣环破裂［2，13］。同时前期研究也发现椭圆形瓣环会显著影响主动脉的血流动力学环境。正如前所述：主动脉异常的血流动力学环境与主动脉相关疾病的发生密切相关。例如：较高旋转流量，可导致主动脉瓣扩张［6］或主动脉夹层［7］；增强WSS可以改变内皮行为［8］，触发血管壁的自我调节过程，维持血流运输系统的稳定［9］；极高的WSS（＞10 Pa）甚至会导致内皮细胞表达独特的转录谱，最终导致主动脉扩张［10］。

然而，不同方向的椭圆形瓣环长径是否会对主动脉血流动力学环境造成影响，这一点仍然不明确。因此，本研究采用数值模拟的方法，分析了椭圆形瓣环长径方向的差异对主动脉弓内血流动力学环境的影响。

本研究发现：当正常瓣环变为椭圆形瓣环时，Ⅰ型椭圆形主动脉瓣环（椭圆形长径平行于主动脉矢状面）较Ⅱ型椭圆形瓣环（椭圆形长径垂直于主动脉矢状面）可以显著改变主动脉血流的螺旋方向，而Ⅱ型主动脉瓣环可以明显增加主动脉内血流螺旋线流动的程度。更具体地说，Ⅰ型椭圆形环增强了顺时针螺旋流的强度，这与主动脉弓内的主要螺旋流方向相反，而Ⅱ型椭圆形环增加了逆时针螺旋流的强度，这与主动脉弓本身的弯曲所诱导的方向相似。如之前所述，血流的紊乱会增加致动脉粥样硬化颗粒如低密度脂蛋白的沉积，并减少抗动脉粥样硬化物质从血液到血管壁的运输［14-15］。因此，如果主动脉瓣环显示出椭圆形长径平行于主动脉矢状面几何特征，这可能导致主动脉弓内血流动力学环境的恶化，加速主动脉壁的病理改变。

这一研究结果可能对TAVI的临床实践产生深远影响。在术前，医师需要充分评估主动脉瓣环的解剖学结构以预测可能的术后血流动力学变化。在术中，根据主动脉瓣环的形状和取向，医师可以选择更合适的置入技术或者瓣膜型号，尽可能地减小对血流动力学环境的不良影响。这些结果也为制订新的瓣膜设计和置入策略提供了新的理论依据。

本研究发现了主动脉瓣环的解剖学结构对主动脉弓内血流动力学环境的重要影响，且发现TAVI影响血流动力学环境，并为制订新的瓣膜设计和置入策略提供了理论依据。建议未来的研究进一步考虑TAVI对血流动力学环境的影响，以及如何通过改进手术技术和瓣膜设计来减小这种影响。利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突