大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)規(guī)劃的生物力學(xué)機(jī)理研究進(jìn)展

顧兆勇，潘友聯(lián)，賈榮璽，劉迎龍，董念國，喬愛科

（1.北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124；2.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院小兒心臟中心，北京 100029；3.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院心血管外科，武漢 430022）

大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)規(guī)劃的生物力學(xué)機(jī)理研究進(jìn)展

顧兆勇1，潘友聯(lián)1，賈榮璽1，劉迎龍2，董念國3，喬愛科1

（1.北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124；2.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院小兒心臟中心，北京 100029；3.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院心血管外科，武漢 430022）

大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)是治療完全性大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位的理想手術(shù)方式，其主要目的是矯正其畸形的解剖結(jié)構(gòu)；手術(shù)近期和遠(yuǎn)期效果滿意.根據(jù)臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)想，提出了目前大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)面臨的問題.綜述了關(guān)于大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)臨床上的手術(shù)技巧；綜述了國內(nèi)外主動(dòng)脈根部生物力學(xué)機(jī)理研究的有限元模型、實(shí)驗(yàn)研究等方面的最新研究進(jìn)展；綜述了幾何構(gòu)型因素對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉功能影響的研究進(jìn)展.在此基礎(chǔ)上，對(duì)改進(jìn)大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)方案的生物力學(xué)機(jī)理研究進(jìn)行了展望.

完全性大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位；大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)；主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全；有限元分析；生物力學(xué)

1　大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)的臨床背景

完全性大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位（transposition of the great arteries，TGA）指主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈對(duì)調(diào)位置，主動(dòng)脈瓣接右心室，而肺動(dòng)脈瓣接左心室，是一種比較多見的小兒復(fù)雜性先天性心臟病.大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)（arterial switch operation，ASO）是治療TGA的理想手術(shù)方式，其主要目的是矯正其畸形的解剖結(jié)構(gòu)；手術(shù)近期和遠(yuǎn)期效果滿意.圖1所示為完全性大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位和大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)后的解剖結(jié)構(gòu)示意圖.在全麻下建立體外循環(huán)，將主動(dòng)脈于根部切斷、主肺動(dòng)脈于分叉前切斷，再將左右冠狀動(dòng)脈及附近的主動(dòng)脈壁切下，吻合在肺動(dòng)脈根部.之后將肺動(dòng)脈近端與升主動(dòng)脈遠(yuǎn)端吻合以形成“新”的主動(dòng)脈.再將主動(dòng)脈近端與肺動(dòng)脈遠(yuǎn)端吻合以形成“新”的肺動(dòng)脈. ASO術(shù)后，肺動(dòng)脈瓣將與主動(dòng)脈遠(yuǎn)端相連接，成為新主動(dòng)脈瓣，在基礎(chǔ)病變及體循環(huán)壓力長(zhǎng)期作用下，新主動(dòng)脈瓣遠(yuǎn)期容易發(fā)生關(guān)閉不全［1］.對(duì)TGA患者施行大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)后，隨訪10年內(nèi)新主動(dòng)脈根部擴(kuò)張發(fā)生率多達(dá)49%，主動(dòng)脈根部擴(kuò)張會(huì)引發(fā)瓣膜關(guān)閉不全［2］.新主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全是大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)常見的失效形式和患者術(shù)后死亡原因［3］.國內(nèi)外臨床醫(yī)生在相關(guān)手術(shù)設(shè)計(jì)方面都有不斷的創(chuàng)新.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)阜外心血管病醫(yī)院胡盛壽院士、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院劉迎龍教授、華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院董念國教授等人在大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)臨床實(shí)踐和創(chuàng)新方面取得良好的效果［4-6］.

手術(shù)中游離冠狀動(dòng)脈起始部，將兩冠狀動(dòng)脈開口呈紐扣狀切下；通過控制紐扣狀血管片的大小和冠狀動(dòng)脈的吻合位置，可以實(shí)現(xiàn)手術(shù)后竇部直徑的控制；使主動(dòng)脈根部接近正常解剖，特別是主動(dòng)脈竇和竇管交界重建，產(chǎn)生主動(dòng)脈竇達(dá)芬奇渦流，使主動(dòng)脈瓣開關(guān)更符合生理［7］.如果竇部直徑過小，心臟收縮期瓣葉和新主動(dòng)脈壁碰撞而致瓣葉退行性變或主動(dòng)脈竇無擴(kuò)張引起瓣葉皺曲［8］.然而竇部直徑的選擇仍然是大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)面臨的重要問題.

手術(shù)中起源于左心室的肺動(dòng)脈近心端與升主動(dòng)脈遠(yuǎn)心端吻合時(shí)，主動(dòng)脈管徑小，肺動(dòng)脈管徑大，可在肺動(dòng)脈近心端后壁進(jìn)行等距環(huán)縮，或者主動(dòng)脈遠(yuǎn)心端前壁進(jìn)行“V”字切開，可以實(shí)現(xiàn)控制新主動(dòng)脈竇管交界直徑［9］.臨床觀察和研究表明，將直徑不匹配的動(dòng)脈吻合在一起之后，吻合部位容易形成湍流，導(dǎo)致主動(dòng)脈瓣瓣葉對(duì)合不良，并出現(xiàn)主動(dòng)脈瓣反流［10-11］.竇管交界直徑的選擇仍然是手術(shù)中需要解決的問題.

從大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)后新主動(dòng)脈瓣膜關(guān)閉不全的患者的CT圖像觀察到，瓣膜開口方向和主動(dòng)脈軸線存在夾角α（見圖2）.在瓣膜關(guān)閉時(shí)，血流的主要能量可能會(huì)集中作用于某個(gè)瓣葉，從而影響瓣葉關(guān)閉.此外，大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)后心室流腔也發(fā)生了改變，有的流腔狹長(zhǎng)，有的流腔較短.作為主動(dòng)脈瓣膜運(yùn)動(dòng)的上游流腔，心室流腔的形狀會(huì)影響瓣膜的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)行為.再者，瓣葉對(duì)合長(zhǎng)度從結(jié)合線到中心逐漸減??；中心位置3個(gè)瓣葉對(duì)合部分存在扭轉(zhuǎn)冗余，以防心臟舒張期主動(dòng)脈瓣關(guān)閉時(shí)中心反流.而有關(guān)問題在臨床觀察和力學(xué)機(jī)理方面都有待于深入探討.

上述幾個(gè)方面的臨床經(jīng)驗(yàn)和推斷提示，大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)后發(fā)生新主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全的危險(xiǎn)因素及機(jī)制存在較多爭(zhēng)議［1］.在醫(yī)生看來，主動(dòng)脈根部幾何構(gòu)型和尺寸選擇是科學(xué)更是藝術(shù)［12］.臨床醫(yī)學(xué)迫切需要針對(duì)大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)中有關(guān)升主動(dòng)脈根部幾何構(gòu)型對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉功能的影響做深入地理論分析，進(jìn)一步指導(dǎo)以證據(jù)為基礎(chǔ)的手術(shù)決策，改進(jìn)大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)方案，以提高對(duì)完全性大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位疾病的治療效果.

2　大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)的生物力學(xué)研究現(xiàn)狀

2.1主動(dòng)脈根部生物力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究

大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)規(guī)劃的生物力學(xué)機(jī)理的研究可以為更好地解決手術(shù)中的臨床醫(yī)學(xué)問題提供科學(xué)依據(jù)，將該術(shù)式中的“藝術(shù)”性和“科學(xué)”性有機(jī)地聯(lián)系起來；通過揭示其中生物力學(xué)機(jī)理，有助于臨床醫(yī)生更加方便高效、科學(xué)合理、有依據(jù)地制定大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)的治療方案，以提高對(duì)完全性大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位疾病的治療效果，也可以為人工瓣膜和血管吻合器的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)提供理論指導(dǎo).

大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)后主要問題是關(guān)閉不全.臨床醫(yī)生認(rèn)為幾何構(gòu)型的選擇是大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)后新生主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全的重要因素，需要在手術(shù)前根據(jù)病人的實(shí)際情況選擇相對(duì)較好的主動(dòng)脈根部幾何構(gòu)型.主要有2種方法：一是建立結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型和流固耦合模型等力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究；二是用動(dòng)物的主動(dòng)脈根部或者是人造模型進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)研究.由于數(shù)值模擬方法可以方便地計(jì)算各種手術(shù)方案主動(dòng)脈根部結(jié)構(gòu)和血流的運(yùn)動(dòng)特征，因而在主動(dòng)脈根部的力學(xué)規(guī)律和相關(guān)疾病的手術(shù)規(guī)劃研究領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用.Labrosse等［13］提出一種計(jì)算瓣葉對(duì)合面積的方法，即從結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果中提取瓣葉接觸壓力，認(rèn)為瓣葉接觸壓力大于2 666 Pa的單元為有效對(duì)合面積.Marom等［14］計(jì)算了主動(dòng)脈瓣關(guān)閉階段瓣葉阻尼系數(shù)與對(duì)合長(zhǎng)度的關(guān)系，結(jié)果表明隨著阻尼系數(shù)的減小，瓣葉對(duì)合長(zhǎng)度會(huì)增加.Hammer等［15］用結(jié)構(gòu)有限元方法計(jì)算心臟舒張期主動(dòng)脈瓣關(guān)閉狀態(tài)時(shí)瓣葉最小對(duì)合長(zhǎng)度，用于評(píng)估瓣葉寬度和高度對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉性能的影響.未來可以采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法，針對(duì)大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)幾何構(gòu)型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，以期提高完全性大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位疾病的治療效果.

為數(shù)值模擬而創(chuàng)建幾何模型的方法主要有2類：一類是用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)或主動(dòng)脈根部實(shí)物測(cè)量等直接三維重建；另一類是先用CAD軟件設(shè)計(jì)主動(dòng)脈根部的參數(shù)化幾何模型，再從影像數(shù)據(jù)中提取特征尺寸，然后輸入到CAD軟件設(shè)計(jì)的三維模型，最后生成主動(dòng)脈根部幾何模型.

對(duì)于第1類主動(dòng)脈根部建模方法，Conti等［16］認(rèn)為用MRI的方法獲取的主動(dòng)脈根部圖像不能得到瓣葉組織厚度尺寸，在力學(xué)建模時(shí)，需要估計(jì)瓣葉厚度值，這會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來不確定性；Hammer等［15］提出一種主動(dòng)脈根部結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，該模型可以用于計(jì)算心臟舒張末期主動(dòng)脈瓣的關(guān)閉狀態(tài)瓣葉的對(duì)合長(zhǎng)度.該結(jié)構(gòu)力學(xué)模型中幾何模型創(chuàng)建方法是：先把瓣葉放置在平面，此時(shí)瓣葉處于無應(yīng)力狀態(tài)，生成一個(gè)瓣葉的幾何模型；再在主動(dòng)脈瓣的結(jié)合線處連接3個(gè)平面瓣；最后繞中心軸卷成圓筒形，此時(shí)3個(gè)瓣葉處于零應(yīng)力狀態(tài).

對(duì)于第2類主動(dòng)脈根部幾何模型主要有以下幾種創(chuàng)建方法：Labrosse等［17］提出8參數(shù)（分別是3個(gè)瓣葉的高度和游離緣長(zhǎng)度、瓣膜厚度）和15個(gè)空間坐標(biāo)點(diǎn)創(chuàng)建對(duì)稱主動(dòng)脈瓣的方法，該模型可以計(jì)算瓣葉應(yīng)力、瓣膜開口面積和對(duì)合區(qū)域面積，用于評(píng)估手術(shù)后主動(dòng)脈瓣在生理?xiàng)l件下的性能；Haj-Ali等［18］提出用5條獨(dú)立的參數(shù)化曲線（其中2條是瓣葉的邊界，1條用于表示竇部，其余曲線表示瓣葉和竇部之間的連接曲線）生成曲面的方法進(jìn)行主動(dòng)脈根部參數(shù)化建模的方法，創(chuàng)建該通用三維參數(shù)化幾何的目的是用于建立預(yù)測(cè)各種參數(shù)主動(dòng)脈根部行為的力學(xué)模型以及描述主動(dòng)脈瓣疾病狀態(tài)行為的力學(xué)模型；Morganti等［19］提出一種主動(dòng)脈根部離線快速參數(shù)化三維重建的方法，該方法用常規(guī)的二維經(jīng)胸腔超聲心動(dòng)圖測(cè)量主動(dòng)脈根部4個(gè)參考截面（左心出口和主動(dòng)脈連接截面、竇管交界截面、竇部最大直徑截面以及升主動(dòng)脈截面）長(zhǎng)軸和短軸方向尺寸和幾何的特征參數(shù)，在CAD軟件中分4個(gè)步驟生成主動(dòng)脈根部三維模型.上述幾何模型中主動(dòng)脈瓣葉是均勻的結(jié)構(gòu).隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)瓣葉在周向和徑向具有不同的力學(xué)屬性，由此提出了各向異性物理模型的主動(dòng)脈根部幾何模型創(chuàng)建方法. Marom等［20-21］提出膠原纖維（用沿瓣葉周向分布的梁?jiǎn)卧硎灸z原纖維）嵌入彈性體（用殼單元表示彈性體）建立復(fù)合結(jié)構(gòu)瓣葉模型；該模型可以計(jì)算整個(gè)心動(dòng)周期應(yīng)力、流動(dòng)剪切應(yīng)力、瓣膜開口面積和心輸出量等參數(shù).此外，Weinberg等［22-24］提出在細(xì)胞、組織和器官3個(gè)尺度上建立主動(dòng)脈根部力學(xué)模型；該模型以變形為基本變量，聯(lián)系3個(gè)尺度的模型，在各自的尺度上揭示力學(xué)規(guī)律；在細(xì)胞層面可以用于計(jì)算瓣葉上單個(gè)細(xì)胞的變形，在組織層面可以用于計(jì)算瓣葉局部組織在運(yùn)動(dòng)過程的形態(tài)特征，在器官層面可以用于計(jì)算整個(gè)心動(dòng)周期瓣膜打開和關(guān)閉過程中血流、瓣葉和主動(dòng)脈根部其他組件的運(yùn)動(dòng).對(duì)于主動(dòng)脈根部幾何模型的構(gòu)建方法隨著研究具體內(nèi)容需要不斷地發(fā)展，瓣葉從均勻的幾何模型向考慮纖維膜、室肌以及之間的松質(zhì)3層結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)模型發(fā)展.由此帶來的改變是力學(xué)模型不僅可以計(jì)算瓣葉的整體運(yùn)動(dòng)，而且也可以計(jì)算局部組織的形態(tài)變化，甚至可以計(jì)算瓣葉上細(xì)胞的變形.

近20年流固耦合方法廣泛應(yīng)用于人體心臟瓣膜生物力學(xué)研究［25］.主動(dòng)脈根部流固耦合分析具有以下特征：血液周期性地由左心室流向主動(dòng)脈，瓣膜在血流作用下發(fā)生往復(fù)地大變形運(yùn)動(dòng)；此外，主動(dòng)脈竇、瓣環(huán)和竇管交界等部分徑向尺寸隨時(shí)間發(fā)生動(dòng)態(tài)變化.Marom［26］對(duì)主動(dòng)脈根部流體結(jié)構(gòu)耦合模型數(shù)值計(jì)算方法和醫(yī)學(xué)應(yīng)用的研究進(jìn)展做了詳細(xì)的論述.流固耦合仿真的計(jì)算方法可以分為2類：邊界一致方法（boundary-conforming methods）和非邊界一致方法（non-boundary conforming methods）.邊界一致方法又稱為任意拉格朗日-歐拉（arbitrary-Lagrangian-Eulerian，ALE）方法，該方法中計(jì)算網(wǎng)格隨著計(jì)算區(qū)域邊界動(dòng)態(tài)變形，且保持一致.ALE方法已經(jīng)用于計(jì)算血液流過主動(dòng)脈［27］和主動(dòng)脈瓣［28］的流固耦合仿真.非邊界一致方法不需要移動(dòng)邊界來保持網(wǎng)格一致.該方法中，流體區(qū)域離散化為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而結(jié)構(gòu)的表面離散化為朗格朗日網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)追蹤結(jié)構(gòu)在流體區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng).依據(jù)處理流體和結(jié)構(gòu)界面的不同，非邊界一致方法可以分為diffused-interface和 sharp-interface方法.diffusedinterface分類中，主要有 Peskin的經(jīng)典浸入邊界（immersed boundary，IB）法［29］，Griffith在Peskin的經(jīng)典浸入邊界法的基礎(chǔ)上提出二階精度的算法，此改進(jìn)方法結(jié)合自適應(yīng)網(wǎng)格加密可以提高浸入邊界附近區(qū)域的計(jì)算精度［30］.該方法已經(jīng)應(yīng)用于血液流過心臟［31］以及流過主動(dòng)脈瓣［32-33］相關(guān)問題的仿真. 3D流固耦合模型需要較大的計(jì)算量，大多數(shù)情況用于計(jì)算簡(jiǎn)化的人體主動(dòng)脈瓣模型，例如直管主動(dòng)脈軸對(duì)稱模型［32］.diffused-interface分類中，另一種方法是虛擬區(qū)域（fictitious domain）法.虛擬區(qū)域法與Peskin的經(jīng)典浸入邊界的主要差異是用拉格朗日乘數(shù)或者當(dāng)?shù)伢w積力耦合流體和固體邊界［34］.虛擬區(qū)域方法已經(jīng)應(yīng)用于血液流過二維和三維主動(dòng)脈瓣模型的仿真［35-38］，以及應(yīng)用于血液流過心臟［32］以及流過主動(dòng)脈瓣［33-34］相關(guān)問題的仿真.

關(guān)于實(shí)驗(yàn)研究，臨床上術(shù)前/術(shù)后的CT、超聲等影像數(shù)據(jù)可以顯示幾何形態(tài)以及血流情形，可以觀察、檢驗(yàn)手術(shù)效果.二維超聲心動(dòng)圖是獲取患病區(qū)域幾何形態(tài)和尺寸結(jié)構(gòu)的重要手段；彩色多普勒超聲可以觀察手術(shù)后瓣膜處是否有返流，以及返流程度；用頻譜多普勒定量測(cè)量血流的速度，應(yīng)用Bernoulli公式估算平均跨膜壓差.評(píng)價(jià)瓣葉對(duì)合力、瓣葉對(duì)合長(zhǎng)度和對(duì)合面積等主動(dòng)脈瓣關(guān)閉性能參數(shù)，除采用上述建立力學(xué)模型數(shù)值模擬外，還可以通過醫(yī)學(xué)影像方法.對(duì)于主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全病情的診斷和手術(shù)效果的檢查，已有研究表明采用經(jīng)食管測(cè)量主動(dòng)脈瓣葉對(duì)合面積和對(duì)合長(zhǎng)度是有效方法. Sohmer等［39］提出一種使用三維經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖測(cè)量主動(dòng)脈瓣膜對(duì)合面積的方法.具體來說主動(dòng)脈瓣葉對(duì)合面積為梯形，瓣葉中部對(duì)合高度和側(cè)部對(duì)合高度作為梯形的底邊、瓣葉長(zhǎng)度為梯形的高，由此可以計(jì)算出瓣葉對(duì)合面積.測(cè)量主動(dòng)脈瓣對(duì)合面積，可以用于評(píng)估主動(dòng)脈瓣膜的關(guān)閉不全的程度. Imai等［40］提出用三維經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖測(cè)量主動(dòng)脈瓣膜對(duì)合長(zhǎng)度來評(píng)估被測(cè)對(duì)象瓣葉對(duì)合長(zhǎng)度的差異，以及左、右和無冠狀竇瓣葉對(duì)合長(zhǎng)度之間的差異.上述2項(xiàng)研究中提出的采用醫(yī)學(xué)影像的方法測(cè)量主動(dòng)脈瓣葉對(duì)合面積和對(duì)合長(zhǎng)度的方法，也可以用于大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)后隨訪觀察主動(dòng)脈瓣手術(shù)后的關(guān)閉情況.若有關(guān)閉不全問題存在，可以用于觀察關(guān)閉不全程度的進(jìn)展情況.除采用醫(yī)學(xué)影像評(píng)估主動(dòng)脈瓣膜性能外，也有研究用體外實(shí)驗(yàn)的方法. Kemp等［41］通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了人工主動(dòng)脈瓣膜流固耦合結(jié)果.結(jié)論是峰值跨膜壓力梯度、瓣膜快速打開和關(guān)閉時(shí)間等關(guān)鍵性能參數(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異小于12.5%，瓣膜打開和關(guān)閉過程中瓣葉形態(tài)變化的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值具有較好的一致性. Dumont等［42］用CCD攝像方法完成了體外實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證用FLUENT動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)、流固耦合方法對(duì)心臟瓣膜力學(xué)分析的計(jì)算結(jié)果.Lansac等［43］把石英晶體植入到主動(dòng)脈瓣瓣環(huán)、瓣葉結(jié)合處、竇管交界和升主動(dòng)脈，用聲吶微測(cè)量方法測(cè)量到竇部周長(zhǎng)、主動(dòng)脈根部的扭轉(zhuǎn)角和傾角隨時(shí)間變化量.Weiler等［44］把在瓣葉上做了標(biāo)記的主動(dòng)脈根部放入可以產(chǎn)生生理脈動(dòng)流的左心模擬器，采用雙攝像頭立體的方法測(cè)量整個(gè)心動(dòng)周期瓣葉的伸長(zhǎng)量.為解決臨床上提出的新問題，需要對(duì)比研究數(shù)值模擬、醫(yī)學(xué)影像觀察和體外實(shí)驗(yàn)測(cè)試3種方法的結(jié)果.

2.2幾何構(gòu)型對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉功能的影響

在大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)中，所有主動(dòng)脈根部重建過程均以不同方法改變主動(dòng)脈根部的動(dòng)態(tài)幾何形狀［45］.外科醫(yī)師需考慮主動(dòng)脈根部復(fù)合體所有組成部分（如圖3所示），并優(yōu)化病人個(gè)體術(shù)式.

國內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者研究主動(dòng)脈根部幾何構(gòu)型引起主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全的相關(guān)生物力學(xué)問題.主動(dòng)脈根部由瓣葉、瓣環(huán)、瓣間纖維三角和瓣竇組成.主動(dòng)脈根部與升主動(dòng)脈連接處，成為竇管交界.主動(dòng)脈瓣功能正常必須依賴于主動(dòng)脈根部解剖結(jié)構(gòu)的正常，其中任何一部分發(fā)生病理改變，均可導(dǎo)致主動(dòng)脈瓣功能的障礙.已經(jīng)發(fā)表的研究集中在升主動(dòng)脈、竇管交界、竇部和瓣環(huán)等主動(dòng)脈根部直徑以及瓣葉高度、游離緣長(zhǎng)度等瓣葉的幾何尺寸對(duì)主動(dòng)脈瓣膜力學(xué)行為的影響.

Soncini等［46］通過對(duì)比研究心臟舒張相的模型瓣葉對(duì)合（接觸力和對(duì)合區(qū)域面積）和應(yīng)力等力學(xué)行為，認(rèn)為主動(dòng)脈根部直徑增大會(huì)引起主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全.Labrosse在2006年的論文中報(bào)道，其課題組測(cè)量硅橡膠模型獲得以瓣環(huán)直徑為參考值，保持主動(dòng)脈瓣功能正常的瓣葉高度、游離緣長(zhǎng)度和結(jié)合處直徑的尺寸范圍，并用解析方法描述三葉型主動(dòng)脈瓣開放和關(guān)閉狀態(tài)的模型.使用這個(gè)幾何尺寸指南可以確保瓣膜手術(shù)的安全［47］.Labrosse在2011年的論文中報(bào)道，其課題組建立有限元模型，采用15點(diǎn)8參數(shù)的方法創(chuàng)建主動(dòng)脈瓣幾何模型，瓣膜在部分關(guān)閉位置時(shí)為計(jì)算初始狀態(tài)，假設(shè)瓣葉高度方向?yàn)橹本€，瓣葉游離緣為正弦曲線.材料假設(shè)為各向同性超彈性Fung-like模型.瓣葉施加0～10 665 Pa線性增加的均勻載荷.用最大瓣葉應(yīng)力、瓣膜開口面積、打開和關(guān)閉特性以及舒張期對(duì)合區(qū)域面積等指標(biāo)，評(píng)價(jià)治療瓣葉脫垂的中央折疊術(shù)和瓣葉游離緣懸浮術(shù)的手術(shù)效果［13］.Labrosse在2013年的論文中報(bào)道其對(duì)主動(dòng)脈壁材料屬性的研究成果，對(duì)年齡為38～77歲的24名受試者主動(dòng)脈壁壓力測(cè)試，評(píng)估周向殘余應(yīng)力［48］.這一研究成果對(duì)于用有限元方法研究主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全，具有重要的實(shí)用價(jià)值.Hammer在2012年的論文中報(bào)道，其課題組使用主動(dòng)脈瓣結(jié)構(gòu)有限元模型（忽略血液流動(dòng)和主動(dòng)脈根部動(dòng)力學(xué)行為），瓣葉假設(shè)為各向異性非線性本構(gòu)模型；跨膜壓差為零時(shí)，假設(shè)瓣葉為零應(yīng)力狀態(tài)；固定主動(dòng)脈根部節(jié)點(diǎn)，壓力均勻地作用在瓣葉表面.作者假設(shè)在10 665 Pa壓力作用下，瓣膜對(duì)合如果正常，那么手術(shù)修復(fù)有效.研究植入一個(gè)自體心包瓣葉，這個(gè)瓣葉與2個(gè)自體瓣葉組合成瓣膜治療主動(dòng)脈瓣返流.用瓣膜關(guān)閉狀態(tài)瓣葉最小對(duì)合高度評(píng)價(jià)手術(shù)的有效性［15］.這些研究從理論和臨床等方面證實(shí)了對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全理論研究的重要性.文獻(xiàn)中建立有限元模型的方法，包括幾何模型、材料屬性和邊界條件的設(shè)置，為后續(xù)生物力學(xué)機(jī)理研究提供了參考.

有關(guān)幾何構(gòu)型改變對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全影響方面的研究，研究人員也嘗試了從生物力學(xué)的角度來進(jìn)行探討.Marom在2012、2013年的3篇論文中分別報(bào)道了對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉問題的相關(guān)研究成果［14］.該課題組首先建立了可以計(jì)算主動(dòng)脈瓣關(guān)閉狀態(tài)瓣葉對(duì)合的流固耦合模型，研究關(guān)注瓣膜的關(guān)閉階段，初始幾何為幾乎關(guān)閉的位置.血液初始流動(dòng)采用初始幾何穩(wěn)態(tài)的求解結(jié)果，不考慮瓣膜的關(guān)閉運(yùn)動(dòng).結(jié)構(gòu)部分單元類型假定為殼單元.采用主從接觸算法，假定瓣葉之間無摩擦接觸.用瓣葉對(duì)合面積、接觸力、瓣葉軸向位移、關(guān)閉時(shí)間和有效對(duì)合長(zhǎng)度等指標(biāo)，來精確求解關(guān)閉階段的主動(dòng)脈瓣和瓣葉對(duì)合情況.隨后，用該有限元模型，通過提取計(jì)算結(jié)果中最大主應(yīng)力、能量密度、對(duì)合區(qū)域面積和有效對(duì)合長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，研究瓣環(huán)直徑對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉性能的影響.近期，該課題組用上述有限元模型研究了竇管交界直徑與瓣環(huán)直徑的比值對(duì)主動(dòng)脈瓣有效對(duì)合長(zhǎng)度、舒張期應(yīng)力分布和收縮期峰值時(shí)刻瓣葉上受到的血流剪切應(yīng)力值等血流動(dòng)力學(xué)和組織力學(xué)指標(biāo)的影響［49-50］.Conti等人基于舒張末期MRI圖像建立有限元模型，單元類型假定為三節(jié)點(diǎn)殼單元.瓣葉組織假設(shè)為纖維增強(qiáng)的材料，其他組織假定為線彈性各向同性.假設(shè)瓣膜在開放位置時(shí)，瓣葉為零應(yīng)力狀態(tài).定量研究二葉型主動(dòng)脈瓣和根部生物力學(xué)機(jī)理，結(jié)果表明二葉型的幾何會(huì)產(chǎn)生異常的瓣葉應(yīng)力分布，這是瓣葉過早退化的影響因素之一［51］.Conti等人用上述方法建立10名健康受試者的有限元模型，模擬主動(dòng)脈瓣的整個(gè)心動(dòng)周期的生理過程，認(rèn)為主動(dòng)脈根部解剖結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致應(yīng)力和應(yīng)變分布的不同［16］.Weltert等建立正常尺寸、保持竇管交界直徑不變擴(kuò)大瓣環(huán)直徑、保持瓣環(huán)直徑不變擴(kuò)大竇管交界直徑以及瓣環(huán)直徑和竇管交界直徑均擴(kuò)大等4個(gè)主動(dòng)脈根部模型，研究瓣環(huán)和/或竇管交界直徑擴(kuò)張對(duì)瓣葉應(yīng)力分布的影響.結(jié)論是制定手術(shù)方案時(shí)，相對(duì)應(yīng)竇管交界直徑擴(kuò)張，對(duì)主動(dòng)脈瓣膜手術(shù)中瓣環(huán)直徑的擴(kuò)張應(yīng)予以更多考慮［52］.N?tzold等人用體外實(shí)驗(yàn)的方法研究幾種無支架主動(dòng)脈瓣膜竇管交界擴(kuò)張與主動(dòng)脈瓣返流的關(guān)系.結(jié)論是與自體移植物和異種移植物相比較，主動(dòng)脈瓣自體移植物具有較高阻力，這可以減小由于竇管交界直徑擴(kuò)張帶來的返流［53］.Maselli等人用體外實(shí)驗(yàn)的方法研究改變主動(dòng)脈瓣環(huán)和竇管交界直徑尺寸對(duì)主動(dòng)脈瓣根部幾何和主動(dòng)脈瓣功能的影響.結(jié)論是主動(dòng)脈瓣再次植入手術(shù)中，通過優(yōu)化竇管交界尺寸可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化主動(dòng)脈瓣的功能和瓣葉對(duì)合性能［54］.Furukawa等［55］研究發(fā)現(xiàn)，竇管交界直徑擴(kuò)張會(huì)引發(fā)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全.Grande-Allen等［56］研究主動(dòng)脈根部擴(kuò)張5%、15%、30%、50%對(duì)瓣葉對(duì)合面積的影響，結(jié)果表明與正常主動(dòng)脈瓣相比較，主動(dòng)脈根部擴(kuò)張5% 和15%時(shí)，與正常主動(dòng)脈瓣相比較瓣葉對(duì)合面積減小量小于2%；而當(dāng)主動(dòng)脈根部擴(kuò)張30%和50%時(shí)，瓣葉對(duì)合面積減小量為8%和17%.作者認(rèn)為當(dāng)主動(dòng)脈根部幾何發(fā)生微小的改變時(shí)，補(bǔ)償機(jī)制發(fā)揮作用維持瓣葉的對(duì)合面積不變；當(dāng)主動(dòng)脈根部幾何繼續(xù)變化時(shí)，這種適應(yīng)機(jī)制不足以抵消幾何變化，引起瓣葉對(duì)合面積受到顯著影響.

本文作者在前期研究中得到了一些有意義的研究結(jié)果［57-60］.1）當(dāng)冠狀竇口位于竇底部時(shí)，竇部最大直徑處出現(xiàn)局部高壓；當(dāng)冠狀竇口位于竇中部時(shí)，由于冠狀動(dòng)脈入口的存在，在竇最大直徑處不會(huì)出現(xiàn)局部高壓；此處的局部高壓有利于3個(gè)竇產(chǎn)生對(duì)稱的變形，降低瓣葉對(duì)合錯(cuò)位的風(fēng)險(xiǎn).2）竇管交界比竇部直徑變化對(duì)瓣環(huán)直徑的影響大，而同樣的主動(dòng)脈根部結(jié)構(gòu)，增大瓣環(huán)直徑會(huì)減少瓣葉的有效對(duì)合，從而影響主動(dòng)脈瓣關(guān)閉功能.后續(xù)將對(duì)主動(dòng)脈根部最優(yōu)的幾何構(gòu)型進(jìn)行理論研究，包括竇管交界、竇部、瓣葉、瓣環(huán)的尺寸和幾何關(guān)系；探索由于這些尺寸和幾何關(guān)系的變化引起主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全的生物力學(xué)機(jī)理.上述量化的理論分析結(jié)果可以作為大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)規(guī)劃的理論依據(jù).

以上這些工作對(duì)于揭示幾何構(gòu)型對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全的機(jī)理都有重要作用，但是對(duì)于主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全的生物力學(xué)機(jī)理，還有許多問題等待解決.特別是竇管交界直徑錐度、冠狀動(dòng)脈切片大小、瓣葉開口與主動(dòng)脈中心軸夾角大小、心室流腔形狀等幾何因素對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全影響方面，還需要深入研究.

大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)中有關(guān)升主動(dòng)脈根部幾何構(gòu)型對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉功能的影響是臨床醫(yī)生非常關(guān)注的問題.主動(dòng)脈根部的幾何構(gòu)型直接影響到各個(gè)組分的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，其本質(zhì)問題就是主動(dòng)脈根部的生物力學(xué)機(jī)理在起作用.無論是數(shù)值模擬還是模型實(shí)驗(yàn)研究，都需要準(zhǔn)確、定量地描述主動(dòng)脈根部各個(gè)部分的幾何及力學(xué)屬性，能從生物力學(xué)的角度做深入地理論分析并且提出合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而提出大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)的創(chuàng)新術(shù)式，指導(dǎo)以證據(jù)為基礎(chǔ)的手術(shù)決策.

3　大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)生物力學(xué)機(jī)理的研究展望

大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)是治療完全性大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位的理想手術(shù)方式，矯形不滿意是術(shù)后新主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全的重要原因.本文作者與心外科專家通過病例分析和討論后認(rèn)為，單就大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)術(shù)的幾何構(gòu)型對(duì)術(shù)后新主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全的影響而言，有關(guān)竇部直徑、主動(dòng)脈根部直徑、瓣葉高度和長(zhǎng)度等幾何因素對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全的影響研究比較多，而許多創(chuàng)新性的手術(shù)方案還有待嘗試和探索.

根據(jù)臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)想，作者提出了一些改進(jìn)手術(shù)方案，如竇管交界直徑呈現(xiàn)一定的錐度、改變瓣葉開口與主動(dòng)脈中心軸夾角的大小、改變冠狀動(dòng)脈切片大小從而改變竇部成形、改變心室流腔形狀等等，可能會(huì)對(duì)新主動(dòng)脈瓣關(guān)閉產(chǎn)生不同的影響和療效.但其中的生物力學(xué)機(jī)理還不很清楚，需要從力學(xué)原理上了解改進(jìn)幾何構(gòu)型對(duì)術(shù)后主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全的影響.研究方法可以是建立有限元模型并進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和流固耦合數(shù)值模擬，制作離體模型進(jìn)行流場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)/力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)臨床病例進(jìn)行回顧性分析和隨訪觀察，探討治療完全性大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位的大動(dòng)脈調(diào)轉(zhuǎn)手術(shù)中改進(jìn)幾何構(gòu)型對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全影響的生物力學(xué)機(jī)理；開發(fā)簡(jiǎn)單易用的手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng).

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（責(zé)任編輯 張 蕾）

Advance in Biomechanical Mechanism of Surgical Planning for Arterial Switch Operation

GU Zhaoyong1，PAN Youlian1，JIA Rongxi1，LIU Yinglong2，DONG Nianguo3，QIAO Aike1
（1.College of Life Science and Bio-Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Center of Infant Heart，Beijing Anzhen Hospital，Capital Medical University，Beijing 100029，China；3.Department of Cardiovascular Surgery，Union Hospital，Tongji Medical College，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430022，China）

The arterial switch operation（ASO）is now the preferred surgical approach to the patient with complete transposition of the great arteries（TGA）.Early and midterm results of the arterial switch operation are good.The problems and prospects of arterial switch operation were presented according to surgical experience and assumption of clinicians.The following three aspects were mainly reviewed in this paper.1）A brief overview of surgical techniques for arterial switch operation.2）An introduction on finite element modeling and experimental investigations for aortic root.3）Research progress in the biomechanical mechanism of the influence of various geometric configurations for aortic valve on aortic insufficiency.Finally，based on the research，several modified geometric configurations for ASO was proposed while the biomechanical mechanism needs to be investigated so as to know the postoperative influence of the modified geometric configurations for ASO on aortic insufficiency.

transposition of the great arteries；arterial switch operation；aortic insufficiency；finite element analysis；biomechanics

Q 66

A

0254-0037（2016）01-0152-09

10.11936/bjutxb2015030082

2015-03-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11472023，81270297）

顧兆勇（1982—），男，博士研究生，主要從事生物力學(xué)方面的研究，E-mail：61821551@qq.com

喬愛科（1967—），男，教授，主要從事生物力學(xué)方面的研究，E-mail：qak@bjut.edu.cn