主動脈瓣傾斜角度血流動力學(xué)的PIV 實驗研究1)

劉趙淼 薛賀波 楊 剛 逄 燕 房永超 李夢麒 齊軼鵬 史 藝

?(北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100124)

?(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外心血管病醫(yī)院心外科，北京 100037)

引言

主動脈瓣疾病是全世界發(fā)病率和致死率較高的典型心血管疾病之一，嚴重影響壽命和生活質(zhì)量[1-3].外科主動脈瓣置換術(shù)和經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換術(shù)是分別通過外科手術(shù)和介入導(dǎo)管技術(shù)，以人工生物瓣膜或機械瓣膜替換病變主動脈瓣的手術(shù)方式，是主動脈瓣疾病高?；颊叩挠行е委煼桨竅4-6].據(jù)估計，全球有超過1200 萬人受到主動脈瓣疾病的影響，每年大約進行30 萬瓣膜置換術(shù)[7-8].

盡管主動脈瓣置換術(shù)有效恢復(fù)瓣膜功能和改善血液流動狀況，但由于個體化主動脈根部的影響，主動脈瓣的置換位置與生理位置存在錯位，導(dǎo)致主動脈瓣血流動力學(xué)改變引發(fā)繼發(fā)性瓣膜疾病，繼而影響手術(shù)治療效果[9-12].血流動力學(xué)因素在主動脈瓣置換術(shù)后繼發(fā)性瓣膜疾病的發(fā)生中扮演至關(guān)重要的角色[13].主動脈瓣附近的粒子停留時間過長，易形成瓣葉溶血.升主動脈中較高的剪應(yīng)力，損傷血液中的血細胞.主動脈瓣瓣口的射流沖擊主動脈壁面，損傷內(nèi)皮細胞并逐漸形成血栓[14].

在主動脈瓣置換術(shù)主動脈瓣定位血流動力學(xué)研究中，其中主動脈瓣深度、旋轉(zhuǎn)角度、傾斜角度是影響瓣膜附近血流動力學(xué)的重要因素，多位學(xué)者圍繞不同的主動脈瓣深度，利用粒子圖像測速(particle image velocimetry,PIV)技術(shù)開展血流動力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)主動脈瓣深度顯著影響主動脈竇的血液流動和主動脈根部的雷諾剪應(yīng)力分布，結(jié)果表明主動脈瓣深度處于生理瓣環(huán)位置時流體動力學(xué)性能最優(yōu)[15-17].

主動脈瓣在主動脈根部中的位置存在旋轉(zhuǎn)角度和傾斜角度等定位誤差時，也會改變主動脈瓣血流動力學(xué)行為，表現(xiàn)為血流速度、渦度和黏性剪應(yīng)力等血流特性的異常，與細胞溶血和血栓形成等繼發(fā)性瓣膜疾病密切相關(guān)[18-23].Bailey 等[24]從0?～105?每間隔15?建立主動脈瓣模型，通過數(shù)值模擬研究旋轉(zhuǎn)角度對瓣葉范式等效應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)除了旋轉(zhuǎn)角度為30?時，所有主動脈瓣模型的平均范式等效應(yīng)力減小，最大范式等效應(yīng)力在旋轉(zhuǎn)角增大至60?后開始減小.表明最佳旋轉(zhuǎn)角度為0?，最不可取的旋轉(zhuǎn)角度是30?和60?.Hatoum 等[20]基于CT 圖像三維重構(gòu)主動脈根部，利用PIV 技術(shù)研究了主動脈瓣不傾斜、向主動脈竇傾斜和遠離主動脈竇傾斜3 種情況下主動脈竇中的血液流動停滯現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)兩種傾斜情況下主動脈竇中血液流動速度、渦度和瓣葉附近剪應(yīng)力降低，主動脈瓣遠離主動脈竇傾斜時最不宜血液和粒子流出主動脈竇.盡管該研究對主動脈瓣不同傾斜情況時主動脈竇中的血流動力學(xué)進行了分析，但缺少對不同傾斜角度下的血流動力學(xué)研究.Morganti 等[12]基于CT 圖像重建主動脈瓣，建立有限元模型，研究了主動脈瓣傾斜角度對應(yīng)力和有效開口面積的影響，結(jié)果表明主動脈瓣傾斜時應(yīng)力增大、有效開口面積減小.但該研究僅分析了主動脈根部瓣葉附近三角區(qū)的應(yīng)力，缺乏對主動脈根部中血液流動速度分布和黏性剪應(yīng)力等血流動力學(xué)的分析.

目前，有關(guān)主動脈瓣置換術(shù)瓣膜定位誤差的研究主要集中于不同主動脈瓣植入深度血流動力學(xué)，而對傾斜角度的關(guān)注相對較少且多為瓣葉應(yīng)力分析，具體傾斜角度時瓣葉下游的血液流動和剪應(yīng)力環(huán)境研究較為缺乏.本文基于醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)三維重構(gòu)真實主動脈根部，制備高度光滑、透明的實驗?zāi)Ｐ?，建立體外脈動循環(huán)模擬系統(tǒng)，利用PIV 技術(shù)實驗研究不同主動脈瓣傾斜角度對瓣葉下游的速度分布、渦度和黏性剪應(yīng)力等血流動力學(xué)的影響，揭示主動脈瓣置換角度錯位的血流動力學(xué)機理.

1 材料與方法

1.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

選擇一例共228 張、層厚0.5 mm 的正常人體心臟CT 圖像數(shù)據(jù)，進行主動脈根部模型建立[25-27].利用Mimics 18.0(Materialise,Leuven,Belgium)進行分割，如圖1(a)所示，三維重構(gòu)主動脈根部模型，如圖1(b)所示.通過觸覺式設(shè)計系統(tǒng)Free Form(3D Systems,USA)，對模型表面進行光滑處理，完成主動脈根部幾何模型建立，模型包括升主動脈、主動脈竇和左心室流出道，如圖1(c)所示.選擇水溶性材料聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)，利用3D 打印技術(shù)打印主動脈根部PVA 模型，以聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)澆筑主動脈根部，并水浴溶解PVA 后得到高度光滑和透明的主動脈根部PDMS 實驗?zāi)Ｐ停鐖D1(d)所示.

圖1 主動脈根部模型建立Fig.1 Establishment of the aortic root

主動脈瓣為瓣環(huán)直徑25 mm 的美敦力Hancock II T510 型生物主動脈瓣(Medtronic,Minneapolis,USA).傾斜角度(α)是主動脈瓣開口縱向軸線與升主動脈縱向軸線之間的角度，如圖2(a)所示.主動脈瓣存在傾斜時主動脈竇中血流特性改變，導(dǎo)致血液和粒子不易流出主動脈竇，但具體傾斜角度的血流動力學(xué)研究較為缺乏.根據(jù)主動脈瓣置換術(shù)臨床影像數(shù)據(jù)的傾斜角度范圍[20,28]，本文研究主動脈瓣向左冠狀動脈一側(cè)傾斜時，α=0?,α=5?,α=10?和α=15?的血流動力學(xué).實驗時，相機位置和經(jīng)過主動脈瓣的激光平面如圖2(b)所示.

圖2 傾斜角度定義和激光平面Fig.2 Definition of tilted angle and Laser sheet

1.2 實驗裝置

PIV 技術(shù)是一種非侵入式的全流場流動測量及顯示技術(shù)，廣泛應(yīng)用于主動脈瓣的速度場和剪應(yīng)力環(huán)境研究[15-17].PIV 系統(tǒng)主要由雙脈沖Nd:YAG 激光器(Dantec Dynamics,Denmark；能量20 mJ，波長532 nm，脈沖時間4 ns)、CCD 相機(HiSense MKII,Dantec Dynamics)、同步控制器、片光元件、導(dǎo)光臂和計算機組成[29-35]，如圖3(a)所示.雙脈沖Nd:YAG 激光器產(chǎn)生激光，經(jīng)過導(dǎo)光臂、柱面鏡和球面鏡等片光元件引導(dǎo)后，激光在實驗?zāi)Ｐ椭行钠矫嫘纬珊穸燃s為1 mm 的片光，激發(fā)均勻布撒于工作流體中的熒光粒子.通過帶有尼康鏡頭(LaVision,Germany,Imager Pro；像素1344×1024 Px)的CCD 相機記錄單位時間內(nèi)熒光粒子的兩幀圖像，利用Dynamic Studio(Dantec Dynamics,Denmark)軟件處理后獲得目標流場.CCD 相機鏡頭上安裝570 nm 長波通濾光片阻止自然光進入CCD 相機，同時使熒光粒子發(fā)出的光進入CCD 相機.實驗時兩幀時間間隔設(shè)置為250μs，拍攝頻率為7 Hz.

圖3 實驗系統(tǒng)Fig.3 Experimental system

體外脈動循環(huán)系統(tǒng)模擬左心室血液循環(huán)，由脈動式血液泵(Harvard Apparatus,USA)、儲液池、壓力計、節(jié)流閥和順應(yīng)腔等組成[36]，如圖3(b)所示.脈動式血液泵用于模擬心臟功能，作為動力源驅(qū)動循環(huán)系統(tǒng)工作.順應(yīng)腔和節(jié)流閥通過管路與升主動脈出口連接，用于調(diào)節(jié)升主動脈出口的平均壓力.節(jié)流閥控制進入順應(yīng)腔的工作流體，壓縮順應(yīng)腔中的可壓縮空氣，使升主動脈出口達到主動脈瓣最大張開幅度的平均壓力.工作流體由脈動式血液泵從儲液室中泵出進入主動脈根部，流經(jīng)主動脈瓣后到達三通管，一路進入順應(yīng)腔，另一路經(jīng)節(jié)流閥后回到儲液池，形成循環(huán).

實驗設(shè)置脈動式血液泵的心率為70 Beats/min，每搏出量為70 mL，收縮期/舒張期為35%/65%.工作流體選擇體積比為40%/60%的丙三醇/去離子水混合溶液，其物理性質(zhì)類似于血液，密度ρ=1100 kg/m3、常溫時黏度μ=4.0 mPa·s，折射率(n=1.38)與主動脈根部PDMS 模型折射率相近(n=1.41)[37].熒光粒子為直徑1 ～20μm 的PMMA-Rhodamine B 粒子(Dantec Dynamics,Denmark)，主動脈根部明場圖像和熒光粒子圖像如圖4 所示.

圖4 主動脈根部實驗圖像Fig.4 Experimental image of the aortic root

2 結(jié)果與討論

2.1 傾斜角度對主動脈瓣下游速度分布的影響

主動脈瓣張開和關(guān)閉是一個復(fù)雜的流體力學(xué)機制，主要受主動脈根部血液流動和循環(huán)變化調(diào)節(jié)[38].圖5 為α=0?時心動周期內(nèi)主動脈根部血液流動的平均速度云圖，展示了心動周期內(nèi)主動脈根部的血液流動狀況.收縮早期，主動脈瓣瓣葉開始張開，瓣口處出現(xiàn)血液流動，如圖5(a)所示.加速期，主動脈瓣瓣葉張開幅度增大，血液流過主動脈瓣時形成中心對稱流動，并且向升主動脈進一步流動，如圖5(b)所示.峰值期，主動脈瓣瓣葉完全打開，血液中心對稱流動加劇，血液跨瓣流動達到最大速度1.56 m/s，如圖5(c)所示.收縮晚期，主動脈瓣開始關(guān)閉，主動脈瓣附近的血液流動現(xiàn)象與峰值期現(xiàn)象相似，但流動速度降低，如圖5(d)所示.舒張早期，隨著主動脈瓣的關(guān)閉，跨瓣流動逐漸消失，如圖5(e)所示.舒張晚期，瓣膜完全關(guān)閉，主動脈瓣口血液流動現(xiàn)象停止，主動脈根部中血液速度趨近于零，如圖5(f)所示.

圖5 α=0?時主動脈根部速度云圖Fig.5 Velocity contours of the aortic root at α=0?

圖6 峰值期不同傾斜角度時主動脈根部速度分布云圖Fig.6 Velocity contours of the aortic root with different tilted angles at peak systolic

主動脈根部是血液流過主動脈瓣后的重要運輸和物質(zhì)交換場所，其血流動力學(xué)在主動脈瓣功能和血液正常流向冠狀動脈中扮演至關(guān)重要的角色[39].不同主動脈瓣傾斜角度時，峰值期主動脈根部血液流動平均速度分布云圖如圖6 所示.峰值期，主動脈瓣完全張開，血液充分跨瓣流向升主動脈.當α=0?時，跨瓣血液流動狀態(tài)為中心對稱射流，左冠狀動脈竇中血液流動速度較低，最大血液流動速度為0.16 m/s.當α=5?時，主動脈瓣置換存在傾斜，主動脈瓣開口向升主動脈的左冠狀動脈一側(cè)傾斜，導(dǎo)致跨瓣血液流動也向該側(cè)傾斜，血液流動沖擊升主動脈壁.當α=10?和α=15?時，跨瓣血液流動向升主動脈壁傾斜的程度增加，主動脈壁附近血流速度較大，導(dǎo)致對升主動脈壁的沖擊較大.同時，更多的血液流入左冠狀動脈竇，當α=5?，α=10?和α=15?時，峰值期主動脈竇中最大血液流動速度分別為0.68 m/s，0.94 m/s 和0.79 m/s.傾斜角度改變跨瓣血液流動方向，但并未顯著改變最大血流速度.當α=0?，α=5?，α=10?和α=15?時，最大跨瓣血液流動速度分別為1.56 m/s，1.57 m/s，1.55 m/s 和1.54 m/s.

不同主動脈瓣傾斜角度下，主動脈根部中最大血液流動速度相近，但主動脈瓣傾斜改變跨瓣血液流動方向，使血液沖擊升主動脈壁，損傷升主動脈壁面的內(nèi)皮細胞.研究[21,40]表明，當內(nèi)皮細胞受到損傷，膠原蛋白和組織因子就會暴露在流動的血液中，導(dǎo)致血小板活化、凝血酶生成，最終形成血栓.因此，當α=10?和α=15?時，跨瓣血流向升主動脈左冠狀動脈一側(cè)傾斜，導(dǎo)致血流沖擊升主動脈壁幅度增大，易形成血栓.

結(jié)合主動脈竇中血流速度分析實現(xiàn)對主動脈瓣附近流場的全面評估，α=0?時心動周期內(nèi)主動脈竇的血液流動平均速度矢量和云圖分布如圖7 所示.收縮早期，主動脈瓣張開后，跨瓣流動的血液以0.30 m/s 的速度進入主動脈竇并帶動主動脈竇中靜止的血液運動，形成渦旋，如圖7(a)所示.加速期，隨著血液中心對稱流動的發(fā)展，渦旋也向前運動發(fā)展，主動脈竇中最大血液流動速度降低至0.12 m/s，如圖7(b)所示.峰值期，中心對稱流動血液的速度較高，絕大部分血液充分向升主動脈流動，此時主動脈竇中僅存在較弱的渦旋運動，最大血液流動速度為0.16 m/s，如圖7(c)所示.收縮晚期，跨瓣血液流動速度降低，部分升主動脈中的血液回流流向主動脈竇并形成渦旋，主動脈竇中最大血液流動速度為0.14 m/s，如圖7(d)所示.舒張早期，主動脈竇中的渦旋以0.17 m/s 的速度向瓣葉中部運動，促進瓣葉關(guān)閉，如圖7(e)所示.舒張晚期，主動脈竇中的渦旋向瓣葉基部運動，最大速度降低為0.10 m/s，如圖7(f)所示.

不同傾斜角度時主動脈竇血液流動平均速度矢量和云圖分布如圖8 所示，在所有傾斜角度中存在明顯的相同流動特征，即血液經(jīng)過瓣葉后從主動脈竇的頂部流入主動脈竇，形成順時針流動的渦旋.當α=5?和α=10?時，收縮期時跨瓣血液在主動脈竇中部形成渦旋，并在整個收縮期向竇管交接處運動，該現(xiàn)象與文獻[20]趨勢一致.在舒張期，當主動脈瓣逐漸關(guān)閉時，渦旋向主動脈竇底部運動.隨著傾斜角度增大至α=15?時，主動脈瓣開口越向主動脈竇傾斜，導(dǎo)致更多的血液流動向主動脈竇傾斜，主動脈竇中的血液流動速度增大，渦旋更向主動脈竇底部運動.

圖7 α=0?時主動脈竇速度矢量和云圖Fig.7 Velocity vectors and contours of the aortic sinus at α=0?

心動周期內(nèi)不同傾斜角度時，主動脈竇的最大速度分布曲線如圖9 所示.值得注意的是，α=0?時心動周期內(nèi)主動脈竇的血液流動速度較小(如圖6 所示)，峰值期后主動脈竇中血液流動速度先增大后減小.當α=5?,α=10?和α=15?時，即主動脈瓣置換存在傾斜時，心動周期內(nèi)主動脈竇的血液流動速度較大，峰值期后主動脈竇中的血液流動速度持續(xù)減小.隨著主動脈瓣置換傾斜角度增大，主動脈竇中的最大血液流動速度增大，當α=0?，α=5?，α=10?和α=15?時，心動周期內(nèi)主動脈竇中最大血液流動速度分別為0.30 m/s，0.68 m/s，1.07 m/s 和1.19 m/s.

研究[41-42]表明，在收縮期，心肌收縮并限制血液向冠狀動脈的流動，血流速度較低.舒張期開始時，心肌肌肉松弛，導(dǎo)致冠狀動脈血流速度迅速升高并達到峰值.因此，當α=0?時，主動脈竇中的血液流動速度先增大后減小，符合心動周期內(nèi)血液由主動脈竇向冠狀動脈流動的生理現(xiàn)象.當α=5?,α=10?和α=15?時，導(dǎo)致跨瓣血液流動的方向異常，改變了主動脈竇中血液流動狀況，其最大血液流動速度隨傾斜角度增大而增大，渦旋也更向主動脈竇底部運動，不利于血液從冠狀動脈口流出向心肌供血.

圖8 不同傾斜角度時主動脈竇速度矢量和云圖Fig.8 Velocity vectors and contours of the aortic sinus with different tilted angles

圖9 心動周期內(nèi)不同傾斜角度時主動脈竇的最大速度分布曲線Fig.9 Curves of peak velocity of the aortic sinus with different tilted angles during cardiac cycle

2.2 傾斜角度對主動脈瓣下游渦度分布的影響

渦度是速度場的旋度，描述流體的旋轉(zhuǎn)情況，高渦度區(qū)域表示流體中的高剪切區(qū)域[43]，渦度由式(1)定義

圖10 峰值期不同傾斜角度時主動脈根部渦度分布云圖Fig.10 Vorticity contours of the aortic root with different tilted angles at peak systolic

圖10 為峰值期不同傾斜角度下主動脈根部的渦度分布.紅色區(qū)域表示逆時針旋轉(zhuǎn)(正)渦度，而藍色區(qū)域表示順時針旋轉(zhuǎn)(負)渦度.不同傾斜角度時，渦度具有相似的分布情況，主動脈瓣血液流動邊緣處存在較大的渦度區(qū)域.傾斜角度顯著改變渦度分布情況，隨著傾斜角度增大，高渦度區(qū)域向升主動脈壁傾斜.當α=0?,α=5?,α=10?和α=15?時，正渦度分別為270.30 s?1，371.18 s?1,502.24 s?1和412.35 s?1，負渦度分別為?395.76 s?1，?321.32 s?1，?274.17 s?1和?270.91 s?1.

為評估主動脈瓣存在傾斜時對主動脈竇渦度分布影響，圖11 展示了峰值期內(nèi)不同傾斜角度下主動脈竇的渦度分布.α=0?時，主動脈竇中主要為較小的正渦度.α=5?時，主動脈竇中的負渦度增大，且負渦度位于瓣葉和竇管交接處中間.隨著傾斜角度增大，負渦度逐漸增大，渦度逐漸位于主動脈竇底部，渦度方向和位置與圖8 中渦旋運動一致.

圖11 峰值期不同傾斜角度時主動脈竇渦度分布云圖Fig.11 Vorticity contours of the aortic sinus with different tilted angles at peak systolic

心動周期內(nèi)不同傾斜角度時，主動脈竇的最大負渦度分布曲線如圖12 所示.α=0?時，主動脈竇中負渦度較小，并呈現(xiàn)先減小后增大再減小趨勢.α=5?和α=10?負渦度變化趨勢與α=0?時相同，但負渦度值增大.α=15?時，負渦度值變化在收縮期和舒張期均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，負渦度值較大.隨著傾斜角度的增大，峰值期主動脈竇中最大負渦度值增大.當α=0?，α=5?，α=10?和α=15?時，心動周期內(nèi)峰值期主動脈竇中最大負渦度分別為?105.64 s?1，?234.23 s?1，?307.53 s?1和?437.19 s?1.

圖12 心動周期內(nèi)不同傾斜角度時主動脈竇的最大負渦度分布曲線Fig.12 Curves of peak negative vorticity of the aortic sinus with different tilted angles during cardiac cycle

研究[22]表明，渦度動力學(xué)在表征湍流中起著至關(guān)重要的作用，高渦度區(qū)域表示血液的剪切和旋轉(zhuǎn).Bark 等[23]的相關(guān)研究也指出生理狀態(tài)下主動脈的剪切率應(yīng)低于400 s?1，相當于黏性剪應(yīng)力1.4 N/m2.因此，傾斜角度α=10?和α=15?時主動脈根部和主動脈竇的剪切率水平較高，可能導(dǎo)致細胞溶血.

2.3 傾斜角度對主動脈瓣下游黏性剪應(yīng)力分布的影響

黏性剪應(yīng)力(viscous shear stress,VSS)表征流體相鄰兩層之間的剪切作用，是血細胞承受的真實物理剪應(yīng)力，與瓣膜血栓、血小板及紅細胞溶血密切相關(guān)[37,44-45]，由式(2)定義

式中，μ為工作流體的動力黏度，單位N·s/m2.

峰值期，血液跨瓣流動后加速進入升主動脈，并且以心動周期內(nèi)最大的射流速度與升主動脈中相對靜止的血液相互剪切，形成剪切層.圖13 為峰值期不同傾斜角度時主動脈根部黏性剪應(yīng)力云圖，由于最大速度梯度位于射流邊緣，導(dǎo)致最大黏性剪應(yīng)力值區(qū)域與射流邊緣相對應(yīng)，并且正、負黏性剪應(yīng)力彼此相互平行.當α=0?時，主動脈瓣開口與升主動脈軸向平行，黏性剪應(yīng)力與血液中心對稱流動方向相同，即平行于升主動脈軸向.當α=5?時，由于主動脈瓣傾斜，黏性剪應(yīng)力隨跨瓣血液流動方向朝著左冠狀動脈竇一側(cè)傾斜，幾乎靠近升主動脈壁.當α=10?時，負黏性剪應(yīng)力完全與升主動脈壁平行.當α=15?時，隨著主動脈瓣傾斜程度急劇增大，負黏性剪應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在主動脈竇.

圖13 峰值期不同傾斜角度時主動脈根部黏性剪應(yīng)力云圖Fig.13 VSS contours of the aortic root with different tilted angles at peak systolic

主動脈瓣存在傾斜時，正黏性剪應(yīng)力值較大、負黏性剪應(yīng)力較小.α=0?，α=5?，α=10?和α=15?時，正黏性剪應(yīng)力值分別為0.99 N/m2，1.34 N/m2，1.86 N/m2和1.37 N/m2，負黏性剪應(yīng)力值分別為?1.29 N/m2，?0.96 N/m2，?0.83 N/m2和?0.93 N/m2.Saw 等[46]研究表明，大動脈血管的剪切應(yīng)力值一般在0.5 ～2.0 N/m2.Bark 等[23]的相關(guān)研究也指出生理狀態(tài)下主動脈的黏性剪應(yīng)力低于1.4 N/m2.當主動脈瓣存在傾斜時，高黏性剪應(yīng)力區(qū)域靠近升主動脈壁且出現(xiàn)在主動脈竇.α=10?和α=15?時，最大黏性剪應(yīng)力超過或接近臨界剪應(yīng)力閾值1.4 N/m2，容易發(fā)生紅細胞溶血形成血栓.

峰值期不同傾斜角度時主動脈竇黏性剪應(yīng)力云圖如圖14 所示.當α=0?時，高黏性剪切區(qū)域位于主動脈竇中瓣葉一側(cè).當α=5?時，高黏性剪切應(yīng)力區(qū)域位于竇管交接處，面積增大.隨著傾斜程度增大，高黏性剪應(yīng)力區(qū)域分布于主動脈竇壁面處，且面積持續(xù)增大.

圖14 峰值期不同傾斜角度時主動脈竇黏性剪應(yīng)力云圖Fig.14 VSS contours of the aortic sinus with different tilted angles at peak systolic

心動周期內(nèi)不同傾斜角度時，主動脈竇的最大負黏性剪應(yīng)力分布曲線如圖15 所示.α=0?時，主動脈竇中負黏性剪應(yīng)力為先減小后增大再減小的變化趨勢，且黏性剪應(yīng)力值和變化范圍較小.α=5?和α=10?時，黏性剪應(yīng)力曲線變化趨勢與α=0?時相似，但黏性剪應(yīng)力值較大.當α=15?時，負黏性剪應(yīng)力變化趨勢先增大后減小，黏性剪應(yīng)力值較大.隨著傾斜角度的增大，峰值期主動脈竇中最大負黏性剪應(yīng)力值增大.當α=0?，α=5?，α=10?和α=15?時，心動周期內(nèi)峰值期最大黏性剪應(yīng)力值分別為0.37 N/m2，0.80 N/m2，0.82 N/m2和1.09 N/m2.

主動脈竇血流動力學(xué)是影響主動脈瓣功能和健康的重要因素，異常的主動脈竇血流動力學(xué)將作用于主動脈瓣，引發(fā)主動脈瓣繼發(fā)性疾病.研究[47-48]表明，主動脈瓣鈣化狹窄常發(fā)生在主動脈竇一側(cè)的瓣葉處，主動脈瓣附近存在較高的黏性剪應(yīng)力促進血栓形成.當主動脈瓣存在傾斜時，瓣葉附近黏性剪應(yīng)力升高，為主動脈瓣發(fā)生病變提供了剪應(yīng)力環(huán)境.

圖15 心動周期內(nèi)不同傾斜角度時主動脈竇的最大負黏性剪應(yīng)力分布曲線Fig.15 Curves of peak negative VSS of the aortic sinus with different tilted angles during cardiac cycle

在主動脈瓣血流動力學(xué)研究中，血液流經(jīng)瓣葉后在主動脈根部形成收縮射流，并在射流兩側(cè)邊緣處產(chǎn)生較大的相反速度梯度值，形成正負黏性剪應(yīng)力，其表征的是流體相鄰兩層之間瞬時剪切作用，與周圍流體作用于血小板、血細胞的體積力相關(guān)，與細胞溶血、血栓形成等繼發(fā)性瓣膜疾病密切相關(guān)，在血流動力學(xué)相關(guān)研究中廣泛使用[49-50].

3 結(jié)論

本文研究了不同主動脈瓣傾斜角度下主動脈瓣下游的血流動力學(xué)，分析了傾斜角度對主動脈根部和主動脈竇的速度分布、渦度、黏性剪應(yīng)力的影響，為臨床主動脈瓣置換術(shù)提供流體力學(xué)參考.研究結(jié)果對臨床術(shù)前規(guī)劃和術(shù)后康復(fù)具有重要意義.主要結(jié)論如下.

(1) 當α=0?時，心動周期內(nèi)跨瓣血液流動為中心對稱流動，峰值期后主動脈竇中血液流動速度先增大后減小，渦旋運動促進瓣葉關(guān)閉.α=5?，α=10?和α=15?時，跨瓣血液流動向升主動脈的左冠狀動脈一側(cè)傾斜，使血液沖擊升主動脈壁，容易損傷升主動脈壁面的內(nèi)皮細胞，導(dǎo)致血栓形成.同時，主動脈瓣存在傾斜時也改變了主動脈竇中血液流動狀況，最大血液流動速度隨主動脈瓣傾斜角度增大而增大，渦旋也更向主動脈竇底部運動，不利于血液從冠狀動脈口流出向心肌供血.

(2)主動脈瓣置換角度存在傾斜時，由于血液跨瓣流動方向改變，主動脈根部的高渦度和黏性剪應(yīng)力區(qū)域向升主動脈壁傾斜.主動脈竇的高渦度區(qū)域位于主動脈竇底部、高黏性剪應(yīng)力區(qū)域分布于主動脈竇壁面處.

(3)主動脈瓣存在傾斜角度時，峰值期渦度和黏性剪應(yīng)力較大.特別是α=10?和α=15?時，主動脈根部的最大渦度分別為502.24 s?1和412.35 s?1，最大黏性剪應(yīng)力分別為1.86 N/m2和1.37 N/m2，為血栓形成提供了有利環(huán)境，臨床主動脈瓣置換術(shù)時應(yīng)規(guī)避.