一种新型可回收腔静脉滤器血流动力学分析

Abstract

Vena cava filter is a filter device designed to prevent pulmonary embolism caused by thrombus detached from lower limbs and pelvis. A new retrievable vena cava filter was designed in this study. To evaluate hemodynamic performance and thrombus capture efficiency after transplanting vena cava filter, numerical simulation of computational fluid dynamics was used to simulate hemodynamics and compare it with the commercialized Denali and Aegisy filters, and in vitro experimental test was performed to compare the thrombus capture effect. In this paper, the two-phase flow model of computational fluid dynamics software was used to analyze the outlet blood flow velocity, inlet-outlet pressure difference, wall shear stress on the wall of the filter, the area ratio of the high and low wall shear stress area and thrombus capture efficiency when the thrombus diameter was 5 mm, 10 mm, 15 mm and thrombus content was 10%, 20%, 30%, respectively. Meanwhile, the thrombus capture effects of the above three filters were also compared and evaluated by in vitro experimental data. The results showed that the Denali filter has minimal interference to blood flow after implantation, but has the worst capture effect on 5 mm small diameter thrombus; the Aegisy filter has the best effect on the trapping of thrombus with different diameters and concentrations, but the low wall shear stress area ratio is the largest; the new filter designed in this study has a good filtering and capture efficiency on small-diameter thrombus, and the area ratio of low wall shear stress which is prone to thrombosis is small. The low wall shear stress area of the Denali and Aegisy filters is relatively large, and the risk of thrombosis is high. Based on the above results, it is expected that the new vena cava filter designed in this paper can provide a reference for the design and clinical selection of new filters.

引言

肺栓塞已成为仅次于冠状动脉与脑血管疾病后的第 3 大心血管疾病^[1]。肺栓塞致死率较高，引发肺栓塞的血栓 95% 来源于下肢深静脉和盆腔静脉^[2]。腔静脉滤器是为预防肺栓塞的机械型过滤性装置，通过物理手段拦截下肢及盆腔静脉系统脱落上行的血栓，以防止致死性肺栓塞的发生。下腔静脉是人体内血流量最大的静脉血管，下肢、腹部和盆腔的血液经下腔静脉向心脏回流。在下腔静脉处放置腔静脉滤器，滤器依靠支撑部分固定在血管中，过滤部分的滤丝和滤柱起到过滤回流的血液、捕捉血液内漂浮的栓子的作用，从而达到预防肺栓塞的目的。腔静脉滤器的植入是通过输送系统放置于人体下腔静脉，手术操作简单、安全、微创，是除溶栓和抗凝操作外预防治疗肺栓塞的主要手段^[3]。然而滤器植入后作为异物存在于人体中，会对血管壁和血流造成一定影响，从而引起短期或长期的并发症。因此，理想的滤器应具有良好的血栓捕捉能力、较好的生物相容性和核磁兼容性，此外对血液流动的干扰应较小。

目前对腔静脉滤器的研究主要有体外实验、动物实验和临床分析，用计算建模、数值模拟方法研究腔静脉滤器的例子较少。Singer 等^[4]建立不同形状、大小和不同位置的血栓，运用三维计算流体力学的方法分析一款永久型腔静脉滤器的血流动力学，以确定滤器周围血液再循环和停滞区域以及易形成血栓的区域。Wang 等^[5]考虑肾静脉血液流入的影响，构建具有肾静脉的下腔静脉三维模型，用计算流体力学的方法分析滤器放置在不同位置时，对捕捉血栓和未捕捉血栓的滤器的血流动力学影响。Aycock 等^[6]选取仅有腔静脉、放置了滤器的腔静脉、静止流下放置滤器和模拟栓子的腔静脉、运动流下放置滤器和模拟栓子的腔静脉这 4 种情况，使用非线性有限元法反向分析，以获得受试患者腔静脉的近似体内应力状态。冯海全等^[7]为了减少血管壁的损伤和滤器断裂的可能性，利用有限元法与计算流体力学的方法，分析 6 种滤器在工作状态下血管与滤器表面上的应力分布以及径向支撑刚度和在血管内工作时的血流压力分布、流速分布、切应力分布。以上的研究均建立了三维的计算流体力学模型，但没有考虑血栓的物理属性和血栓的运动，而且研究内容主要以数值模拟分析为主。

基于以上原因，本研究设计了一款新型可回收腔静脉滤器，采用计算流体力学的方法和体外实验分析滤器植入血管后的血流动力学参数^[8]，将血栓简化为与血液不相容的流体^[9]，并以血液为首相、血栓为次相，运用计算流体力学软件 Fluent 14.0（ANSYS Inc.，美国）里的两相流模型（two-phase flow model）进行数值模拟。为评价其在植入后的血流出口速度、血流和血栓出入口压差、高低壁面剪应力区域面积占比以及血栓捕捉率，选取具有代表性的德纳里（Denali）滤器［DL950F，巴德医疗科技（上海）有限公司，美国］和护盾（Aegisy）滤器［XJLX2550，先健科技（深圳）有限公司，中国］进行对比，同时实施体外实验对比 3 种可回收滤器的血栓捕捉效果并进行评价，该研究结果对新型腔静脉滤器的研发和评价滤器的捕捉血栓效果具有一定的理论意义和参考价值。

1. 模型与方法

1.1. 材料模型

本文选用的滤器是由镍钛合金管材经激光一体切割加工而成，镍钛合金是一种超弹性材料，密度为 6.45 g/cm³，泊松比 0.33^[10]，一般在低于体温的温度下处于奥氏体（austenite）状态，可变形成易于置入导管的形状以利于植入人体，而在体温范围内处于稳定的马氏体（martensite）状态，恢复原状。镍钛合金还具备优异的形状记忆效应、生物相容性和良好的耐腐蚀性。近年来被广泛应用于外周血管支架、颅内动脉支架、食道胆道支架以及腔静脉滤器等介入器械^[11]。

本研究中将血液视为牛顿流体，设为层流^[12]，动力粘度为 0.003 5 kg/（m·s），密度为 1 060 kg/m^3[13]。血栓是一种密度比血液大的病理性物质，可被软化、溶解、吸收^[14]。因此本文将血栓简化为一种虚拟的与血液不相容且粘度较血液稍大的流体^[15]，血栓动力粘度为 0.006 48 kg/（m·s），密度为 2 000 kg/m³。在数值模拟时将下腔静脉简化为超弹性连续实体^[16]，在体外实验中选用人工血管模型模拟下腔静脉，人工血管模型按照人体的真实血管形状和尺寸经三维打印（three dimensional printing，3DP）而成。

1.2. 有限元模型

本研究分析的流体包括血液和血栓，模型采用两相流模型，k = 1 或 2，代表每相的角码，1 表示血栓相，2 表示血液相。建立血栓相和血液相各自的连续性方程如式（1）所示：

1

血栓相和血液相各自的动量方程表示如式（2）所示：

2

式中，ρ_k 表示血液或血栓的密度，t 表示分析模拟时间，u_k 表示血液相或血栓相速度向量，p_k 表示血液相或血栓相压力标量，I 表示单位张量，T_k 表示血栓或血液相剪应力张量，g_k 表示重力加速度向量。

1.3. 固体模型

在三维制图软件 SOLIDWORKS 2014（Dassault Systemes Inc.，法国）中建立 3 种滤器模型，原始直径为 25 mm，过滤柱和支撑柱的厚度均为 0.3 mm，建成的模型如图 1 所示。

图 1.

Three filters models

3 种滤器模型

Denali 滤器由上下两层 12 根柱组成，上层 6 根柱分支撑和过滤部分，下层 6 根柱主要起过滤作用，两层支柱均与回收柱相连。

Aegisy 滤器包括固定柱、回收柱、上下两层过滤柱和中间的支撑柱。上层 6 根过滤柱通过 12 根滤丝与中间的支撑柱连接，下层 3 根 Y 型过滤柱连接支撑柱和回收柱，具有双层过滤结构。

本文设计新型滤器包括回收柱、第一支撑柱和第二支撑柱。相邻的第一、二支撑柱之间设置有过滤柱，过滤柱的上端与回收柱相连，下端设有过滤丝，具有双重定位、双重过滤功能。

1.4. 流域模型

在前处理软件 HyperMesh 14.0（Altair Engineering Inc.，美国）中对滤器和血管模型进行布尔运算（Boolean calculation），切分出流域部分，并划分流域网格。考虑到模型的复杂程度和计算时间，本文选取单元类型为 C3D4 的非结构化四面体网格，然后设置血流入口、出口、血管壁面以及滤器壁面，最终导入计算流体力学软件 Fluent 14.0 里的两相流模型进行数值模拟。

1.5. 体外实验模型

本研究搭建了体外实验平台，测试了 3 种腔静脉滤器过滤直径分别为 5、10、15 mm 时的血栓捕栓效果，以验证数值模拟的准确性。该实验装置包括内径为 25 mm 的人工血管模型、水箱、多级离心泵、血栓投放口和回收箱。该装置选用透明硅胶制成的人工血管模型模拟人体下腔静脉。装置中的人工血管模型选用硅胶材料，根据电子计算机 X 射线断层扫描技术（computed tomography，CT）扫描的人体血管数据，经三维打印而成，如图 2 所示。

图 2.

In vitro experimental device

体外实验装置

1.6. 实验方法

本文采用欧拉-欧拉方法（Euler-Euler method）的两相流模型构建腔静脉滤器的流域环境。在两相流模型中血液为首相、血栓为第二相。分析时血栓设置为直径分别为 5、10、15 mm 的类球体；血栓在人体的浓度用血栓体积的百分含量表示，血栓含量分别为 10%、20%、30%。模型的入口处血流速度为 0.14 m/s，入口处血栓速度为 0.074 m/s，血管内压为 800 Pa，出口压力为相对压力 0 Pa。血管和滤器壁面均定义为无相对滑移，壁面速度设置为 0^[17]。模拟计算后，通过对比分析血流出口速度、压力分布、出入口压差、壁面剪应力和血栓体积分数等评价 3 种滤器的血流动力学性能和过滤血栓效果。

本文在进行体外实验测试滤器的血栓捕捉率时，首先将新鲜猪血静置 2 h，处理成直径分别为 5、10、15 mm 的类球形血凝块以模拟人体血栓，然后选用生理盐水模拟人体血液，调节模拟血液流速为 0.14 m/s，并在距髂静脉分叉 10 cm 处放置腔静脉滤器，每组实验从投放口依次注入直径相同的 5 个血栓，间隔不超过 10 s，注入完成后循环保持 2 min，记录每次捕获的血栓个数。实验中漏掉的血栓通过纱布滤出，每组实验完成后丢弃损坏的血栓。不同直径的血栓各重复 5 组实验。

2. 结果与分析

2.1. 血流出口平均速度

本文运用软件 Fluent 里的两相流模型模拟腔静脉滤器植入血管后血流和血栓的流动情况，经该软件分析后可提取出流域段出口血流的平均速度，3 种滤器与未植入滤器的流域段血流出口平均速度如图 3 所示。

图 3.

Average blood flow velocity at different thrombus diameters

不同血栓直径下的血流出口平均速度

随着血栓直径的增大和血栓含量的增多，不同结构的滤器血流出口平均速度具有一定的变化规律。随着血栓含量的增加，血流出口平均速度呈减小趋势；随着血栓直径的增加，血流出口平均速度呈减缓的趋势，但是变化较小。与未植入滤器的情况相比，3 种滤器的血流出口平均速度都有一定的增加或恢复的现象。其中 Denali 滤器血流出口平均速度增加最显著，本文设计新型滤器的血流出口平均速度接近于无滤器植入流域段的血流出口平均速度。血栓的存在使流域段流体粘度增加，减缓血流流速，血流出口平均速度也随之变慢。滤器捕捉或击碎血栓可使血流出口平均速度得到一定的恢复。

2.2. 混合相出入口压差

本文的数值模拟结果显示，在不同血栓含量和直径下，滤器流域段的混合相压力分布规律大致相同。因此本文选取血栓直径 10 mm，血栓含量 10% 这一组的计算结果展示滤器流域段混合相压力的分布。3 种滤器流域段纵截面和近血管壁侧的压力分布如图 4 所示；血栓直径 10 mm 时，3 种滤器流域段混合相出入口压差如图 5 所示。

图 4.

Pressure distribution in longitudinal section and near vessel wall

流域段纵截面及近血管壁侧的压力分布

图 5.

Pressure difference between inlet and outlet of mixed phase in three filter basins

3 种滤器流域段混合相出入口压差

人体的腔静脉中血流由下向上流动，因此从图 4 可以看出，混合相压力随血流方向减小，入口处的压力最大。根据图 5 的统计结果可知随血栓含量的增加，混合相出入口压差减小。Aegisy 滤器流域段的混合相出入口压差最大，本文设计新型滤器次之，Denali 滤器最小。滤器植入后对血流产生阻碍作用，血管内阻力增加，流域段混合相的出入口压差增大。流域段混合相出入口压差增大有利于滤器击碎和捕捉栓子，但是血流流动也会受到干扰。混合相出入口压差增大血流会对血管壁产生一定冲击，有引起血管内膜破损的可能性。

2.3. 低壁面剪应力区域面积占比

研究显示，过高（> 5 Pa）或过低（< 0.5 Pa）的壁面剪应力会导致血小板激活或血液滞留，容易形成血栓^[18]。本文的分析结果显示，3 种滤器的高壁面剪应力区域面积占比均低于 2%，说明滤器壁面上的高壁面剪应力面积很小，该面积内血栓堆积的空间有限，不易形成血栓，可以忽略其影响。因此主要讨论低壁面剪应力区域的面积分布和占比。并且根据本文的数值模拟结果，在不同血栓含量和直径下，滤器壁面剪应力分布规律大致相似。因此本文选取血栓直径 10 mm，血栓含量 10% 这一组的计算结果，以展示滤器壁面剪应力的分布。3 种滤器壁面剪应力分布及低壁面剪应力区域面积占比如图 6、7 所示。

图 6.

Wall shear stress distribution of three kinds of filters

3 种滤器壁面剪应力分布

图 7.

The ratio of the low wall shear stress area of the three kinds of filters

3 种滤器低壁面剪切应力区域面积占比

从图 6 可以看出，低壁面剪应力区域均主要分布于支撑柱、过滤柱下游端的背侧和回收柱。入口方向的滤器壁面剪应力明显高于出口方向。3 种滤器的回收柱都是带有钩状结构的细管，因此回收柱处易形成低壁面剪应力区域，容易引起血脂等血细胞堆积。血液由滤器下端流入，从回收柱一侧流出，滤器背向血流冲击的一侧易形成低壁面剪应力区域，因此从流域段入口处和出口处两个不同方向看去会有明显差异。图 7 的数据显示，随着血栓直径增加，滤器壁面低剪应力区域面积占比有一定的扩大，但血栓含量的增加对其影响较小。本文设计新型滤器低壁面剪应力区域面积占比最低，其次是 Denali 滤器，Aegisy 滤器占比最高。

2.4. 血栓捕捉率

本文的数值模拟中通过滤器过滤柱和过滤丝壁面血栓相的体积分数来评价滤器对血栓的过滤和捕捉效果。数值模拟结果显示，在不同血栓含量和直径下，3 种滤器壁面上的血栓相体积分布规律大致相同。因此本文选取血栓直径 10 mm，血栓含量 10% 这一组的计算结果，通过滤器壁面上血栓相体积分布，展示滤器的捕捉血栓效果。3 种滤器壁面血栓相体积分布如图 8 所示。

图 8.

Distribution of thrombus volume fractions of three kinds of filters

3 种滤器壁面血栓相体积分布

3 种滤器过滤柱和过滤丝壁面平均血栓相体积分数如表 1 所示。

表 1. Average thrombus volume fraction of filter column and filter wire.

滤柱和滤丝部分平均血栓相体积分数

滤器种类	血栓直径	平均血栓相体积分数
		血栓含量 10%	血栓含量 20%	血栓含量 30%
Denali 滤器	5 mm	10.8%	20.8%	31.4%
	10 mm	67.5%	72.5%	75.0%
	15 mm	68.3%	74.2%	80.9%
Aegisy 滤器	5 mm	63.3%	67.2%	72.8%
	10 mm	71.1%	73.3%	75.6%
	15 mm	73.3%	75.0%	76.7%
本文设计新型滤器	5 mm	31.5%	32.2%	40.4%
	10 mm	59.6%	61.1%	71.5%
	15 mm	61.9%	63.3%	72.2%

从图 8 可以看出，各个滤器过滤柱、过滤丝、回收柱部分捕捉较多血栓，支撑柱部分也有一定的捕捉量。表 1 的数据显示，滤器对直径和含量较大的血栓捕捉效果较好。3 种滤器对 10 mm、15 mm 大直径血栓的捕捉率明显优于 5 mm 小直径血栓。从结构上看，3 种滤器过滤部分的过滤柱和过滤丝的间隙相对于 10 mm 和 15 mm 直径的血栓较小，易于捕捉。血栓直径为 5 mm 时，Aegisy 滤器和本文设计新型滤器对血栓的捕捉效果优于 Denali 滤器。Denali 滤器过滤部分结构较为简单，而 Aegisy 滤器和本文设计的新型滤器都有双层过滤柱，且滤柱和滤丝分布较密，因此捕捉小直径血栓的几率更大。

2.5. 体外实验

在本文实施的体外实验中，每个滤器对每种直径的栓子都实施 5 组捕捉实验，测得平均血栓捕捉率如表 2 所示。

表 2. Total number of thrombus traps and capture rates of three kinds of filters in vitro experiments .

3 种滤器体外实验捕捉血栓栓子总数及捕捉率

滤器种类	捕捉血栓总数（捕捉率）
	血栓直径 5 mm	血栓直径 10 mm	血栓直径 15 mm
Denali 滤器	15（60%）	23（92%）	25（100%）
Aegisy 滤器	18（72%）	24（96%）	25（100%）
本文设计新型滤器	20（88%）	24（96%）	25（100%）

本文的体外实验中 15 mm 直径的血栓全部可以被捕捉，10 mm 直径血栓 90% 以上都可被捕捉。10 mm 和 15 mm 血栓的捕捉率与数值模拟分析的规律大致相似。对于 5 mm 直径的血栓本文设计新型滤器捕捉率最好，Aegisy 滤器其次，Denali 滤器捕捉最少。不同于数值模拟结果的是，体外实验中本文设计新型滤器的血栓捕捉效果比 Aegisy 滤器好，而且血栓捕捉效果的体外实验结果普遍优于有限元分析的结果。

3. 讨论

血栓是一种密度比血液大的病理物质。血栓的密度与血液的密度以及血栓形成的时间相关。不同患者的血液密度都不相同。离体血栓的密度随血栓形成时间延长呈正相关，体内的血栓随形成时间的延长有可能被软化、吸收，也有可能钙化。本研究只考虑腔静脉滤器植入血管后初期的血栓捕捉率，选取血栓形成早期的密度，将血栓简化为一种虚拟的与血液不相容且粘度较血液稍大的流体。

体外实验血管选用了按照真实人体下腔静脉血管 3D 打印而成的人工血管模型，与已有的测试滤器性能的体外模型相比，可更好地还原下腔静脉的真实环境^[19-20]。体外实验中，15 mm 直径的血栓可全部被捕捉，10 mm 的血栓捕捉率高于 90%，均明显高于 5 mm 血栓的捕捉率，这一结果也验证了数值模拟的正确性。血栓捕捉率的体外实验结果普遍优于有限元分析的结果，可能由于体外实验测试的血栓量不够多，且血栓被处理为形状较为规则的球状颗粒，血液选用了生理盐水代替等有关，与实际的人体情况有差异，对实验结果造成了一定的影响。本研究只对 3 种腔静脉滤器的血栓捕捉效果进行了初步探讨和评价。

4. 结论

（1）腔静脉滤器的植入会增大血流的出口速度，可改善血栓引起的血液流动缓慢的现象。但是滤器植入会增加流域段的出入口压差，使血液对血管壁面形成一定冲击，易造成血管内膜破损。对比 3 种滤器的分析结果，Denali 滤器对血流的干扰最小，本文设计新型滤器优于 Aegisy 滤器。

（2）低壁面剪应力易造成血液滞留，形成血栓。本文设计新型滤器低壁面剪应力区域面积占比明显小于另外两种滤器的占比，血栓形成的可能性变小，说明本文设计新型滤器植入后可降低血管内血栓形成的风险，比 Denali 滤器和 Aegisy 滤器具有一定的优势。

（3）从体外实验结果和数值模拟结果综合来看，3 种腔静脉滤器对大直径血栓都有良好的捕捉效果，本文设计新型滤器与 Denali 滤器相比，有更好的过滤小直径血栓的效果，该结果表明本文设计新型滤器在小直径血栓治疗中有望发挥作用，或可具有更好的治疗效果。

Funding Statement

国家自然科学基金项目（51565045）