窦管交界锥度对生物瓣影响的脉动流实验研究

Abstract

The aim of the present experimental study is to determine the effects of sinotubular junction diameter on artificial bioprosthesis valves. An experimental study was performed for aortic root models with different sinotubular junction taper under pulsatile flow condition. The sinotubular junction diameters were modified to create four models with different sinotubular junction tapers with 0, 1, 3 and 5 degrees, respectively, using three dimensional printing techniques. After installing the testing bioprosthesis valve on the aortic root models, we conducted experiments of the pulsatile flow testing with different stroke volume in the pulsatile circulation simulation system. The testing condition was set at the pulse frequency of 70 beats/min and the stroke volume of 2–7 L/min. The status of the valves in 10 continuous pulse cycles was tested and the average results were obtained for each stroke volume. The results of testing showed that the mean transvalvular pressure gradients agreed well with the national standard, and all smaller than 10 mm Hg. The sinotubular junction taper had an influence on regurgitation fraction of the artificial bioprosthesis valve. The smaller sinotubular junction taper showed beneficial effect to decrease the regurgitation fraction. In the case of smaller stroke volume, the smaller sinotubular junction taper was beneficial to increase the effective valve orifice area. In the case of larger stroke volume, the larger sinotubular junction taper was beneficial to increase the effective valve orifice area. This study indicates that a doctor should consider the smaller sinotubular junction taper in the case of smaller stroke volume more. In the case of larger stroke volume, the doctor should consider the larger sinotubular junction taper more.

引言

正常的主动脉根部解剖结构对于维持主动脉瓣功能的正常是十分重要的。主动脉根部的任何一部分发生病理改变，均可以导致主动脉瓣功能的异常，引起主动脉瓣病变。窦管交界的尺寸变化会影响到主动脉瓣的关闭功能。在进行大动脉调转手术的过程中，窦管交界吻合部位容易形成湍流，这种有害的湍流将导致由主动脉吻合部位向主动脉窦延伸的瘤样扩张，从而致使术后远期主动脉窦及窦管交界失去正常几何形态，引发主动脉瓣产生返流^[1-2]。临床上进行大动脉调转术、主动脉瓣修复术以及瓣膜置换术^[3-4]等手术时，对于窦管交界的几何构型和尺寸选择，主要是来自于临床医生的经验，而窦管交界尺寸的选择对于人工主动脉瓣膜关闭性能的影响需要进一步的分析，指导以证据为基础的手术决策。

近来关于主动脉窦管交界几何尺寸对主动脉瓣关闭不全的影响，国内外相关学者有了一定的数值模拟研究。Conti 等^[5]利用得到的磁共振成像图像重建得到 10 位正常人的主动脉根部有限元模型，模拟在心动周期中主动脉的运动状态，提出主动脉的根部、瓣叶和窦部解剖结构的差异是导致不同的主动脉瓣叶应力和应变分布状态的重要原因。Gharaie 等^[6]利用流固耦合的方法研究一种新型聚合物主动脉瓣的血流动力学性能，并认为该方法可以为新型人工心脏瓣膜的设计及优化提供帮助。Haj-Ali 等^[7]建立了包括主动脉根部、瓣叶、窦部的流固耦合模型，研究不同窦管交界直径与瓣环直径之比对于主动脉瓣血流动力学和瓣叶组织力学的影响。Marom 等^[8-9]认为窦管交界直径和瓣环直径的改变会造成主动脉的血流动力学情况和瓣叶组织力学状态的异常。Weltert 等^[10]建立了不同的窦管交界直径与瓣环直径尺寸比值的主动脉根部模型，研究该变化对于主动脉瓣所产生的影响，并认为窦管交界直径扩张和瓣环直径扩张会对瓣叶的关闭状态产生影响，在制定手术方案时要给予更多的考虑。本团队^[11]建立了 6 种不同窦管交界直径和窦部直径尺寸之比的升主动脉窦部的三维有限元模型，提出窦管交界比窦部直径变化对瓣环直径的影响更大。这些研究利用数值模拟计算的方法，说明窦管交界的几何尺寸构型对于主动脉瓣关闭性能存在着重要影响。但是上述数值模拟研究无法获得主动脉瓣在脉动流状态下的运动状态，以及对于衡量瓣膜性能很重要的跨瓣压差、有效开口面积、返流百分比、通过瓣膜的流量等参数。

Nötzold 等^[12]通过体外实验的方法研究几种无支架主动脉瓣膜窦管交界扩张与主动脉瓣返流的关系提出，与异种移植物相比，主动脉瓣同种移植物具有较高阻力，可以减小窦管交界直径扩张产生的返流。汤京龙等^[13]利用脉动流实验装置研究新型介入瓣膜的适应性，并提出介入瓣的外形、结构、固定方式和手术方法等方面与传统的心脏瓣膜存在明显的区别。需根据其自身的特点，采用适当的方法来评价介入瓣膜的性能。Vismara 等^[14]使用脉动流装置研究猪心二尖瓣在内部和外部压力条件下的血流动力学特性，并认为该方法可以用于研究二尖瓣的生理学和病理学特性。褚银平等^[15]使用脉动流模拟循环装置对几种人工机械心脏瓣膜的开启状态进行可视化评价，发现人工机械型心脏瓣膜在体外脉动循环模拟状态下存在瓣膜开启角度不完全的现象；双叶型机械瓣在开启过程中存在开放不同步、瓣膜出现抖动的现象。Maselli 等^[16]用体外实验的方法研究主动脉瓣环和窦管交界直径尺寸比值的改变对主动脉瓣根部和主动脉瓣功能的影响，提出主动脉瓣再次植入手术中可以通过优化窦管交界尺寸实现对主动脉瓣功能和瓣叶对合性能的优化。上述研究表明离体实验是一种有效的研究方法。

利用离体实验可以得出主动脉瓣的血流动力学特征，以及瓣叶的形态变化、瓣叶的关闭时间和关闭状态等生物力学参数，可以更全面地得到主动脉瓣的血流动力学参数和生物力学参数，如瓣膜压力、开口面积、返流量等。但是上述实验研究并没有模拟不同的心输出量情况下，不同窦管交界尺寸对于主动脉瓣膜关闭性能的影响。由于心输出量与患者的年龄、体表面积、身体状态等因素有关，医生针对患者的不同情况需要进行个性化的手术规划，因此模拟在不同心输出量情况下不同窦管交界尺寸对于人工主动脉瓣膜性能的影响是十分必要的。

针对上述前人研究中存在的问题，本文的主要目的是运用体外脉动流实验系统，以人工生物瓣膜作为实验对象，模拟在不同心输出量的情况下，通过改变窦管交界处的锥度角，研究不同窦管交界直径对人工主动脉瓣膜性能的影响；通过评价生物瓣膜的有效开口面积、跨瓣压差和返流百分比，来评价窦管交界不同锥度角对人工生物瓣膜性能的影响，为临床手术规划提供依据。

1. 方法

1.1. 模型制作

利用三维打印快速成型技术，制作窦管交界锥度分别为 0 度（模型 a）、1 度（模型 b）、3 度（模型 c）和 5 度（模型 d）的主动脉根部模型（如图 1 所示）。模型尺寸如表 1 所示。

图 1.

Model of sinotubular junction taper

锥度模型示意图

表 1. Size of sinotubular junction taper model.

锥度模型尺寸

模型	锥度角/ 度	主动脉瓣口直径/ mm	窦管交界直径/ mm	瓣环直径/ mm
a	0	31.300	31.300	36.000
b	1	31.300	31.925	36.000
c	3	31.300	33.176	36.000
d	5	31.300	34.432	36.000

1.2. 人工心脏瓣膜

本文采用 Hancock II 型 31 mm 的生物瓣膜进行脉动流实验。实验采用的生物瓣膜尺寸为（31±0.5）mm，孔径直径为（28±0.5）mm，缝合环直径为（41±1）mm。

1.3. 脉动流实验

脉动流实验主要是用于模拟正常心脏生理条件下，动态地测试人工心脏瓣膜在体内的血流动力学特性，包括在正常生理条件范围内、不同心搏出量情况下人工心脏瓣膜的功能参数、关闭性能、有效开口面积和动态回流量等数据的测量和计算^[17]。体外脉动流模拟测试对于研究人工心脏瓣膜的血流动力学特征和改进人工心脏瓣膜的性能非常重要，所以本研究采用脉动流的实验方法进行测量。本实验在脉动流条件下检测生物瓣膜的各个特征参数，通过对比分析，评价窦管交界锥度角对瓣膜性能参数的影响。参照 GB12279-2008/ISO5840：1996 标准，采用了 Vivitro 脉动流硬件实验设备 Pulse Duplicator 以及脉动流实验配套测试软件 ViviTest^[17]。将主动脉根部锥度模型以及生物瓣安装在 Pulse Duplicator 设备上进行脉动流实验。将心率设定为 70 次/分，脉动流流动速率分别为 2～7 L/min。在一定脉动流流动速率条件下测试 10 次瓣膜并取其平均值。测试瓣膜的主要参数有：① 跨瓣压差；② 返流百分比；③ 有效开口面积。

人工心脏瓣膜的跨瓣膜压差是指血流经过人工瓣膜时，由于瓣口对血流的阻滞作用所产生的压力阶差。它是评价人工心脏瓣膜功能最重要的血流动力学参数之一。在人工心脏瓣膜的研制中，跨瓣压差的大小直接影响单位时间的过瓣膜血流量，可以反映心脏受到的阻力情况，跨瓣压差越小越好，接近于零是最理想的^[16]。一般认为，正常的跨瓣压差应小于 40 mm Hg，而国内标准要求跨瓣压差需小于 10 mm Hg^[18-19]。本实验在 Pulse Duplicator 设备模拟的心室心房和主动脉处分别有压力测量点，安装有压力传感器。将压力传感器采集的压力数值，传输到 ViviTest 软件中进行处理计算，得到瓣膜的跨瓣压差。

植入体内的人工心脏瓣膜在开启和关闭时都存在血液返流的现象。关闭返流量是指人工心脏瓣膜在关闭过程中，主动脉的血液返流回左心室的血流量。在瓣膜关闭状态下存在的血液返流即为泄漏，是决定人造心脏瓣膜性能的主要指标。血液泄漏可以造成较高的剪切应力，导致呈喷射状的混合层血流；不仅会引起血细胞的破坏，同时也是血栓形成的原因之一^[18]。人工心脏瓣膜的返流量是指关闭返流量与泄漏量之和；而返流量与心输出量的百分比，则称为返流百分比。目前认为可以接受的返流百分比为 10%。返流量的增大会增加心脏能量的损失；在满足体内一定供血量的条件下，会给心脏增加更多的泵血负担^[17]。本实验在安装的瓣膜附近设有流量计测量点，利用流量计测量得出瓣膜附近的流量变化；在 ViviTest 软件中对得到的测量值进行计算处理，得出瓣膜的返流百分比。

由于正常心脏瓣膜的开启口径和人工心脏瓣膜瓣叶的瓣环口径并不相同，所以人工心脏瓣膜的有效开口面积取决于瓣口开启口径、压力差与心脏功能的因素^[17]。本文采用的计算有效开口面积的方法为 Gorhn 公式^[17]：

1

其中 EOA 为有效开口面积， 为均方根流量，ΔP 为平均跨瓣压差，C_d 为流动常数，ρ 为流体密度。

Gorhn 公式利用压力与流量进行计算，其值高度依赖于跨瓣压差和流量^[15]。本文根据测量得出的瓣膜附近的流量和跨瓣压差变化，利用 Gorhn 公式在 ViviTest 软件中计算处理，得出瓣膜的有效开口面积。

2. 结果

2.1. 跨瓣压差

脉动流实验测出的不同锥度角模型在不同心搏出量条件下的跨瓣压差如图 2 所示。同一锥度的主动脉根部模型，在心搏出量逐渐增加的过程中，跨瓣压差呈现先增大后减小的趋势。在不同锥度角模型之间，心搏出量为 2～4 L 以及 6 L 时，模型 a 跨瓣压差最小；在心输出量为 5 L 和 7 L 时，模型 c 跨瓣压差最小。所测的跨瓣压差均小于国内标准要求的 10 mm Hg。在心搏出量为 6 L 时，模型 a 与模型 b 的跨瓣压差变化最大，约为 25%。

图 2.

Transvalvular pressure gradients of the models with different sinotubular junction taper under the condition of different stroke volume

不同窦管交界锥度模型在不同心搏出量条件下的跨瓣压差

2.2. 返流百分比

脉动流实验测出的不同锥度角模型在不同心搏出量条件下的返流百分比如图 3 所示。同一锥度的主动脉根部模型，在心搏出量逐渐增加的过程中，返流百分比呈现逐渐减小的趋势。在不同锥度角模型之间，随着心搏出量的增加，模型 b 的返流百分比较低，而模型 c 的返流百分比较高。在心搏出量为 7 L 时，模型 b 与模型 c 的返流百分比变化最大，约为 54%。

图 3.

Regurgitation fraction of the models with different sinotubular junction taper under the condition of different stroke volume

不同窦管交界锥度模型在不同心搏出量条件下的返流百分比

2.3. 有效开口面积

脉动流实验测出的不同锥度角模型在不同心搏出量下的有效开口面积如图 4 所示。同一锥度的主动脉根部模型，在心搏出量逐渐增加的过程中，有效开口面积呈现逐渐增加的趋势。而在不同锥度角模型之间，心搏出量为 2～4 L 时，模型 b 的有效开口面积最高；而在心搏出量为 5 L 和 7 L 时，模型 c 的有效开口面积最高；在心搏出量为 6 L 时模型 a 的有效开口面积最高，其相比模型 c 和模型 d 的有效开口面积分别增大了 1.8% 和 1.5%。

图 4.

Effective valve orifice area of the models with diffe-rent sinotubular junction taper under the condition of different stroke volume

不同窦管交界锥度模型在不同心搏出量条件下的有效开口面积

3. 讨论

跨瓣压差的变化可以反映瓣膜在心脏内受到阻力的大小。通过跨瓣压差的分析，可以反映心脏所承受的负担变化情况。跨瓣压差越大，流经瓣膜一个单位流量所对应的跨瓣阻力也越大，因而跨瓣的能量损失也越大^[20]。本文中不同主动脉根部窦管交界锥度模型的跨瓣压差测量值均符合国内标准，均在 10 mm Hg 之内。同一锥度角模型，跨瓣压差随心搏出量的增加，呈现先增大后减小的趋势。不同锥度角模型之间，跨瓣压差有显著的变化。其中在心搏出量为 6 L 条件下，模型 a 与模型 b 的跨瓣压差变化最大，约为 25%。这说明在心搏出量一定的条件下，窦管交界锥度与跨瓣压差的变化是有关系的。不合理的窦管交界锥度可能会导致跨瓣压差的升高，导致心脏由于瓣膜跨瓣阻力的升高而承受较高的负担；长期承受较大的负担，容易诱发瓣膜和心脏发生病变。因此合理的窦管交界锥度有助于维持合理的跨瓣压差，减小由于其跨瓣阻力过大而对心脏功能造成的影响，并促使人工心脏瓣膜更接近正常主动脉瓣膜的生理状况，有利于人工心脏瓣膜更好地发挥作用。

对返流百分比而言，返流量增大会增加心脏能量的损失，因此在满足体内一定供血量的条件下，返流百分比的增大会增加心脏的泵血负担。合理的返流百分比，可以有效地降低心脏泵血时的能量损失，减轻心脏的负担，有利于降低由于血液泄漏而产生的剪切应力，降低血栓形成的概率^[18-19]。在进行瓣膜手术的过程中，合理地选择窦管交界锥度尺寸，有利于降低返流百分比，获得更好的手术效果。本文中，不同锥度角主动脉根部模型之间，返流百分比存在明显的不同。其中，模型 b 的返流百分比相比于其他的锥度角模型要小，模型 c 的返流百分比较高。而在心搏出量为 7 L 时，模型 b 与模型 c 的返流百分比变化最大，约为 54%。因此，锥度角的大小对返流百分比的变化是存在影响的。较小的锥度角有助于返流百分比的下降，有助于减轻心脏的泵血负担，减少心脏能量的损失。

有效开口面积是衡量人工心脏瓣膜的重要指标。有效开口面积越大，瓣膜打开程度越高，人工心脏瓣膜的开启效果越好。本文脉动流实验得出的不同锥度角主动脉根部模型在心搏出量由 2 L 至 7 L 的增加过程中，对于生物瓣的有效开口面积存在影响。在心搏出量较低的情况下，模型 b 的有效开口面积最大。而在心搏出量较高的情况下，虽然心搏出量为 6 L 时模型 a 的有效开口面积最大，但是其相比模型 c 和模型 d 的有效开口面积增幅很小，且在心搏出量为 5 L 和 7 L 时，模型 c 的有效开口面积最大。由此，本文认为在较高心搏出量的情况时，较大的主动脉窦管交界锥度有利于有效开口面积的增大，而在心搏出量较低的情况时，较小的主动脉窦管交界锥度有利于有效开口面积的增大。在进行瓣膜手术的过程中，应根据患者的实际情况，合理选择窦管交界锥度尺寸。对于心搏出量较小的患者，建议多考虑较小的窦管交界锥度尺寸。对于心搏出量较高的患者，建议多考虑较大的窦管交界锥度尺寸。合理制定手术方案，有助于瓣膜有效开口面积的增大，从而获得更好的瓣膜开启效果。

本文实验严格按照 ISO5840 标准和 Vivitro 脉动流实验操作规范进行实验，利用生物瓣膜作为参考，研究窦管交界锥度对于人工心脏瓣膜的影响。Weltert 等^[10]认为窦管交界扩张会增加瓣叶的应力，对瓣叶的关闭状态产生影响。我们^[11]前期研究提出窦管交界直径的变化会改变瓣叶的有效对合，从而影响主动脉瓣关闭性能。本文实验结果显示，在不同心搏出量下，不同窦管交界锥度模型之间，生物瓣的跨瓣压差、返流百分比和有效开口面积均存在差异。窦管交界锥度的变化对人工生物瓣膜的性能参数存在影响，进而会影响瓣膜手术效果。所以对于不同的患者，合理地选择窦管交界尺寸是十分必要的。本文实验结果对于窦管交界尺寸的选择有一定的指导作用，可为临床手术规划提供参考。但由于本文采用的是理想模型进行实验，未考虑冠状动脉的影响，也没有完全模拟心脏的真实环境，同时本实验模型并未考虑主动脉的材料特性，因此可能对实验结果存在一定的影响，应在后续实验研究中给予考虑。

4. 结论

本文严格依据 ISO5840 标准和 Vivitro 脉动流实验操作规范进行实验；通过脉动流实验测量不同主动脉根部窦管交界锥度模型对于人工生物瓣膜性能的影响；利用跨瓣压差、返流百分比和有效开口面积评价其对生物瓣性能的影响。不同主动脉根部窦管交界锥度模型的跨瓣压差测量值符合国内标准，均在 10 mm Hg 之内。窦管交界锥度与返流百分比之间是相关联的。较小的窦管交界锥度有利于返流百分比的下降。不同的窦管交界锥度尺寸对于有效开口面积的变化存在影响。在心搏出量较小的情况下，较小的窦管交界锥度尺寸有利于有效开口面积的增大；在心搏出量较大的情况下，较大的窦管交界锥度尺寸有利于有效开口面积的增大。在临床手术过程中，对于心搏出量较低的情况，建议多考虑较小的窦管交界锥度；而对于心搏出量较高的情况，建议多考虑较大的窦管交界锥度。

Funding Statement

国家自然科学基金项目（11472023，81400290）