計(jì)算流體力學(xué)在主動脈瓣狹窄中的應(yīng)用及研究進(jìn)展*

劉毅，鄧麗，曹勇

（1.廣東醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，廣東 湛江 524000；2.高州市人民醫(yī)院 體外循環(huán)科，廣東 高州 525200；3.高州市人民醫(yī)院 心血管外科一區(qū)，廣東 高州 525200）

主動脈瓣狹窄（aortic stenosis,AS）是常見的心臟瓣膜疾病，阻礙血液進(jìn)入體循環(huán)，起病隱匿且潛伏時間長，病情發(fā)展甚至導(dǎo)致患者心力衰竭、增加患者的死亡風(fēng)險(xiǎn)。對于AS 患者來說，主動脈瓣瓣膜狹窄嚴(yán)重程度是AS 患者死亡率的重要影響因素之一；同時也是影響臨床決策的重要因素之一［1］。因此，準(zhǔn)確判斷AS 嚴(yán)重程度至關(guān)重要，AS嚴(yán)重程度評估的金標(biāo)準(zhǔn)是血流動力學(xué)指標(biāo)［2］。常規(guī)獲取血流動力學(xué)指標(biāo)的手段主要有超聲心動圖、磁共振成像、CT 血管造影等，但都具有局限性。近年來，基于計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics,CFD）無創(chuàng)性地獲得血流動力學(xué)指標(biāo)的方法受到廣泛關(guān)注，CFD 在AS 的診斷、術(shù)前解剖及血流動力異常評估、手術(shù)效果及預(yù)后評估方面有諸多優(yōu)勢，相信隨著多學(xué)科之間交叉應(yīng)用，CFD技術(shù)會給更多的AS 患者帶來福音。

1 主動脈瓣狹窄概述

AS 是十分常見的瓣膜疾病，其發(fā)病率隨年齡增長而升高。近年來，隨著社會人口老齡化的加劇，該病患者不斷增加。目前其公認(rèn)的病因主要包括瓣膜退行性變?nèi)玮}化、風(fēng)濕熱、先天瓣葉畸形如二葉式主動脈瓣［3］（bicuspid aortic valve,BAV），65 歲以上患者中鈣化性主動脈瓣狹窄是主要類型，30%～40%的患者因外科高危因素不適合進(jìn)行主動脈瓣置換術(shù)。我國AS 不同于西方國家的是風(fēng)濕性心臟瓣膜病及BAV 是AS 的主要病因。研究表明實(shí)驗(yàn)組AS 患者瓣環(huán)直徑、升主動脈連接處直徑、升主動脈直徑比對照組大，這說明主動脈瓣狹窄患者主動脈根部擴(kuò)張；左室流出道直徑、主動脈瓣和二尖瓣之間纖維結(jié)構(gòu)距離增大，說明左室流出道變長擴(kuò)張、室間隔變厚［4］。AS 局部血流改變表現(xiàn)為渦流、高壓、低壁面切應(yīng)力、振蕩的壁面切應(yīng)力等。

2 主要的治療手段及效果評價(jià)

目前AS 的藥物治療效果不佳，主要治療方式是非藥物治療，包括主動脈瓣膜成形術(shù)、外科主動脈瓣膜置換術(shù)（surgical aortic valve replacement,SAVR）、經(jīng)皮穿刺球囊主動脈瓣成形術(shù)、經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置入術(shù)（transcatheter aortic valve implantation,TAVI）、經(jīng)導(dǎo)管瓣膜置換術(shù)（transcatheter aortic valve replacement,TAVR）。SAVR 的優(yōu)點(diǎn)是療效確切，但創(chuàng)傷大、風(fēng)險(xiǎn)高，因而很多患者因高齡、心功能差及合并其他并發(fā)癥而放棄行外科治療。TAVI 是近十余年介入心臟病學(xué)發(fā)展最為迅捷的技術(shù)之一，它是一種不需要開胸和體外循環(huán)的介入治療技術(shù)，當(dāng)患者因存在手術(shù)禁忌、高齡、左心功能差或合并其他重要疾患等，不適合進(jìn)行SAVR 時，TAVI 有較好的有效性。TAVI 的相對禁忌證有術(shù)中及術(shù)后瓣周漏、瓣膜裝置擴(kuò)張不均、生物瓣葉早期退化、升主動脈夾層等不良事件［5］。TAVR 是近年來發(fā)展起來的新型技術(shù)，主要用于鈣化性主動脈瓣膜疾病患者的治療。

3 AS 的常規(guī)診斷方法

3.1 經(jīng)胸超聲心動圖

眾多周知，超聲心動圖是證實(shí)心臟瓣膜病診斷及評估瓣膜狹窄嚴(yán)重程度的首選方法，它可以觀察瓣葉數(shù)量（二葉或三葉）、測量主動脈瓣環(huán)、左心室流出道、主動脈竇部和升主動脈內(nèi)徑等［6］。經(jīng)胸超聲心動圖（transthoracic echocardiography,TTE）是了解主動脈根部功能的常用方法，具有無創(chuàng)、簡單、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但其檢查受患者透聲條件、探頭位置、操作者自身等影響，且無法觀察到冠狀動脈開口，因而應(yīng)用受限。

3.2 CT 血管造影

CT 血管造影（computed tomography angiography,CTA）是臨床應(yīng)用極廣的一種解剖學(xué)評估手段，CT 檢查具有檢查速度快、技術(shù)要求相對較低、價(jià)格相對低廉等優(yōu)勢，CTA 圖像可以提供高分辨率的房室鈣化主動脈狹窄的解剖數(shù)據(jù)，可以評估鈣化的數(shù)量，但時間分辨率有限，不能提供血流動力學(xué)數(shù)據(jù)，如主動脈瓣區(qū)壓降等［7］。近年來為改變這一局限性，更多的研究著力于將CTA 與CFD 結(jié)合，基于CTA 圖像數(shù)據(jù)，利用CFD技術(shù)進(jìn)行模擬仿真，獲得血流動力學(xué)數(shù)據(jù)。TAYLOR 等［8］、QIN 等［9］研究結(jié)果表明，基于CTA 的CFD 方法可準(zhǔn)確獲取靶目標(biāo)的血流動力學(xué)參數(shù)如血流儲備分?jǐn)?shù)（FFR），并將其應(yīng)用于心血管狹窄、心臟重建等的診斷與分析之中，具有較好的前景。

3.3 心臟磁共振成像

心臟磁共振（cardiac magnetic resonance,CMR）成像是臨床評價(jià)心臟結(jié)構(gòu)和功能的重要無創(chuàng)性技術(shù)，也是評價(jià)心功能的金標(biāo)準(zhǔn)。近年來在相位對比（phase contrast,PC）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的四維血流成像技術(shù)（4D Flow），可以動態(tài)多方向、多部位地采集血流數(shù)據(jù)，并計(jì)算血流量、血流速度、壁面切應(yīng)力等信息［10-11］。但是因其對設(shè)備要求高、成像難度大、技術(shù)挑戰(zhàn)高、時間分辨率相對低、圖像易產(chǎn)生成像偽影，因此應(yīng)用受限。還需要進(jìn)一步提高時間和空間分辨率及進(jìn)一步的研究來驗(yàn)證利用4D Flow 分析提供的血流動力學(xué)信息來對風(fēng)險(xiǎn)分層、跟蹤疾病及評價(jià)治療效果的可行性［12］。與CTA 一樣，未來CMR 與CFD 的結(jié)合，可能是更受歡迎的一種技術(shù)手段。

如前所述，常規(guī)診斷方法如TTE 側(cè)重于對心臟功能性的評價(jià)，而CT 側(cè)重于對心臟解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估［13］，且具有時間和空間上的局限性，總體而言已提供了相當(dāng)豐富的參數(shù)。但隨著個體化手術(shù)理念的普及，解剖與功能的結(jié)合及手術(shù)的虛擬設(shè)計(jì)（基于建模和流體仿真）受到國內(nèi)外手術(shù)術(shù)者的青睞，CFD 正是一種介于數(shù)學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)之間的交叉學(xué)科，通過計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法來求解流體力學(xué)的控制方程，對流體力學(xué)問題進(jìn)行模擬和分析，從而獲得目標(biāo)結(jié)構(gòu)的流體力學(xué)指標(biāo)，因此受到廣泛關(guān)注，應(yīng)用極廣。

4 影像學(xué)圖像的后處理及CFD 的基本步驟

影像學(xué)圖像如CTA 圖像無法進(jìn)行血流動力學(xué)分析，需要后處理得到可用于CFD 計(jì)算的三維幾何模型，此過程即CTA 的三維重建，每位患者的CTA 圖像均需后處理，圖像處理的內(nèi)容包括閾值分割法、區(qū)域生長分割法、中心線生成，下圖中流場模型即為處理后的靶目標(biāo)的幾何模型。CFD的處理過程大致包括三個部分：前處理，包括幾何模型地選取和網(wǎng)格劃分；求解器，包括確定計(jì)算流體力學(xué)方法的控制方程，選擇離散方法進(jìn)行離散，選用數(shù)值計(jì)算方法，輸入相關(guān)參數(shù)；后處理，包括速度場、壓力場、溫度場及其它參數(shù)的計(jì)算機(jī)可視化及動畫處理［14］。具體流程見圖1。

圖1 CFD 方法的基本步驟

5 網(wǎng)格化與邊界條件

網(wǎng)格化的實(shí)質(zhì)是將流場離散化，使流場模型成為有限元，目的是將流體基本偏微分方程離散為易于求解的差分方程［15］。設(shè)定邊界條件，CFD方法的實(shí)質(zhì)是求解流體的基本偏微分方程組，想要得到偏微分方程組的定解，方程就必須要有附加條件。實(shí)質(zhì)上，邊界條件就是對偏微分方程的一組限制條件，它使得該方程有收斂性的解，而最常用的附加條件就是邊界條件，邊界條件可來源于超聲心動圖、相位對比磁共振（PC-MRI）、CMR 等獲得的血流流量數(shù)據(jù)。

6 計(jì)算方法

CFD 常用的計(jì)算方法有納維-斯托克斯（Naiver-Stokes）方程［16］，格子玻爾茲曼方法（lattice Boltzmann method,LBM）［17-18］方法，大渦模擬（large eddy simulation,LES）［19］方法，層流、湍流假設(shè)等。其中，流固耦合法（fluid–structure interaction,FSI）是較適合模擬心臟血流的方法，因?yàn)樾难芟到y(tǒng)是血流與周圍結(jié)構(gòu)相互作用的系統(tǒng)，在研究心臟血流動力學(xué)的過程中不能忽視流體域與結(jié)構(gòu)域的相互作用，有限元分析方法只考慮結(jié)構(gòu)域，忽視了流體在模擬中的影響；CFD 也無法研究結(jié)構(gòu)域?qū)α黧w的影響［20］。而流固耦合法（FSI）結(jié)合了CFD 和有限元分析方法，以患者自身的MRI 或CT 數(shù)據(jù)重建模型，能夠獲取一些不易測量的血流指標(biāo)（如壁面切應(yīng)力）［21］，因此，具有高度的特異性。

7 CFD 在AS 中的應(yīng)用

7.1 CFD 在評估主動脈瓣血流動力學(xué)方面的應(yīng)用

HOEIJMAKERS 等［22］利用高保真CFD 模擬建立元模型，將重建幾何模型的元模型和CFD 模擬結(jié)果與分段網(wǎng)格的CFD 模擬結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)形狀模型（SSM）可用于主動脈瓣形狀變化的監(jiān)測。基于SSM 的CFD 模擬訓(xùn)練的元模型可以實(shí)時估算壓力－流量關(guān)系。HELLMEIER 等［23］僅使用患者術(shù)前解剖數(shù)據(jù)與4D flow MRI 數(shù)據(jù)進(jìn)行CFD模擬，發(fā)現(xiàn)其可以很好地估計(jì)生物瓣膜的壓力梯度和速度，并評估不同瓣膜假體尺寸對患者術(shù)后壓力梯度升高的風(fēng)險(xiǎn)程度及術(shù)后瓣膜假體的性能。同樣，HELLMEIER 等［15］基于患者特異性MRI 的CFD 模擬，獲得了可靠的生物瓣膜和機(jī)械瓣膜置換術(shù)后的主動脈血流動力學(xué)指標(biāo)，有助于臨床醫(yī)生優(yōu)化手術(shù)決策并提供額外的指導(dǎo)。CFD 在評估主動脈瓣血流動力學(xué)方面的研究獲得了長足的進(jìn)展，為臨床醫(yī)師及患者帶來了諸多便利，但主動脈根部是一個整體，以往研究大都只應(yīng)用了患者術(shù)前影像學(xué)數(shù)據(jù)，如何全面利用術(shù)前術(shù)后患者的解剖及影像學(xué)數(shù)據(jù)來進(jìn)行CFD 模擬是今后需要解決的問題。

7.2 CFD 在估計(jì)主動脈瓣瓣膜狹窄程度方面的應(yīng)用

HOEIJMAKERS 等［24］利用18 名患者的CT 影像資料建立相應(yīng)血流模型，提出“瓣膜阻力指數(shù)”的概念，用于量化瓣膜的狹窄程度，并與臨床決策的既定指標(biāo)，如血流速度和瓣膜面積進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)只有將4D 成像數(shù)據(jù)與CFD 相結(jié)合，才能提供一種與生理學(xué)相關(guān)的診斷指標(biāo)來量化AS 的嚴(yán)重程度。而且簡化的CFD 模型可預(yù)測在給定流量下主動脈瓣的壓降值。不足之處是，在低流量條件下，對邊界條件的簡化可能是不合理的，應(yīng)該考慮更近似生理的準(zhǔn)確地流入邊界條件。FU?íK等［17］使用CFD 模型，運(yùn)用LBM 方法，研究了PC-MRI 測量AS 湍流的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明在高水平的湍流下嚴(yán)重瓣膜狹窄的后向流被低估。而且，LBM 方法與CFD 技術(shù)的結(jié)合，還能夠解決中重度AS 的分級問題。

7.3 CFD 在瓣膜設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用

XU 等［25］應(yīng)用心電門控CTA 和PC-MRI 對一位69 歲患者的主動脈瓣區(qū)進(jìn)行了幾何建模，然后參數(shù)化瓣葉的幾何形狀，并使用參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺和FSI，模擬在生理?xiàng)l件下變形的主動脈根部、參數(shù)化設(shè)計(jì)的假體瓣膜和周圍血流的耦合。通過參數(shù)化，研究了幾何形狀對心臟瓣膜性能的影響。最后，將這一性能最佳的假體瓣膜的模擬結(jié)果與來自患者的PC-MRI 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明升主動脈血流模式的定性相似性。研究表明該方法可能創(chuàng)造出更有效的瓣膜設(shè)計(jì)，并減少病人的假體失配。需要改進(jìn)的是如何自動探索設(shè)計(jì)空間，在無需手動選擇候選瓣膜和分析人員檢查結(jié)果的情況下找到最優(yōu)的瓣膜設(shè)計(jì)。

7.4 CFD 在計(jì)算機(jī)虛擬手術(shù)中的應(yīng)用

HOHRI 等［26］報(bào)道了一例升主動脈再狹窄，雙側(cè)冠狀動脈動脈瘤和左心室壁高度增厚的病例。一位38 歲的女性患者，8 歲時曾接受先天性瓣上AS 修復(fù)術(shù)，研究人員利用CFD 的計(jì)算機(jī)虛擬手術(shù)預(yù)測術(shù)后血流動力學(xué)，成功為其進(jìn)行了原位冠狀動脈重建術(shù)。表明計(jì)算機(jī)虛擬手術(shù)及CFD 模擬可以幫助外科醫(yī)生預(yù)測術(shù)后冠狀動脈流量，幫助臨床醫(yī)生術(shù)前制定手術(shù)策略，確定最佳移植設(shè)計(jì)，提高手術(shù)成功率。這種方法主要的局限性在于不能將術(shù)后生理參數(shù)的變化納入CFD 計(jì)算中，還需要進(jìn)一步的研究來解決這一問題。盡管如此，采用CFD 模擬的計(jì)算機(jī)虛擬手術(shù)仍是確定冠狀動脈重建手術(shù)策略的唯一方法。

8 CFD 存在的問題與不足

CFD 在分析血流、指導(dǎo)AS 治療中的應(yīng)用，顯示出其在預(yù)測疾病進(jìn)展、手術(shù)干預(yù)效果和指導(dǎo)患者治療方面的良好前景。但是目前CFD 在AS 的應(yīng)用中存在的問題有：①尚未在大型多中心臨床試驗(yàn)中驗(yàn)證其有效性［27］。使用臨床成像工具（如4D Flow MRI）作為CFD 計(jì)算結(jié)果獨(dú)立驗(yàn)證的研究極少，只有21%的研究使用臨床影像學(xué)作為驗(yàn)證CFD 結(jié)果的工具［25］，這使得以往的研究結(jié)果的異質(zhì)性和偏倚很高，從而影響基于CFD 方法的臨床決策。②利用患者特異性影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行主動脈瓣建模和分析過程中如圖像采集、圖像分割、幾何重建、網(wǎng)格生成、數(shù)值模擬，這些步驟產(chǎn)生的誤差，以及舍入誤差、迭代誤差、收斂誤差、CFD問題的數(shù)值不穩(wěn)定性和收斂準(zhǔn)則都是數(shù)值模擬存在的問題。③急需在觀察試驗(yàn)中證明其計(jì)算結(jié)果與侵入性測量結(jié)果具有等效性。

正如CEBRAL 等［28］、MORRIS 等［27］所建議的那樣，臨床醫(yī)生和工程師之間需要進(jìn)行多學(xué)科協(xié)作，以了解數(shù)值模擬的原理、近似、假設(shè)和局限性，以便在臨床決策中利用CFD 結(jié)果［29-30］。未來CFD 應(yīng)當(dāng)是朝著多學(xué)科協(xié)作，建立大的數(shù)據(jù)庫，逐漸減少參數(shù)的方向發(fā)展。

9 結(jié)語與展望

CFD 在AS 中的應(yīng)用還不夠成熟，盡管CFD已經(jīng)初步證明在AS 的治療過程中有巨大的優(yōu)勢，但基于CFD 的AS 研究案例較少，而這些案例本身就存在偏差，無法產(chǎn)生強(qiáng)有力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。此外，這些研究是基于單中心單人群數(shù)據(jù)，這使得結(jié)果不完全客觀而影響推廣。其次，文獻(xiàn)中出現(xiàn)繁雜的血流動力學(xué)參數(shù)，易使人困惑，雖然這是探索一個新研究領(lǐng)域不可避免的情況，但改變目前病例少、小組孤立、缺乏對重建模型進(jìn)行驗(yàn)證的現(xiàn)狀，需要跨學(xué)科協(xié)作，加入物理學(xué)，如結(jié)構(gòu)動力學(xué)、聲學(xué)、機(jī)電和生物化學(xué)［19］，也必須利用計(jì)算機(jī)的新興趨勢，獲取大量臨床數(shù)據(jù)［28］，仍將是CFD 方法未來發(fā)展的方向。