開窗技術(shù)數(shù)值模擬在主動脈弓部病變中的應(yīng)用

毛 樂, 喬永輝, 欒靖旸, 羅 坤, 竺 挺*, 符偉國

1. 復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院血管外科，上海 200032 2. 浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027

隨著腔內(nèi)技術(shù)的發(fā)展，普通胸主動脈病變的治療多采用胸主動脈腔內(nèi)修復(fù)術(shù)(thoracic endovascular aortic repair, TEVAR)。但發(fā)生病變累及主動脈弓部及弓上分支的復(fù)雜胸主動脈病變時，因主動脈弓部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分支變異種類多，無法通過傳統(tǒng)的TEVAR手術(shù)達(dá)到治療目的。合理處理和保留弓上分支的血運(yùn)，是復(fù)雜胸主動脈病變腔內(nèi)治療的要點(diǎn)和難點(diǎn)。

2004年McWilliams等[1]首次報道運(yùn)用逆向的原位開窗技術(shù)在TEVAR術(shù)中保留左鎖骨下動脈的灌注。但結(jié)合開窗技術(shù)的TEVAR(F-TEVAR)術(shù)后，主動脈弓部血管腔內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大改變，主動脈內(nèi)的血流情況不明。血管腔內(nèi)的血流動力學(xué)情況與手術(shù)效果密切相關(guān)，獲取術(shù)后主動脈內(nèi)的血流情況可增進(jìn)醫(yī)師對手術(shù)的理解并改良操作，提高手術(shù)的近遠(yuǎn)期效果。但在實(shí)際臨床工作中，實(shí)時、精準(zhǔn)地獲取血管腔內(nèi)的血流動力學(xué)參數(shù)十分困難。依托計算機(jī)技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)技術(shù)可在無創(chuàng)情況下得到比有創(chuàng)手段(如血管造影)更多的血流動力學(xué)參數(shù)，為人體循環(huán)系統(tǒng)的生理學(xué)和病理生理學(xué)的研究提供更多信息，成為研究心血管領(lǐng)域血流相關(guān)問題的一種重要方法[2-4]。

本研究運(yùn)用數(shù)值模擬方法，建立可準(zhǔn)確模擬F-TEVAR術(shù)后血液流動的數(shù)值模型，探討影響F-TEVAR手術(shù)后血流動力學(xué)的因素，從而為改進(jìn)F-TEVAR手術(shù)技術(shù)、提高手術(shù)治療效果提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2016年11月至2019年5月復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院血管外科收治的行F-TEVAR術(shù)患者10例。其中1例術(shù)中開窗困難，中轉(zhuǎn)煙囪TEVAR術(shù)。其余9例患者中，男性8例，女性1例；年齡49～82歲，平均(65.0±9.0)歲。本研究通過復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)(Y2016-244)，所有患者均知情并簽署知情同意書。

1.2 隨訪方式 所有患者均嚴(yán)格按照隨訪計劃，在手術(shù)后1個月、3個月、6個月、12個月來院隨訪，復(fù)查胸腹主動脈CTA。滿1年后每年至少隨訪1次。

1.3 手術(shù)方法 F-TEVAR具體步驟：全身麻醉后，經(jīng)皮股動脈穿刺或腹股溝區(qū)切開，行股動脈穿刺；經(jīng)皮左肱動脈穿刺或肘窩區(qū)切開，行肱動脈穿刺。常規(guī)靜脈肝素化(60～100 U/kg)后，行胸主動脈及弓上分支造影。將主體支架開口錨定于左頸總動脈開口處，釋放主體支架，覆蓋左鎖骨下動脈開口；經(jīng)左肱動脈注射造影劑，顯示左鎖骨下動脈根部；經(jīng)左肱動脈導(dǎo)入Fu-star可調(diào)彎鞘，經(jīng)鞘管導(dǎo)入穿刺針，頭端氣囊注入造影劑確穿刺針固定于左鎖骨下動脈正中位置；反復(fù)調(diào)整DSA球管位置，確定穿刺點(diǎn)位置。扣動扳機(jī)，使穿刺針通過覆膜進(jìn)入主體支架內(nèi)，V-18導(dǎo)絲經(jīng)穿刺針進(jìn)入主動脈腔內(nèi)；退出穿刺針，沿V-18導(dǎo)絲導(dǎo)入4 mm×30 mm球囊，擴(kuò)張穿刺點(diǎn)；沿V-18導(dǎo)絲導(dǎo)入8 mm×40 mm球囊，擴(kuò)張穿刺孔；沿V-18導(dǎo)絲導(dǎo)入10 mm×50 mm覆膜支架，釋放，沿V-18導(dǎo)絲導(dǎo)入10 mm×39 mm球擴(kuò)式支架，以穿刺點(diǎn)為中心釋放。進(jìn)行胸主動脈及弓上分支造影。

1.4 數(shù)值模擬 將患者個體化數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何構(gòu)建、邊界條件設(shè)定、數(shù)值運(yùn)算等[5]。

1.5 血流動力學(xué)參數(shù)

1.5.1 血流流線 血流流線用來描述血流的方向及流速，顯示血流質(zhì)點(diǎn)在任一時間點(diǎn)上的運(yùn)動方向，可用于觀察湍流、渦流、二次流和狹窄引起的高速血流等。

1.5.2 血流量分配比(flow distribution rate, FDR) FDR反映遠(yuǎn)心端各血管血流量與升主動脈血流量的比值，公式為FDR=Q出口/入口×100%。其中，本研究設(shè)定的4個出口分別為無名動脈、左頸總動脈、左鎖骨下動脈和降主動脈。Q出口為通過這4個出口特定平面的血流量。入口設(shè)定為升主動脈，Q入口為通過入口特定平面的血流量。忽略主動脈上其余的細(xì)小分支血管，如肋間動脈。

2 結(jié) 果

2.1 圍手術(shù)期情況 10例胸主動脈病變累及弓部的患者中，9例成功，技術(shù)成功率90%(9/10)。圍手術(shù)期未出現(xiàn)腦梗死、心肌梗死等嚴(yán)重并發(fā)癥，無死亡。

2.2 隨訪結(jié)果 結(jié)果(表1)顯示：9例患者均獲得隨訪，隨訪時間為18～48個月，中位隨訪30個月。無開窗支架梗阻、無靶血管(左鎖骨下動脈)丟失；9例患者雙上肢血壓壓差均小于30 mmHg；再干預(yù)率為0，死亡率為0。病例2和病例3在第1次隨訪中觀察到輕微的Ⅰ型內(nèi)漏，后續(xù)隨訪時內(nèi)漏均消失，余患者未觀察到內(nèi)漏。病例3在第1次隨訪時出現(xiàn)步態(tài)不穩(wěn)、雙下肢無力等腦梗死癥狀，經(jīng)神經(jīng)內(nèi)科會診，診斷為非致殘性輕微腦梗死，給予藥物保守治療，活動不受限。

表1 F-TEVAR術(shù)后患者的隨訪結(jié)果

2.3 血流流線分布 結(jié)果(圖1)顯示9例F-TEVAR病例術(shù)后收縮期峰值主動脈及弓上分支血管內(nèi)的血流流線分布。流線顏色越接近藍(lán)色代表流速越低，流速越高則越接近紅色。收縮期時主動脈內(nèi)的流線平順，無明顯渦流。9例患者F-TEVAR術(shù)后，開窗支架內(nèi)均出現(xiàn)了紅色的高速血流(>1.5 m/s)，且紅色流線多集中在開窗孔周圍。血流在通過主動脈弓部后趨于穩(wěn)定，在主動脈降部表現(xiàn)為綠色、均一、穩(wěn)定的流線分布。

圖1 F-TEVAR術(shù)后收縮期峰值的主動脈及弓上分支血流流線分布圖(病例1～9)

2.4 流速分布 截取2個特殊切面來觀察主動脈及支架內(nèi)的流速分布。結(jié)果(圖2)顯示通過開窗支架開口主動脈弓短軸平面收縮期和舒張期的流速分布。該切面可很好地觀察主動脈弓內(nèi)的血流進(jìn)入開窗支架的方式以及開窗支架內(nèi)的血流情況。通過該切面可觀察到開窗支架部分進(jìn)入主動脈弓的結(jié)構(gòu)，支架在主動脈弓部的血液中形成了一個圓柱形的“溝槽”(圖2A)。在收縮期峰值(圖2B)，主動脈弓內(nèi)的血流通過開窗支架時，在支架內(nèi)形成了噴射狀的紅色高速血流；在部分開窗支架內(nèi)，觀察到了紅藍(lán)相間的混雜流速信號。在舒張期末(圖2C)，開窗支架內(nèi)出現(xiàn)了紅色的高速反流血流并射向主動脈弓。相較于收縮期峰值主動脈弓內(nèi)均一高速的血流，舒張期末主動脈弓內(nèi)血流流速分布不均一，出現(xiàn)了藍(lán)綠相間的混雜流速信號，且有較多渦流。

圖2 主動脈弓部短軸切面流速分布圖

結(jié)果(圖3)顯示，通過開窗支架開口、左頸總動脈開口、無名動脈開口水平平面主動脈弓部收縮期峰值和舒張期末的流速分布。該切面可以很好地觀察3個開口處主動脈弓部的血流情況以及開窗支架對主動脈弓部血流的影響(圖3A)。在收縮期峰值期間(圖3B)，開窗支架內(nèi)可觀察到紅色的高速血流。因開窗支架使主動脈弓部血液流動的面積減小，血流在經(jīng)過開窗支架和主體支架之間的“通道”時增快。進(jìn)入主動脈弓部的開窗支架一定程度上阻擋了血流流向降主動脈，因此在開窗支架升主動脈側(cè)和降主動脈側(cè)出現(xiàn)了藍(lán)色的低速血流區(qū)域。在舒張期末(圖3C)，開窗支架內(nèi)可觀察到紅色的回流。相較于收縮期峰值，舒張期末主動脈弓部血流流速低且不均一，但開窗支架和主體支架之間“通道”內(nèi)血液流速仍較快。

圖3 主動脈弓部水平切面流速分布圖

2.5 FDR 結(jié)果(表2、圖4)顯示：F-TEVAR術(shù)后，無名動脈的FDR即右側(cè)頭臂灌注的血流量占心輸出量的11.2%～27.3%，平均值為(19.1±4.5)%。F-TEVAR術(shù)后右側(cè)頭臂的灌注較健康個體顯著增加(P<0.05)。F-TEVAR術(shù)后，左頸總動脈的FDR占心輸出量的1.5%～6.9%；平均值為(3.6±1.3)%，左鎖骨下動脈的FDR占心輸出量的1.3%～7.6%，平均值為(3.0±1.3)%。將上述兩者血流量相加，F(xiàn)-TEVAR術(shù)后左側(cè)頭臂(左頸總動脈+左鎖骨下動脈)的血流量占心輸出量的2.8%～9.3%，平均值為(6.6±1.5)%。F-TEVAR術(shù)后左側(cè)頭臂的灌注較健康個體顯著減少(P<0.000 1)。F-TEVAR術(shù)后出現(xiàn)左右灌注量嚴(yán)重不均等(右側(cè)與左側(cè)比值為3∶1)。

表2 F-TEVAR術(shù)后各大血管的血流分配比 %

結(jié)果(圖4)顯示：F-TEVAR術(shù)后，降主動脈的血流量(即體循環(huán)的灌注)占心輸出量的64.5%～82.8%，平均值為(73.6±6.0)%。F-TEVAR術(shù)后降主動脈的血流量與健康個體差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.09)。

圖4 F-TEVAR術(shù)后患者和健康個體血流分配比的比較

3 討 論

近年來，在醫(yī)工結(jié)合、學(xué)科交叉的背景下，國內(nèi)外學(xué)者將工科領(lǐng)域研究動力機(jī)械流動問題的數(shù)值模擬方法應(yīng)用到心血管領(lǐng)域，為心血管病治療方式的改進(jìn)和醫(yī)療器械的設(shè)計提供了新的思路。基于CFD技術(shù)的醫(yī)療軟件FFRct(HeartFlow公司)與傳統(tǒng)有創(chuàng)的血流儲備分?jǐn)?shù)(fractional flow rate, FFR)檢測相比，能通過無創(chuàng)的方式對冠狀動脈進(jìn)行狹窄病變功能學(xué)評估[6-7]。Rijnberg等[2]將CFD技術(shù)運(yùn)用到先天性心臟病領(lǐng)域，優(yōu)化單心室病變的手術(shù)方案，提高了術(shù)后循環(huán)系統(tǒng)的效率，減少術(shù)后并發(fā)癥，從而提高手術(shù)效果。Menichini等[8]將CFD技術(shù)運(yùn)用于B型主動脈夾層臨床結(jié)局的預(yù)測，使部分主動脈夾層假腔更傾向于血栓化的患者獲得了藥物保守治療的機(jī)會，從而免于手術(shù)。

3.1 血流流速 本研究通過開窗支架開口處主動脈弓內(nèi)血流流速的模擬結(jié)果證實(shí)，開窗支架伸入段對主動脈弓部血流產(chǎn)生影響，表明F-TEVAR術(shù)后主動脈弓和弓上分支內(nèi)的血流異常。與流線結(jié)果相同，在開窗支架開口處主動脈弓短軸切面可觀察到支架內(nèi)紅色高速血流，并且在舒張期仍存在逆向的向主動脈弓部回流的高速血流，這進(jìn)一步驗(yàn)證了狹窄的存在。對經(jīng)過開窗支架開口主動脈弓冠狀位切面流速分布的觀察發(fā)現(xiàn)，由于開窗支架伸入段的存在，來自升主動脈的血流在通過主動脈弓時流動面積變小，需要從開窗支架和主體支架之間流向降主動脈，因此在開窗支架和主體支架之間可觀察到加速血流。在開窗支架的后方出現(xiàn)了深藍(lán)色的低速尾流，這可能與附壁血栓的形成相關(guān)。而主動脈弓部血栓的脫落會引起腸壞死、腎梗死、下肢動脈栓塞等嚴(yán)重并發(fā)癥。隨訪中，尚未發(fā)現(xiàn)外周動脈栓塞事件，術(shù)后CT也未提示主動脈弓部存在血栓。

為了減少開窗支架伸入段對主動脈弓部血流的影響，術(shù)者應(yīng)減小開窗支架伸入主體支架的長度，但伸入段過短會影響整個開窗結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致開窗支架脫落，因此伸入段對主動脈弓部血流的影響和開窗系統(tǒng)的穩(wěn)定性之間存在矛盾。目前，常用策略為在不覆蓋椎動脈的情況下將橋支架總體長度的1/3～1/4伸入主體支架內(nèi)，但缺乏循證依據(jù)支持。因此，在保證整個開窗結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，如何減小橋支架對主動脈弓部血流動力學(xué)的影響是F-TEVAR手術(shù)后續(xù)研究的重要內(nèi)容。

3.2 血流分布 F-TEVAR手術(shù)改變了主動脈腔內(nèi)正常的解剖結(jié)構(gòu)，而異常的解剖結(jié)構(gòu)可能會對血流的分布產(chǎn)生影響。本研究對比了健康個體與F-TEVAR術(shù)后主動脈弓與弓上分支血管內(nèi)血流量，描述了F-TEVAR術(shù)后血流分布的變化。以往研究[9-10]發(fā)現(xiàn)，健康個體弓上三分支的血流量之和約占心輸出量的30%，右側(cè)頭臂的血流量(無名動脈)和左側(cè)頭臂的血流量(左頸總動脈+左鎖骨下動脈)大致相等。通過對F-TEVAR術(shù)后血流分配的分析發(fā)現(xiàn)，術(shù)后右側(cè)頭臂的血流量相對于健康個體增加(P<0.05),左側(cè)頭臂的血流量相對于健康個體則顯著減少(P<0.000 1)，但弓上三分支總的血流量與健康個體差異無統(tǒng)計學(xué)意義；降主動脈血流量在術(shù)后患者與健康個體差異也無統(tǒng)計學(xué)意義。這表明F-TEVAR術(shù)后，主動脈弓上三分支的血流進(jìn)行了重新分布，左右頭臂的血流量比例從健康個體的1∶1變?yōu)?∶3。

目前，對于造成F-TEVAR術(shù)后主動脈弓上分支血流重分布的原理尚不清楚，可能是由于F-TEVAR術(shù)后特殊的開窗結(jié)構(gòu)阻止了血流進(jìn)入左側(cè)頭臂，而主動脈弓部存在的支架阻止血流正常輸送至降主動脈，而使一部分額外的血流進(jìn)入右側(cè)頭臂。因此，擬行F-TEVAR手術(shù)的患者需要在術(shù)前評估Willis血管環(huán)是否完整，否則術(shù)后左右頭臂嚴(yán)重的灌注不均可能增加腦血管意外的發(fā)生。本研究隨訪中尚未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的神經(jīng)相關(guān)并發(fā)癥，這可能提示納入患者的Willis血管環(huán)完整，右側(cè)頭臂多余的血流均通過Willis環(huán)輸送到了對側(cè)；也可能與本研究納入的病例數(shù)過少導(dǎo)致結(jié)果偏倚有關(guān)，將在后續(xù)的研究中增加病例，加強(qiáng)證據(jù)力度。

綜上所述，F(xiàn)-TEVAR是治療累及主動脈弓部胸主動脈病變的有效手術(shù)方式。但F-TEVAR術(shù)后主動脈腔內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，主動脈弓部及弓上分支血管內(nèi)血流動力學(xué)存在異常，主動脈弓上分支的血流進(jìn)行了重分布，左右頭臂的灌注不均等。可根據(jù)F-TEVAR術(shù)后血流動力學(xué)變化來改良手術(shù)方法和支架設(shè)計。