马克“心”文献 | 经导管主动脉瓣置换术的计算模型研究：基于患者特异性数据实现自膨胀瓣膜的快速手术规划


一、研究背景与目的

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背景：主动脉瓣狭窄是一种常见的心脏瓣膜疾病。经导管主动脉瓣置换术（TAVR）是一种微创介入治疗方法，尤其适用于无法进行传统开胸手术的高风险患者。然而，术后并发症（如瓣周漏、房室传导阻滞）仍是影响其疗效和推广的主要难题。

目的：本研究旨在建立一套快速、准确的数值模拟方法，基于患者特异性模型，用于：1、评估自膨式瓣膜在不同植入位置下的性能。2、预测术后瓣周漏（PVL） 和房室传导阻滞的风险。3、通过对比临床结果，验证该计算方法的有效性和准确性，为术前规划提供指导。



二、研究方法

Part.2

1、患者数据与模型重建：

回顾性分析了6名轻度钙化性主动脉瓣狭窄患者的CTA影像数据（其中1例为二叶式主动脉瓣，5例为三叶式主动脉瓣）。使用MIMICS和Geomagic软件重建了从左心室流出道到升主动脉的患者特异性三维模型，包括主动脉壁、原生瓣膜和钙化组织。

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图1 主动脉模型（蓝色部分为主动脉壁，绿色部分为原生瓣膜，红色部分为钙化）。（A-F）：模型 1 至模型 6

2、原生瓣膜快速建模：

提出了一种在CAD软件（Solidworks）中快速参数化构建原生瓣叶的方法，通过控制附着边和游离边的曲线来生成瓣叶曲面。

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图2 原生瓣膜的快速建模方法


3、自膨式瓣膜建模与验证：

选用中国制造的Venus A-Valve作为研究对象。通过径向力实验（使用Blockwise Crimper系统）标定了镍钛合金材料的超弹性参数。建立了瓣架的有限元模型（使用梁单元），并通过实验与模拟对比验证了模型准确性（误差仅0.9%）。

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图3 自膨胀式阀门。（A）Venus A 型阀的数值模型；（B）Venus A 型阀产品；（C）分段式压接系统；（D）径向力实验的数值模型；（E）支架镍钛合金的参数拟合


4、TAVR过程模拟

在Abaqus软件中模拟了完整的TAVR手术过程。压缩阶段：将瓣架压缩至9mm直径。扩张阶段：释放瓣架，使其与原生瓣环和主动脉壁接触。释放阶段：模型达到最终平衡状态。为简化计算、提高效率，模拟中未考虑瓣膜裙边和人工瓣叶。

5、瓣周漏分析

使用计算流体动力学（CFD）方法，分析舒张期瓣周反流情况。采用LBM来计算由瓣周漏引起的反流。设置边界条件设置边界条件：升主动脉侧入口压力为10000Pa，心室侧出口力为2000Pa。



三、主要结果

Part.3

1、主动脉应力

高应变区域主要集中在瓣环和窦管交界处。瓣架下端与左心室流出道接触处也出现环形高应变区。房室传导阻滞风险较低，与临床结果（无患者安装起搏器）一致。

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图4 不同位置植入TAVR 的结果。（A）有限元模拟结果；（B）支架与主动脉内表面的接触面积；（C）主动脉的最大主对数应变


2、瓣架形态

模拟得到的瓣架形态与术后CT影像高度吻合。以Model 4为例，四个关键部位的直径误差在0.05%到3.98%之间，其他几何参数误差也均小于2.5%，验证了模型准确性。

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图5 对同一植入位置的有限元模拟结果与血管造影结果的比较。（A）TAVR 定位植入后的临床图像；（B）TAVR 植入后的有限元模拟图像；（C）植入后的瓣膜框架形态


2、瓣周漏

泄漏主要发生在原生瓣膜的连合处边缘，与瓣架贴合不全形成的间隙位置一致。计算得到的六例反流流量在0.6 mL/s到8.0 mL/s之间，均属于轻度瓣周漏，与临床观察结果一致。


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图6 模型 1 至模型 6 人工瓣膜植入后的流场分布及流线图



四、结论

Part.4


1、本研究成功建立了一套基于患者特异性模型的快速TAVR数值模拟流程，可用于预测不同植入位置的手术效果。

2、使用Venus A-Valve能提供较强的径向支撑，降低瓣周漏风险，但需关注其可能带来的主动脉应力。

3、该数值方法能有效辅助术前规划，为选择合适的人工瓣膜型号和最佳植入位置提供量化依据，具有临床转化潜力。

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