基于計算機斷層掃描圖像的房顫患者左心耳封堵前后的血流模擬

徐慶虎,張天逸,程云章△

(1.上海理工大學 健康科學與工程學院,上海 200093;2.上海介入醫療器械工程技術研究中心,上海 200093)

0 引言

房顫是臨床上最常見的心律失常疾病,通常由肺靜脈根部的不規則電脈沖觸發,致使左心房以一種快速無序的方式收縮,而該異常收縮模式會促進左心耳(left atrial appendage, LAA)內部血栓的形成[1-2],容易引起系統性栓塞事件。調查數據顯示,全世界房顫患者已超過3 300萬[3],占因心律失常住院人數的三分之一,并且隨著人口老齡化,房顫患者住院人數增長了60%[4]。房顫患者的中風風險是健康人群的5倍,其中15%～18%的中風與房顫有關[1-2]。

LAA是從左心房伸出的狹長管狀盲端,其內壁充滿了凹凸不平的梳狀肌,將內部分成了幾個小葉。左心耳在正常竇性心率下,可緩解左心房的壓力、輔助左心室充盈。但在房顫期間,左心耳的主動收縮能力下降,內部血流狀態紊亂,血液流速減慢甚至停滯,易形成血栓,導致卒中的發生[5]。據估計,左心耳是90%房顫導致的缺血性卒中事件的血栓來源,被稱為“人類最致命的附屬結構”[6]。左心耳的形態具有很強的特異性,通常根據其形狀分為四種不同的類型:最常見的是“雞翅”形態,其次是“仙人掌”、“風袋”和“花椰菜”[5]。

房顫卒中的高致死率和引起的一系列并發癥,嚴重危害人類的健康生活水平,因此,對高危房顫患者進行抗凝等干預治療十分必要。目前,預防房顫相關卒中的主要治療手段包括: 口服抗凝藥物(例如華法林)[7]、左心耳手術排除[8]、左心耳封堵[9-10]。左心耳封堵術(left atrial appendage occlusion, LAAO)作為口服抗凝藥的有效替代手段,廣泛應用于大型隨機臨床實驗中[11-12]。

眾所周知,血流動力學因素,如流速、壁面剪切應力等都會導致左心房與左心耳內血栓形成[13]。然而在臨床實踐中,經食管超聲心動圖(transoesophageal echocardiography, TEE)等很難得到流場內部的流動狀況,且參數信息少,無法滿足基本分析需求。而計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)作為一種非侵入式手段,可以模擬左心房內部流場流線、渦流等信息,為預測血栓形成提供有效信息[14-16]。

由于目前分析左心耳封堵前后的血流變化實驗以及研究的血流動力學參數少,本研究使用CFD對患者左心耳封堵術前后的左心房模型進行模擬,對比患者手術前后血流動力學的變化,針對血栓形成因素,研究血流速度、時均壁面剪切應力(time-average wall shear stress, TAWSS)、震蕩剪切指數(oscillation shear index, OSI)等相關指標的變化,探討左心耳封堵術對血流動力學以及血栓形成的影響。

2 資料與方法

2.1 圖像處理

本研究圖像為上海市復旦大學附屬中山醫院的一名非瓣膜性房顫成年患者的左心耳封堵術前后的心臟計算機斷層掃描(computed tomography, CT)圖像。掃描范圍為頸部到腰部,平面分辨率為512×512,共640張切片,圖片皆以DICOM格式保存。圖1高亮部分即為本研究的左心房部位。使用Mimics 21.0從CT圖像中構建患者特異性左心房幾何結構,再將模型導入3-Matic進行修復、分割、平滑、細化等操作,然后以STL格式儲存,患者封堵術前后模型見圖2。

2.2 網格劃分

為建立CFD模型,本研究使用Ansys ICEM CFD(Ansys,Inc.)對患者的三維解剖模型進行網格劃分,使用四面體和棱柱體單元的組合,在左心耳區域使用較小的四面體單元,并且在心房壁附近創建了5層非結構化四面體網格的棱柱層。網格無關性驗證后,患者手術前后模型的最終網格元素數量分別為1 376 250、1 121 943。

圖1 人體心臟二維CT圖

圖2 封堵術前后模型

2.3 邊界條件和血流動力學參數

模擬由Ansys Fluent 18.0(Ansys,Inc.,USA)進行,模擬計算時使用的基本方程是Navier-Stokes公式。使用Navier-Stokes和連續性方程對血流進行建模:

(1)

?·v=0

(2)

血流被設定為不可壓縮的牛頓流體,血液粘度μ=0.003 5 Pa·s,血液密度ρ=1 060 kg/m3,v是速度矢量,p是壓力。質量和動量守恒方程的殘差低于0.000 01被認為是絕對收斂標準。血液速度v取0.4 m/s,血管直徑d取0.005 m,根據雷諾數的計算方法,得到雷諾數為606,遠低于2 200,選擇層流模型。當房顫發生時,左心房和左心耳的收縮性降低,導致左心房壁僵硬,阻礙其正常收縮,因此,對左心房壁面施加剛性壁和無滑移條件,模擬最嚴重的房顫情況[17]。

在四個肺靜脈(pulmonary valve, PV)口處施加相同的速度波形作為入口,將二尖瓣(mitral valve, MV)設置為壓力出口。對于入口,在心房舒張、收縮時期應用時變血流函數[18](見圖3)?？紤]心動周期中瓣膜的關閉和打開,將瞬時壓力出口條件分配給MV孔口。在心房收縮期,施加等于零的恒定壓力,設置為開放邊界條件,模擬二尖瓣打開,而在心房舒張期,施加高壓力[18](見圖4),模擬二尖瓣關閉。心房收縮期和舒張期分別持續0.44和0.26 s?？紤]在四個完整的心動周期內進行瞬態模擬,每個心動周期持續時間為0.7 s,以使血流充分發展,以0.001 s的時間步長離散0.7 s的整個心動周期進行數值模擬,并將最后一個周期作為輸出。

圖3 時變血流函數

此外,比較患者在左心耳封堵前后的血流動力學參數變化,如流線、血流速度、時均壁面剪切應力等與血栓形成有關的參數。壁面剪切應力是指單位面積內切向血管/心內表面的血液所施加的力,時均壁面剪切應力指標由壁剪切應力得出,表示整個心動周期中左心房壁剪切應力的機械生物學效應,與血瘀和較高的凝血風險有關。低時均壁面剪切應力表示低流速,這與血栓形成有關[19]。震蕩剪切指數是一個無量綱參數,也被證明可以成功識別動脈粥樣硬化區域。震蕩剪切指數通過將壁面剪切應力平均值與其大小進行比較來捕捉大小和方向上的流動震蕩[20]。時均壁面剪切應力(TAWSS)和震蕩剪切指數(OSI)的計算如下:

(3)

(4)

圖4 二尖瓣壓力出口

3 結果

已知速度大小、流線、時均壁面剪切應力、震蕩剪切指數等參數與血瘀和血栓的形成有關。本研究比較患者在左心耳封堵前后兩個時間點(0.1, 0.4 s)的流線圖,0.2 m/s的等表面速度、時均壁面剪切應力和震蕩剪切指數圖?；颊咴谧笮亩舛滦g前后的流場變化見圖5。

3.1 血流速度

模擬流動的速度流線可直觀地分析左心房的血液流動狀況。血流速度低于0.2 m/s與左心房內血管栓塞事件的發生率較高有關[21]。為了比較血流速度,本研究以兩個特定時間點下的流動模式差異(舒張期:t=0.1 s, 收縮期:t=0.4 s),分析患者的血流流速狀態?；颊咴谧笮亩舛滦g前后的流場數據數值見表1。

由圖5可知,左心耳的速度總是明顯低于左心房,并且左心耳內血流速度從孔口到尖端不斷減小,從而使左心耳內部血流更容易出現滯淤,增加血栓形成風險。左心耳封堵前后在收縮期和舒張期時的血流流線圖顯示,與左心耳封堵術后相比,術前明顯表現出更加復雜、無序的流線狀態,尤其是左心耳內部,流線更加紊亂且流速幾乎停滯。0.2 m/s的等表面速度圖顯示,舒張期時左心耳內部的血液流速大都低于左心耳孔口的流速(0.2 m/s),盡管收縮期提高了左心耳內部的流速,但左心耳的大部分區域,速度仍僅為0.2 m/s或更低,增加了血栓形成的風險。

圖5 0.1和0.4 s時左心房的速度流線圖和速度等值面圖

表1也顯示了相同的特征,與封堵前相比,無論是收縮期還是舒張期,患者整體的低流速區域雖然有所上升,但術后左心房的最大血流速度都得到了一定的提高。并且與患者術前相比,患者心房內低流速區域(低于0.1 m/s)體積得到了一定的下降,患者心房收縮期時的低流速區域得到了進一步改善。術后低流速區域大多分布在近心房壁面處,與術前相近,左心耳是血栓形成風險最高的區域。

表1 左心耳封堵前后血液流速

3.2 時均壁面剪切應力

時均壁面剪切應力表示心房壁面在一個心動周期內收到的平均剪切應力,壁剪切應力與血流流速成正比,低時均壁面剪切應力會造成較高的血栓風險,圖6為時均壁面剪切應力的分布。由于流速增加,高時均壁面剪切應力均分布在肺靜脈入口或心房壁面內陷部位。左心耳區域的時均壁面剪切應力遠小于心房壁面,越靠近尖端部位,時均壁面剪切應力值越低,越容易形成血栓。與左心耳封堵前相比,時均壁面剪切應力在左心房壁面的分布大體相似,患者心房壁面上時均壁面剪切應力最小為0.067 9 Pa,術后,患者的時均壁面剪切應力得到一定改善,提高到0.245 Pa。

圖6 時均壁面剪切應力分布圖

3.3 震蕩剪切指數

震蕩剪切指數表征血流流動方向和強度的變化特征,反應血流流動的震蕩水平。震蕩剪切指數的分布見圖7?？芍哒鹗幖羟兄笖祷径挤植荚谧笮亩?、左心耳口和肺靜脈入口處,說明左心耳口和左心耳內的血流更加紊亂,受交變方向的剪切應力更加劇烈。并且與左心耳封堵前相比,術后心房壁面的震蕩剪切指數強度有一定程度的下降,患者心房壁面的震蕩剪切指數從0.494下降到了0.482。同樣,高震蕩剪切指數也會增加患者的血栓形成風險。

圖7 震蕩剪切指數分布圖

4 討論

本研究結合患者的CT圖像,建立左心耳封堵術前后的左心房流體力學模型,包括在四個肺靜脈和二尖瓣處適當應用流動邊界條件,探討手術前后的血流動力學參數差異,評估左心房血栓形成的風險。

通常情況下,左心耳的血流速度明顯低于左心房其他部位,而左心耳遠端的血流速度幅度約為0 m/s,近乎停滯,導致血栓形成風險增加[23-24]。在此基礎上,利用時均壁面剪切應力和震蕩剪切指數進一步評估左心房血栓風險。低時均壁面剪切應力、高震蕩剪切指數區域基本是血栓形成的高發部位,表明左心耳是左心房中最易形成血栓的區域[17]。與左心耳封堵前相比,左心耳封堵術后患者心房內血流流動似乎更具有組織性,流速也得到一定的提高。之前在左心耳封堵前后血流動力學變化的研究,只涉及流速、渦流等參數的差異,并未比較與血栓形成有關的其他因素[25]。本研究首次提出比較患者在左心耳封堵前后時均壁面剪切應力、震蕩剪切指數參數的差異,驗證左心耳封堵術的安全性和有效性。

本研究采用數值模擬的方法驗證左心耳封堵術的有效性。在這項特定患者的研究中,入口和出口的血流邊界條件并非直接從患者特定數據中提取,而是引用了其他患者的特異性邊界條件?；颊邆€性化的邊界條件可能會提供更加真實的流動情況。

為模擬最嚴重的房顫情況,本研究將所有心房壁設為剛性壁,未模擬心動周期中真實的心房收縮和運動。盡管剛性壁并不能準確地反映心房內血流狀況,但和最嚴重的房顫情況(如慢性房顫)大體相似,Jorge等[20]已驗證了剛性壁假設的合理性。

數值模擬過程中未使用湍流模型,但在左心房的特定區域,存在一定的過渡流。本研究在整個流體域和整個循環時間內使用層流模擬可顯著簡化計算量,并仍可以直接分析左心耳封堵前后的血流動力學參數差異。

5 結論

本研究使用左心房和左心耳的CT圖像,進行了左心耳封堵效果的臨床相關計算流體力學模擬研究,對比了在心房收縮期和舒張期速度峰值下的流動特征,如速度、流線、時均壁面剪切應力和震蕩剪切指數等與血栓形成有關的因素。結果表明,左心耳封堵術對血流速度和路徑有顯著影響,可提高血流速度、改善心房內紊亂的血流狀態。根據時均壁面剪切應力和震蕩剪切指數分布,左心耳作為血栓形成的最危險部位,左心耳封堵術可有效避免血液在左心耳的滯留,改善整體心房的時均壁面剪切應力和震蕩剪切指數的分布,降低患者血栓形成的風險。