Yeyang Cheng, et al. Numerical Simulation of Hemodynamics in Two Models for Total Anomalous Pulmonary Venous Connection Surgery. Frontiers in Physiology 2020
目的：利用数值比较心上型完全性肺静脉异位连接(S-TAPVC)新型开窗手术与传统手术的前瞻性血流动力学结果。
方法：在总结S-TAPVC数据的基础上，利用重建技术得到由肺静脉(PV)和左房(LA)组成的三维几何模型。在此基础上建立两种手术模型。一种是传统的手术模型，即通过沿肺静脉轴切开并缝合左心房和共汇静脉(CV)来创建椭圆形吻合口。另一种是新的开窗手术模型，将CV使用H形切开，在LA上切一个换位的H形小切口，然后像窗口一样缝合切口边缘。建立了两个相对截面积(RCSA)分别为300 mm2/m2和500 mm2/m2的模型，分别对应于传统手术和开窗手术。进行了血流动力学数值模拟。通过对速度、左心房和肺静脉压力、吻合口压差和能量转换效率的分析，评价这两种手术的前瞻性血流动力学结果。
结果：与传统手术相比，开窗手术显示出较低的血流速度、压差以及吻合口处的壁剪切应力（WSS）。在能量消耗方面，开窗手术的能量转换效率明显高于传统手术，分别为66.8%和53.5%。
结论：新型开窗手术显示了较低的吻合口压力差和较高的能量转换效率，与传统手术相比，此方法可能是一个更好的选择。
完全性肺静脉异位连接(TAPVC)是一种罕见但严重的先天性心脏病(CHD)，所有肺静脉(PV)均连接至右心房(RA)而非左心房(LA)。其发病率约为先心病的1.5% ~ 3.6%。
该病通常需要手术治疗，其中肺静脉与左心房建立吻合是关键步骤。传统手术是将共汇静脉(CV)和LA沿其轴线平行分开并进行吻合。但该术式生理及血流动力学治疗效果不佳。此外，肺静脉梗阻(PVO)是术后死亡最常见的问题之一。
近期证据表明，肺静脉与左心房较大的吻合口面积是提高TAPVC治疗效果的关键因素。另一方面，已经在目前拥有的外科基础上研究了新的手术方法。20世纪90年代，sutureless技术缓解了TAPVC术后的PVO，且早期治疗效果良好。然而，该技术的长期结果仍不清楚。更糟糕的是，手术操作并不能完全避免吻合口狭窄的发生。此外，目前的研究多集中于对该病术后死亡率及术后并发症的数理统计分析，却鲜有对该病的血流动力学进行数值模拟。Harada等人(2018年)使用Cox比例风险模型研究了可能与死亡时间相关的患者变量。Wu等人(2019年)采用Cochrane Q检验和I2统计量进行meta分析，以评估异质性，从而比较sutureless技术与传统手术进行一期修复的治疗效果。White等人(2019年)使用单变量和多变量Cox比例风险回归方法来确定与主要结果相关的因素。
因此，本研究提出了一种新的开窗手术，并使用计算流体力学(CFD)评估新型开窗手术的前瞻性血流动力学影响。
图1 心上型完全性肺静脉异常连接(S-TAPVC)示意图
基于参考文献中的汇总数据和外科医生的建议，构建了简化的心上型完全性肺静脉异位连接(S-TAPVC)三维(3D)模型，包括PV、LA、CV和部分垂直静脉(图2)。它是在SolidWorks的计算机辅助设计软件中进行构建的。
图2 LA和PVs的三维模型，构建了简化的心上型完全性肺静脉异位连接(S-TAPVC)三维模型。LA表示左心房，MO表示二尖瓣口，RSPV表示右肺上静脉，RIPV表示右肺下静脉，LSPV表示左肺上静脉，LIPV表示左肺下静脉，CV表示共汇静脉，VV表示垂直静脉。
为评价TAPVC的治疗效果，通过建立2种手术模型进行比较。一种是传统的手术模型，通过沿CV轴切开并缝合LA和CV以建立椭圆形吻合口(图3A、B)。另一种是新型开窗手术模型，其中CV用H形切口切开，LA用换位的H形切口切开，然后将切口边缘像窗口一样缝合(图3D、E)。图3C、F显示了两种模型吻合口的横截面。
图3 传统手术(A、B、C)和开窗手术(D、E、F)示意图。(A)CV和LA上形成椭圆形吻合口；(B)两个切口边缘采用传统方法缝合；(C)A平面和B平面为传统手术模型的两个切面；(D) CV和LA分别用H形口和转位H形口切开；(E)这些切口边缘朝外并已缝合；(F)A平面和B平面为开窗手术模型的两个部分。平面A定义为穿过CV中心并垂直于CV轴的平面；B面定义为吻合口附近垂直于A面的平面。
相对横截面积(RCSA)定义为：实际吻合口面积与体表面积的比值，这是影响手术结果的关键几何因素。传统手术模型和开窗手术模型的RCSAs分别约为300 mm2/m2和500 mm2/m2
。两种模型中的RCSAs都设计得尽可能大。
在Solidworks软件中重建了两种手术的计算流体模型(图4)。网格由Hypermesh软件生成。感兴趣区域的网格密度增加。通过进行网格独立性分析，采用可行的网格大小。血管壁上的网格元素大小在0.2-0.8mm之间。此外，还创建了边界层中的网格。边界层参数:第一层厚度为0.07 mm，生长比率为1.1，网格层数为5层(图5)。
图4 传统手术(A)和开窗手术(B)的流体模型。LSPV、LIPV、RSPV和RIPV被定义为数值模拟的入口，分别对应于图中的In 01、In 02、In 03和In 04；二尖瓣口被定义为出口，out与之对应。
图5 血管横截面的网格细节示意图。
左心房和血管壁被假设为刚性的且不滑动。假设血液为不可压缩的牛顿流体，密度为1050 kg/m3，粘度为0.0035 Pa·s。
牛顿流体的粘度：剪切力/剪切率=恒定值；非牛顿流体粘度：剪切力/剪切率≠恒定值；即粘度是个变化量；引起其变化的常见的因素是剪切率、时间等。
左心房是血液从肺静脉流向左心室的通道。本研究旨在解释开窗手术对左心房功能的影响。因此，可以使用稳态流来模拟该功能。肺静脉的质量流量（质量流量是指单位时间里流体通过封闭管道或敞开槽有效截面的流体质量）被定义为入口边界条件(图4)。心动周期中的平均流速按肺静脉面积的比例分布到四条肺静脉。此外，将二尖瓣口定义为平均左心房压计算流体模型的出口边界条件，见表1。在临床手术中，通常会结扎垂直静脉。因此，它既不是计算流体模型中的入口，也不是出口。
基于上述模型和边界条件，使用CFX 14.5(美国Ansys公司)在一台配备3.30 GHz英特尔酷睿i5-4590处理器和8 GB RAM的计算机上计算了流速场。分析类型设置为稳态。在解算器控制面板中，对流项设置为高分辨率，最大迭代步骤设置为200。此外，为了使计算结果在可接受的范围内，将剩余公差设置为1.0e-4。
定义雷诺数Re（雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准则数。流体的流动形态除了与流速(ω)有关外，还与管径(d)、流体的粘度(μ)、流体的密度(ρ)这3个因素有关。Re=ρvL/μ，ρ、μ为流体密度和动力粘性系数，v、L为流场的特征速度和特征长度。雷诺数物理上表示惯性力和粘性力量级的比。）为：
其中ρ、v、d、μ分别为血液的密度、速度、液压直径和动态血液粘度。考虑到最大雷诺数(Re)约为1063，假设血流为层流。
能量损失是评价血流动力学性能的重要指标。本研究通过功率损失和功率转换效率来评估能量损失。
功率损失定义为：
其中，W, Q, P, ρ, v分别是功率，质量流量，静压，血液密度和血流速度。其中
为功率损失，和分别为入口和出口的总功率。更重要的是，功率转换效率(e)被定义为：
流线反映了流体域中每个点处流速的大小和方向。图6可清晰观察到两种模型的流线，两种模型中高血流速度区域均位于PV-LA吻合口附近。传统手术血流速度明显高于开窗手术，分别为1.0 m/s和0.8 m/s。
图6 两种模型的流线和速度矢量图。(A)传统手术的流线；(B)传统手术在A平面上的速度矢量；(C)传统手术在B平面上的速度矢量；(D)开窗手术的流线；(E)开窗手术在A平面上的速度矢量；(F)开窗手术在B平面上的速度矢量。
另一方面，在开窗手术模型中，肺静脉中的血液平稳地流入左心房。在传统的手术模型中，一个复杂的涡流沿着左心房壁从吻合口延伸到左心房底部，而在开窗手术模型中这种情况似乎并不明显。两种模型的垂直静脉均存在低速血流，且传统手术产生的涡流为更明显。
图7显示了从CFD分析中获得的两个模型的压力分布轮廓。总的来说，传统手术对血管壁的压力高于开窗手术。传统手术高压区集中于CV及肺静脉，可高达9.42 mmHg，而开窗手术压力分布相对较为均匀。就PV-LA吻合口处的压力而言，压力差定义为A平面(模型的一部分)上CV区平均压力与左心房区平均压力之间的差。传统手术的压差大于开窗手术的压差，分别约为3 mmHg和1 mmHg。
图7 两种模型的压力分布。(A)传统手术血管-心房壁压力分布；(B)传统手术中A平面的压力分布；(C)开窗手术血管-心房壁压力分布；(D) 开窗手术中A平面的压力分布。
壁剪切应力(WSS)是血流动力学分析的重要参数，多项研究表明WSS与血管重塑有关。图8提取了WSS分布。两种模型中WSS最高处均位于吻合口附近，相比之下传统手术比开窗手术的WSS更大，分别为47.01 Pa和29.47 Pa。
图8 两个模型的WSS分布。(A) WSS用于传统手术;(B) WSS用于开窗手术。
功率损失能直观地反映工作时的血流情况，对于评价不同手术方式对TAPVC的预期治疗效果有积极作用。两个模型的功率损失和功率转换效率的结果可在表3中计算和比较。在传统手术中功率损失为32.8 mW，而开窗手术显著减少为17.7 mW。在功率转换效率方面，与传统手术相比，开窗手术已经从53.5%增加到66.8%。
左心房是肺静脉中的血液回流入左心室的通道。肺静脉至左心房的平稳血流状态是保证左心室功能的重要条件。局部血流紊乱可能导致吻合口狭窄。临床上普遍认为PV-LA吻合口血流速度大于1.2 m/s时容易发生吻合口狭窄和PVO病变。从数值模拟结果看，两种手术方式吻合口血流速度小于1.2 m/s，开窗手术的血流速度低于传统手术。我们认为这是开窗手术增加了PV-LA吻合口面积的结果。在临床治疗中，肺静脉和左心房的高压不是外科医生所期望的。在本研究中，由于LIPV血流对CV的影响，两种模型的最大压力区位于LIPV和CV交界处的相对侧。另一方面，值得注意的是，开窗手术的肺静脉与左心房之间的压力和压差均低于传统手术。这是因为前者能够提供更大面积的PV-LA吻合口，有利于降低肺部对左心系统的阻力。
心脏一直处于泵血状态，以确保身体的正常生活。如果心脏有太多的无效作功，不仅会影响人体正常的生理功能，而且会增加心脏的负荷，从远期结局来看，不利于患者的健康。为了分析长期疗效，我们计算了功率损失。在开窗手术中，肺静脉向左心房的结构过渡更加平缓，避免出现传统手术中吻合口突然扩张和收缩的现象，使肺静脉中的血液更顺畅地流入左心房，以减少能量损失。数值模拟结果证实，开窗手术在降低功率损失、提高功率转换效率方面对TAPVC的治疗有积极的作用。
前期研究注意到WSS与内皮细胞的功能和结构密切相关，提示当WSS> 35 Pa或WSS < 0.2 Pa时，内膜增生有扩散的可能。本研究的WSS均大于0.2 Pa，开窗手术中WSS小于35 Pa，传统手术中WSS大于35 Pa。这可能与传统手术中吻合口的结构及该部位血流速度的复杂变化程度有关。因此，我们推测传统手术可能会增加内膜增生的可能性。但这一观点需要进一步验证。
对重构的CFD模型和边界条件进行了简化。在今后的工作中，应建立更多针对患者的模型并获取其边界条件，以保证数值模拟结果的准确性和有效性。此外，研究中假设肺静脉和左心房为刚性壁，未考虑血流与壁之间的相互作用，这可能会对计算结果产生影响。在今后的工作中，应考虑采用流固耦合方法（流固耦合（fluid solid interaction，简称FSI)，是将计算流体力学（CFD）与计算固体力学（CSM）结合在一起计算固体在流体作用下应力应变及流体在固体变形影响下的流场改变）以模拟不同手术方式对TAPVC的治疗。最后，最好在动物实验中证实这一结论。
该初步研究表明，所提出的开窗手术在治疗TAPVC方面优于传统手术。开窗手术表现出良好的血流动力学性能，其允许血液从肺静脉更平稳地流入左房，减小了肺静脉与左房之间的压力差，并提高了功率转换效率。综上所述，开窗手术可能为TAPVC的治疗提供一种新的手术方式改变，为临床医生制定新的手术方案提供参考。
