经导管肺动脉瓣置换术前右心室流出道与肺动脉在心动周期中的应变分析

《Pediatric Cardiology》：Right Ventricular Outflow Tract and Pulmonary Artery Strains During the Cardiac Cycle Prior to Pulmonary Valve Replacement

　　本研究针对先天性心脏病术后患者经导管肺动脉瓣置换(TPVR)前的右心室流出道/肺动脉(RVOT/PA)动态特性，通过4D计算机断层扫描(4DCT)重建20例患者舒张末期和收缩期3D几何形态，采用可变形形状模型(DSM)量化局部周向和轴向应变。结果显示轴向应变(0.28)显著大于周向应变(0.09)，且90%区域呈现正应变比，揭示RVOT/PA在收缩期同时发生扩张和伸长。该发现对TPVR装置设计及患者选择具有重要指导意义。

　　

对于数百万先天性心脏病患者而言，右心室流出道和肺动脉(RVOT/PA)就像一条生命通道，其动态特性直接关系到心脏功能的发挥。特别是在接受外科修复手术后，这些结构需要具备足够的灵活性——在心脏收缩期既要扩张以容纳射出的血液，又要因心室收缩而伸长。然而，当前经导管肺动脉瓣置换(TPVR)装置的设计却面临着一个严峻挑战：它们无法完全适应这种复杂的动态变形。当支架扩张时，它们会缩短，从而在植入后使RVOT/PA在轴向方向上变得僵硬。这种不匹配可能导致右心室负荷改变、肺动脉血流动力学异常，甚至增加支架疲劳风险。

为了解决这一难题，由Liam Swanson领衔的国际研究团队在《Pediatric Cardiology》上发表了一项创新研究。他们采用先进的4D计算机断层扫描(4DCT)技术，结合可变形形状模型(DSM)方法，首次系统量化了TPVR患者RVOT/PA在心动周期中的应变特性。

研究团队采用了几个关键技术方法：从美国科罗拉多儿童医院2019-2022年间的临床数据库中筛选20例CHD患者4DCT影像数据；使用3D Slicer软件分割RVOT/PA区域并建立DSM实现点对应关系；基于Green-Lagrange应变张量计算周向和轴向应变分量；将RVOT/PA划分为不同区域进行应变分析。

患者人群与4D CT图像

研究最终纳入20例患者(35%女性，年龄34±15岁)，其中50%为肺动脉狭窄，45%为法洛四联症(Tetralogy of Fallot)。通过对比舒张末期(RVOT/PAD)和收缩末期(RVOT/PAs)的几何测量发现，收缩期RVOT/PA直径增加11%，长度增加26%，体积增加49%，证实了该结构的显著动态特性。

统计形状模型

研究团队成功建立了RVOT/PA的DSM，模板与患者实际解剖的差异极小(平均表面距离0.009±0.005 mm)，远小于CT图像体素尺寸，确保了模型的准确性。

应变和应变比估计

应变分析揭示了关键发现：整体上周向应变范围(-0.28-0.30，面积加权平均0.09)明显小于轴向应变范围(-0.16-0.95，面积加权平均0.28)。轴向应变在RVOT近端最高，向PA分叉处逐渐减小，而周向应变则呈现相反趋势。90%的RVOT/PA区域显示正应变比，表明这些区域在收缩期同时发生扩张和伸长。

区域分析进一步显示，RVOT区域主要经历轴向伸长(正轴向应变)，而肺动脉干区域则表现出更大的周向扩张。前后区域的应变分布也存在差异，后部区域的应变比更为显著。

这项研究的重要意义在于首次系统量化了TPVR患者RVOT/PA的复杂应变模式。研究结果挑战了当前TPVR装置的设计理念——这些基于菱形细胞结构和圆形横截面的装置在扩张时会缩短，与RVOT/PA的自然动力学特性相悖。这不仅会影响装置的血流动力学性能，还可能将周期性轴向负荷转移到TPVR支架上，增加疲劳失效风险。

研究人员建议，未来TPVR装置设计应考虑拉胀结构(auxetic designs)，这种结构在扩张时能够实现轴向伸长，更好地模拟自然解剖动力学。同时，装置性能测试标准也应纳入轴向加载条件，以更真实地反映体内环境。

该研究建立的DSM方法具有广泛适用性，可扩展到其他4D成像模态，如4D电影磁共振成像，有助于减少患者电离辐射暴露。随着TPVR患者数据库的不断扩大，这种方法有望为患者筛选和装置选择提供更精确的指导，最终改善先天性心脏病患者的长期治疗效果。

研究也存在一定局限性，包括样本量较小、不同修复类型亚组分析能力有限，以及仅分析心动周期两个时间点而非最大应变值。此外，计算的应变是相对于舒张末期的相对值，并未考虑组织的预应变状态。尽管如此，这项研究为理解RVOT/PA生物力学特性提供了重要基础，为下一代TPVR装置的优化设计指明了方向。