关于儿童主动脉瓣重建中适应环形生长的瓣叶配置的可行性研究

《Journal of Biomechanics》：A feasibility study of leaflets configuration adaptive to annular growth in pediatric aortic valve reconstruction

　　主动脉瓣重建手术在儿科应用中虽保留天然瓣环和生理生长优势，但临床设计的过度高度和不足宽度导致瓣叶应力集中，术后3年21%患者出现严重反流或需二次手术。本研究通过数值模拟和体外实验，发现传统瓣叶设计在瓣环扩张时出现应力峰值（增幅4.61%）和反流率增加，而优化后的宽叶型瓣叶（增加2.8mm宽度，减少3.2mm冗余基底组织）使应力分布均匀，反流率仅上升1.03%。研究证实瓣叶几何参数直接影响生长适应性，为儿科瓣膜重建提供优化设计依据。

　　

冯文涛|唐晓兰|张爱倩|李如雅|范向明|范宇博

北京航空航天大学生物力学与机械生物学重点实验室（教育部），工业和信息化部先进医疗设备创新与转化重点实验室，国家先进医疗设备产教融合创新平台（医学与工程交叉领域），生物科学与医学工程学院，北京100191，中国

摘要

主动脉瓣重建术保留了原有的主动脉瓣环，并允许其生理性生长，为儿科患者提供了比人工瓣膜置换更好的替代方案。然而，主动脉瓣重建术后，瓣叶对瓣环生长的适应机制仍不明确，目前的临床瓣叶结构可能在儿童患者中存在一定的生长适应性限制。

本研究利用数值模拟和体外实验来模拟主动脉瓣重建后的瓣环扩张情况。我们分析了临床瓣叶结构在瓣环扩张过程中的应力分布和血流动力学性能，并为儿科患者设计了一种改进的瓣叶结构，并对其进行了可行性研究。

结果表明，现有的临床瓣叶由于高度过高、宽度过小，在瓣环扩张过程中腹侧区域会产生较高的应力集中，导致瓣膜反流率增加4.61%（p < 0.001）。改进后的瓣叶结构具有更大的宽度和更少的多余基部组织，腹侧区域的应力降低。瓣环扩张后，改进瓣膜的反流率仅增加了1.03%（p = 0.011），且未出现瓣膜功能不全的情况。

总之，瓣叶结构会影响主动脉瓣环生长过程中的瓣膜血流动力学性能。改进后的瓣叶结构具有更好的适应性，为儿科主动脉瓣重建手术中的瓣叶设计提供了优化方向。

引言

目前，治疗严重主动脉瓣疾病的金标准是人工瓣膜置换手术，即通过将固定的人工瓣膜与支架缝合到主动脉瓣环上来替换病变的天然瓣膜。然而，对于处于发育阶段的儿科患者，固定人工瓣膜的刚性支架会限制主动脉瓣环的生长。为了解决这一问题，瓣膜重建手术作为一种替代治疗方法越来越受到重视。

主动脉瓣重建手术涉及将患者自身的心包组织制成瓣叶，并将其缝合到主动脉根部以替换病变的瓣叶（Chan等人，2011年；Duran等人，1995年；Halees等人，2005年；Ozaki等人，2014年）。这种方法有两个优点：首先，无需支架固定，因此主动脉瓣环可以自由生长；其次，使用自体心包组织可以确保良好的生物相容性并减少异物反应。这种技术已广泛应用于年轻患者的治疗（Halees等人，2005年）。

然而，主动脉瓣重建术后瓣叶对瓣环生长的适应机制仍不明确，目前的临床瓣叶结构在儿童患者中可能存在一些长期限制。Wiggins等人（2020年）的研究显示，21%的儿科患者在术后3年内出现了中度至重度的瓣膜反流或需要再次手术。根据主动脉根部重建的手术方式，瓣叶结构通常设计得较大，这可能导致瓣膜跨瓣压力梯度增加和有效瓣口面积（EOA）减小。随着瓣环的扩大，瓣环与瓣叶的匹配度提高，这些血流动力学参数会有所改善。然而，这种生长相关的适应机制也可能改变瓣叶上的应力分布，从而带来新的挑战。瓣叶上的高应力区域容易发生钙化（Halevi等人，2015年），而年轻患者较高的代谢率会增加其钙化的风险（Saleeb等人，2014年），这可能影响瓣膜的长期耐久性。

在这项研究中，我们通过体外实验和数值模拟来研究主动脉瓣重建后瓣叶对瓣环生长的生物力学影响。此外，减少高应力区域可以抑制钙化（Thubrikar等人，1983年）。为了实现更均匀的瓣叶应力分布和更好的瓣膜血流动力学性能，我们为儿科患者设计了一种改进的瓣叶结构，并对其进行了可行性研究。这项工作可能为儿科主动脉瓣重建手术中的瓣叶设计提供有益的启示。

章节片段

主动脉瓣重建及瓣环生长后的瓣膜模型

初始的主动脉根部模型基于一个瓣环直径为21毫米的主动脉根部结构（Haj-Ali等人，2012年），这与儿科患者的主动脉根部尺寸相当（Wiggins等人，2020年）。临床瓣叶的几何模型基于瓣环直径为21毫米的临床瓣叶模板（Ozaki等人，2018年）。该瓣叶结构的高度为24.5毫米，宽度为25.3毫米，有14个缝合点。

根据主动脉瓣叶的缝合要求...

体外实验结果

随着瓣环的扩张，跨瓣压力梯度逐渐降低（21毫米：13.32 ± 1.10毫米汞柱；23毫米：8.56 ± 1.08毫米汞柱；25毫米：7.36 ± 0.67毫米汞柱，p < 0.001），见图4(a)。与21毫米相比，23毫米和25毫米时的压力分别降低了35.7%和44.7%。

瓣口面积（EOA）随着瓣环的扩张显著增加（21毫米：1.05 ± 0.04平方厘米；23毫米：1.39 ± 0.11平方厘米；25毫米：1.55 ± 0.07平方厘米；p < 0.001），见图4(b)。与21毫米相比，23毫米和25毫米时的EOA分别增加了32.3%和47.6%。

瓣膜反流情况...

讨论

主动脉瓣重建术为儿科患者提供了显著的优势，包括没有刚性支架的限制（允许瓣环自由生长）、更大的瓣口面积（改善了收缩期血流动力学）以及更好的生物相容性（减少了异物反应）。然而，目前尚无专门为儿科主动脉瓣重建设计的瓣叶结构。

在这项研究中，我们通过逐步将瓣叶缝合到扩张的主动脉根部上来模拟瓣环生长过程...

局限性

本研究采用了相对简化的建模框架（即固定的初始瓣环直径，假设瓣叶材料为超弹性材料，计算中使用壳单元，材料属性未根据实验数据进行调整），并且仅研究了有限的几种瓣环直径（21毫米、23毫米和25毫米）对瓣环扩张的影响。因此，结果的准确性存在一定的局限性。此外，模拟的瓣叶...

结论

本研究通过数值模拟和体外实验分析了临床瓣叶在模拟的主动脉瓣环扩张过程中的应力分布和血流动力学特性。我们发现，临床设计中过高的瓣叶高度会导致自由边缘和基部区域出现不必要的冗余，并伴随应力分布不均。同时，瓣叶宽度不足会导致瓣环扩张后的瓣膜功能不全。

因此，改进瓣叶结构...

未引用的参考文献

Sebastian等人（2019年）。

CRediT作者贡献声明

冯文涛：撰写——初稿、可视化、验证、方法学、概念构建。唐晓兰：撰写——初稿、可视化、验证、方法学、概念构建。张爱倩：资源获取、数据整理。李如雅：撰写——审稿与编辑、方法学。范向明：。范宇博：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（12332019、T2288101）、国家重点研发计划（2024YFC2418901）、北京市科技计划（Z231100004823007）、111项目（B13003）以及浙江省自然科学基金（LY23H020007）的支持。