引用本文： 李藝, 陶涼, 周宏, 龍艷麗, 程冠. 計算流體力學在主動脈根部重建手術中的應用. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2021, 28(12): 1482-1487. doi: 10.7507/1007-4848.202008040 復制
計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）是隨著計算機的發展而產生的一個介于數學、流體力學和計算機之間的交叉學科，通過計算機和數值方法來求解流體力學的控制方程，對流體力學問題進行模擬和分析，近年來在醫學領域應用廣泛。主動脈根部是一個多結構的功能復合體，且每例患者主動脈根部結構獨一無二，這使得主動脈根部重建手術的設計相對復雜，如何個體化地評估手術前后的血流動力學是目前所面臨的重要問題。本研究旨在運用 CFD 技術重建主動脈三維模型，嘗試從流體力學角度評估手術前后主動脈內血流動力學特征，分析該技術在主動脈根部重建術中的應用價值。
1 資料與方法
1.1 臨床資料
納入我院 1 例主動脈瓣重度狹窄患者，男，58 歲，主訴“間斷胸悶、胸痛 1 年余”。術前超聲心動圖提示：主動脈瓣開口重度狹窄，峰值血流速度為 4.0 m/s，左室射血分數 52%。隨后于我院行“主動脈根部重建術”。
1.2 方法
1.2.1 主動脈根部及升主動脈三維模型建立
（1）術前建模：將 CT 檢查（德國西門子雙源 256 排）得到的原始格式數據導入 Mimics 軟件（版本 21.0）。選取建模范圍為主動脈弓三分支處至心臟膈面水平。新建蒙版（mask）覆蓋上述區域，調整閾值范圍為蒙版區域契合心臟與主動脈內的血液部分，常規分辨率下無明顯孔洞（holes），且血管壁及心肌等軟組織盡可能少蒙版覆蓋。多次使用蒙版分割工具（split mask）對建立蒙版進行處理，最終保留主動脈根部、升主動脈、部分降主動脈、主動脈弓及其分支動脈。最后將實體化三維模型導入 3-matic 軟件（版本 21.0）進行細節優化及處理。獲取主動脈管徑分布的極值和瓣膜鈣化的分布區域。保存該原始模型。（2）術后建模步驟同上，同時保存該模型。（3）手術完成后與手術團隊進行交流評估，結合模型對患者手術前后主動脈根部情況形成直觀了解，總結可改進的手術細節，可通過 3-matic 的 Design 和 Finish 中的諸多功能對原有模型進行虛擬處理，在理想狀態下盡可能恢復生理解剖及合乎流體力學的結構。保存該處理模型為理想狀態模型。
1.2.2 血流動力學模型的建立
將上述模型在 3-matic 軟件進行體網格（非結構網格）生成及優化后導入 CFX 軟件（版本 16.0）。整體流程忽略熱傳導、重力的影響。流體理化性質設定如下：密度（血液）為 1 050 kg/m3，溫度為 37℃，粘滯度為 0.003 5 Pa/s，為不可壓縮的牛頓流體。邊界條件中，設定主動脈為剛性，無彈性及厚度；入口（主動脈瓣口）設定為“速度”（velocity），其具體數值由患者的心臟超聲得到，出口（主動脈弓三分支及降主動脈）設定為“壓強”（pressure），并使用 k-epsilon 湍流模型。殘差設定為 10-4，雙倍精度（double precision）進行求解。迭代次數上限設置為 5 000 次，長時間不收斂則重新優化網格及檢查初試參數條件。收斂后結果在 CFX 軟件中進行后處理，得到血液流速場、血管壁應力分布、壓強分布等數據。術前、術后及理想狀態下均進行一次仿真。
1.2.3 手術方法
以所測量的主動脈竇管交界直徑作為標準，裁剪牛心包材料為三葉主動脈瓣形狀。游離緣總長度為竇管交界周長，每個瓣葉游離緣長度為總長的 1/3 或根據瓣竇大小適當調整。瓣葉高度為竇管交界半徑的 1.5 倍。以 4-0 Prolene 線縫合牛心包瓣葉于主動脈瓣環處，交界處懸吊于主動脈外壁打結固定；瓣膜縫合完畢，檢查瓣葉啟閉情況后常規縫合主動脈切口，開放主動脈前，充分排氣，心臟復跳，血流動力學平穩后停機，采用經食管彩色多普勒超聲心動圖實時觀察心臟及瓣膜功能。實際對主動脈瓣膜及相關結構的處理以術中探查為準。
2 結果
2.1 主動脈根部及升主動脈三維重建
通過對術前影像學資料重建可見本例患者主動脈瓣存在明顯鈣化灶，主要分布于左冠狀動脈瓣與右冠狀動脈瓣交界及右冠狀動脈瓣根部（圖 1a）。術前模型可見升主動脈明顯增寬，同時主動脈根部及主動脈竇管結合部（STJ）被動擴張；另外，主動脈弓與降主動脈之間存在較為銳利的夾角，可能與增寬的升主動脈容量增多、重力牽引有關，存在潛在血流動力學異常的隱患（圖 1b）；術后模型則明顯可見對擴張升主動脈的處理痕跡，主動脈根部重建后可見清晰的 STJ，主動脈竇部亦進行成形處理。但美中不足的是，升主動脈局部存在隆起，其管徑并未進行環縮，另外弓部與降主動脈夾角依然存在（圖 1c）；理想狀態模型則對于上述兩點進行處理，嘗試還原符合最佳血流動力學的解剖結構（圖 1d）。
圖1
術前影像學資料重建
a：術前主動脈根部三維模型重建，視角為切開升主動脈后的俯視圖；b～d：術前、術后及理想狀態下主動脈三維重建示意圖，紅箭頭（向上）所示為主動脈弓與降主動脈夾角較銳利；紅箭頭（向下）所示為升主動脈局部隆起；LAD：冠狀動脈左前降支；LM：冠狀動脈左主干；LCX：冠狀動脈左回旋支；RCA：右冠狀動脈；LCC：左冠狀動脈竇；RCC：右冠狀動脈竇；NCC：無冠狀動脈竇
2.2 術前、術后及理想狀態下的主動脈管徑分布
通過三者直方圖可見，術前升主動脈管徑峰值區域相對偏右（半徑更大），而術后及理想狀態下的管徑則明顯縮小。因為術后升主動脈局部存在未處理的隆起區域，故其部分區域管徑較理想狀態更大。云圖則更直觀顯示出三者管徑的對比（圖 2）。
圖2
術前、術后及理想狀態下的主動脈管徑分布直方圖與云圖
a～c：分別為術前、術后、理想狀態下主動脈管徑分布直方圖；d：從上到下依次為術前、術后、理想狀態下主動脈管徑云圖
2.3 術前、術后及理想狀態下血流動力學仿真結果
通過 CFX 對三維模型進行血流動力學仿真可見，術前升主動脈內血流速度、管壁壓強及剪應力強度較大區域分布于升主動脈前壁（紅橙區域），值得一提的是，弓部與降主動脈銳夾角后的血流速度加快，局部管壁壓強及剪應力亦增加（黑色箭頭所示）。術后升主動脈內血流速度、管壁壓強及剪應力強度較術前有所下降，但流速的分布并不均勻（色彩非均勻漸變）。理想狀態下的血流動力學仿真可見血流速度、管壁壓強及剪應力下降，升主動脈內部及弓部與降主動脈夾角后部的血流速度、管壁壓強和剪應力無明顯局部異常區域（圖 3）。理想狀態下降主動脈內血液流線較手術前后更為規律穩定（圖 4）。
圖3
術前、術后及理想狀態下血流動力學仿真結果
圖4
管腔內仿真血液流線分布
a～c：分別為術前、術后及理想狀態下管腔內仿真血液流線分布；紅色箭頭所示為理想狀態下弓部及降主動脈內流線紊亂得到改善
2.4 手術結果
本次手術體外循環時間 106 min，其中主動脈阻斷時間 60 min。術后當天心臟超聲提示：主動脈瓣膜開閉良好，收縮期峰值血流速度為 1.7 m/s。患者術后總住院時間 12 d，其中住 ICU 時間 2 d，呼吸機使用時間 11.6 h。患者康復出院。1 年后隨訪患者未訴明顯不適，但患者拒絕行進一步檢查。
3 討論
主動脈根部又稱為主動脈根部復合體，主動脈瓣葉、瓣環、竇部、竇管交界等結構一方面在生理功能上相互配合，維持主動脈根部最佳的血流動力學狀態，另一方面也使得主動脈根部重建手術相對復雜，需要預先考慮與關注的因素更多[1]。傳統的術前評估手段主要包括 CT 與心臟超聲檢查，前者可以對主動脈的解剖結構進行評估，后者則側重于功能性評估，總體而言已提供相對豐富的參數。但隨著個體化手術設計理念的普及，解剖與功能的耦合及手術的虛擬設計（基于建模與流體仿真）逐漸受到國內外科術者的重視，而這將彌補傳統檢查的短板，豐富術前評估的內容及多樣性[2-3]。以下將結合本研究結果，從建模及流體仿真的角度討論 CFD 在主動脈根部重建手術中的應用。
3.1 術前建模的應用價值
3.1.1 精細的解剖評估
除獲得常規檢查手段的數據外，術前通過專業軟件進行三維重建可深度挖掘更多的解剖參數。首先是限定范圍內的主動脈管徑分布統計。管徑分布不僅通過云圖可視化，且直方圖亦可反映其極值等具體參數（圖 2 ）。通過對比手術前后管徑分布可直觀且定量掌握手術效果，對于局部管徑異常區域亦可提前知曉，術中進行針對性處理。其次是主動脈瓣鈣化可視化。傳統 CT 等檢查手段僅能通過二維平面的高密度影進行評估，缺乏對鈣化組織空間分布及與毗鄰組織關系上的認識。不同患者主動脈瓣鈣化程度及分布均不同，這可讓術者在術中處理鈣化灶時更加有的放矢（圖 1a ）。
3.1.2 評估手術效果
理論上外科手術的宗旨是達到糾正解剖異常，盡可能恢復解剖重構，但大多數時候難以完全糾正，這時候可通過手術前后對于病變部位的三維重建模型進行直觀對比評估，積累手術經驗及改良策略[4]。
3.1.3 預設計手術
目前手術團隊進行手術預設計時往往只能通過紙上畫圖以及結合影像學結果進行術前討論，對于解剖功底薄弱的醫師或醫學生而言有時難以精準理解手術方式及細節，通過術前三維重建及 3D 打印技術，可讓術前手術設計更為精準與個體化。其次，主動脈根部疾病往往合并升主動脈擴張，結合管徑測量參數，術前可以通過專業軟件對擴張的升主動脈的切除范圍或 STJ 的環縮進行模擬處理，亦可提前對瓣膜修復或更換進行虛擬處理，讓術者在術前心中有數，術中有的放矢。
3.2 流體仿真的應用價值
3.2.1 獲取專業參數
首先，利用心臟超聲或磁共振成像（MRI）所提供的主動脈開口初始流速，可通過流體仿真獲取主動脈根部及升主動脈內血液流速的大小、方向及其分布，近年來超聲領域的血液斑點追蹤技術（blood speckle imaging，BSI）及血流向量成像（vector flow mapping，VFM）獲取流體實時方向及其它專業血流動力學參數[5-6]。以往臨床醫師大多關注主動脈根部血液流速值，但事實上血流方向同樣不容忽視。通過流體仿真可直觀看到血流在術前升主動脈中流速較大值及曲線分布密集區域位于前壁，與擴張區域一致（圖 3～4 ）。機制可能與主動脈瓣狹窄所致的高速血流沖擊及高剪應力使主動脈管壁發生重構有關[7]。其次，流體仿真還可計算出血液對血管壁的壓強分布以及剪應力（wall shear stress）分布，高壓強及剪應力可對正常主動脈管壁結構產生損傷，繼而誘發局部管腔擴張，甚至形成夾層[8]，提前進行模擬預測有助于篩選出潛在的升主動脈擴張的高危患者，或對于已存在擴張的患者進行個體化診治[9]。若仿真后局部出現明顯低壓區或低剪應力區，則需注意此處可能存在動脈粥樣硬化的風險[10]。最后，湍流強度、渦流等罕見應用的評估參數，從流體力學角度而言，二者異常可增加心臟做功時的能量損耗，后者目前可通過流體仿真得到，亦可通過超聲 VFM 技術獲取[11]。
3.2.2 功能上評估手術效果
因升主動脈擴張形變的緣故，該患者主動脈弓部被向下“拉扯”，導致其與降主動脈形成夾角（圖 3）。根據流體力學中的連續性方程可知，當流量固定，管徑減小時，局部血流速度增快，同時狹窄后管腔相對擴張，流體易在該處形成渦流及湍流，術前血液流線圖呈高流速且紊亂狀態。盡管術后主動脈根部及升主動脈的血流動力學有所改善，但手術并未處理弓部局限性狹窄（從實際手術方案上的確難以處置），而我們可以使用軟件進行虛擬狹窄修復，同時進行血流動力學再次模擬可見局部流線紊亂的情況得到明顯改善（圖 4 ）。我們將對該患者進行密切隨訪，因其存在狹窄后局部擴張的潛在隱患。這即為通過 CFD 從功能上協助評估手術效果。
本研究通過 1 例患者手術前后及理想狀態下的主動脈三維建模及流體仿真，詳細論述目前 CFD 在主動脈根部重建手術中的應用現況。作為一門跨學科專業，CFD 在醫學多專科中得到開發與實踐，一方面加深了臨床醫師對于部分疾病機制的理解，可與當下熱門的 3D 打印技術相結合，另一方面使術前評估更為全面立體，植入物設計更符合仿生學邏輯。這不僅可為虛擬診療的建立與發展提供技術支持，同時也可為患者提供更為精準與個體化的診治方案。
本研究尚存在一定局限性。首先三維重建過程其實存在一定主觀性，對于模型的處理以及血流動力學仿真的參數設置，存在可以進一步規范化的地方。其次缺乏對患者術后不同時間段的隨訪。最后，本研究僅為個案報道，計算流體力學在主動脈根部重建術中的指導價值尚待更大樣本量的研究進一步證實。
利益沖突：無。
作者貢獻：李藝負責數據收集、軟件操作及論文撰寫；陶涼、周宏負責論文設計、修改；龍艷麗、程冠負責數據收集、整理及臨床指導。
計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）是隨著計算機的發展而產生的一個介于數學、流體力學和計算機之間的交叉學科，通過計算機和數值方法來求解流體力學的控制方程，對流體力學問題進行模擬和分析，近年來在醫學領域應用廣泛。主動脈根部是一個多結構的功能復合體，且每例患者主動脈根部結構獨一無二，這使得主動脈根部重建手術的設計相對復雜，如何個體化地評估手術前后的血流動力學是目前所面臨的重要問題。本研究旨在運用 CFD 技術重建主動脈三維模型，嘗試從流體力學角度評估手術前后主動脈內血流動力學特征，分析該技術在主動脈根部重建術中的應用價值。
1 資料與方法
1.1 臨床資料
納入我院 1 例主動脈瓣重度狹窄患者，男，58 歲，主訴“間斷胸悶、胸痛 1 年余”。術前超聲心動圖提示：主動脈瓣開口重度狹窄，峰值血流速度為 4.0 m/s，左室射血分數 52%。隨后于我院行“主動脈根部重建術”。
1.2 方法
1.2.1 主動脈根部及升主動脈三維模型建立
（1）術前建模：將 CT 檢查（德國西門子雙源 256 排）得到的原始格式數據導入 Mimics 軟件（版本 21.0）。選取建模范圍為主動脈弓三分支處至心臟膈面水平。新建蒙版（mask）覆蓋上述區域，調整閾值范圍為蒙版區域契合心臟與主動脈內的血液部分，常規分辨率下無明顯孔洞（holes），且血管壁及心肌等軟組織盡可能少蒙版覆蓋。多次使用蒙版分割工具（split mask）對建立蒙版進行處理，最終保留主動脈根部、升主動脈、部分降主動脈、主動脈弓及其分支動脈。最后將實體化三維模型導入 3-matic 軟件（版本 21.0）進行細節優化及處理。獲取主動脈管徑分布的極值和瓣膜鈣化的分布區域。保存該原始模型。（2）術后建模步驟同上，同時保存該模型。（3）手術完成后與手術團隊進行交流評估，結合模型對患者手術前后主動脈根部情況形成直觀了解，總結可改進的手術細節，可通過 3-matic 的 Design 和 Finish 中的諸多功能對原有模型進行虛擬處理，在理想狀態下盡可能恢復生理解剖及合乎流體力學的結構。保存該處理模型為理想狀態模型。
1.2.2 血流動力學模型的建立
將上述模型在 3-matic 軟件進行體網格（非結構網格）生成及優化后導入 CFX 軟件（版本 16.0）。整體流程忽略熱傳導、重力的影響。流體理化性質設定如下：密度（血液）為 1 050 kg/m3，溫度為 37℃，粘滯度為 0.003 5 Pa/s，為不可壓縮的牛頓流體。邊界條件中，設定主動脈為剛性，無彈性及厚度；入口（主動脈瓣口）設定為“速度”（velocity），其具體數值由患者的心臟超聲得到，出口（主動脈弓三分支及降主動脈）設定為“壓強”（pressure），并使用 k-epsilon 湍流模型。殘差設定為 10-4，雙倍精度（double precision）進行求解。迭代次數上限設置為 5 000 次，長時間不收斂則重新優化網格及檢查初試參數條件。收斂后結果在 CFX 軟件中進行后處理，得到血液流速場、血管壁應力分布、壓強分布等數據。術前、術后及理想狀態下均進行一次仿真。
1.2.3 手術方法
以所測量的主動脈竇管交界直徑作為標準，裁剪牛心包材料為三葉主動脈瓣形狀。游離緣總長度為竇管交界周長，每個瓣葉游離緣長度為總長的 1/3 或根據瓣竇大小適當調整。瓣葉高度為竇管交界半徑的 1.5 倍。以 4-0 Prolene 線縫合牛心包瓣葉于主動脈瓣環處，交界處懸吊于主動脈外壁打結固定；瓣膜縫合完畢，檢查瓣葉啟閉情況后常規縫合主動脈切口，開放主動脈前，充分排氣，心臟復跳，血流動力學平穩后停機，采用經食管彩色多普勒超聲心動圖實時觀察心臟及瓣膜功能。實際對主動脈瓣膜及相關結構的處理以術中探查為準。
2 結果
2.1 主動脈根部及升主動脈三維重建
通過對術前影像學資料重建可見本例患者主動脈瓣存在明顯鈣化灶，主要分布于左冠狀動脈瓣與右冠狀動脈瓣交界及右冠狀動脈瓣根部（圖 1a）。術前模型可見升主動脈明顯增寬，同時主動脈根部及主動脈竇管結合部（STJ）被動擴張；另外，主動脈弓與降主動脈之間存在較為銳利的夾角，可能與增寬的升主動脈容量增多、重力牽引有關，存在潛在血流動力學異常的隱患（圖 1b）；術后模型則明顯可見對擴張升主動脈的處理痕跡，主動脈根部重建后可見清晰的 STJ，主動脈竇部亦進行成形處理。但美中不足的是，升主動脈局部存在隆起，其管徑并未進行環縮，另外弓部與降主動脈夾角依然存在（圖 1c）；理想狀態模型則對于上述兩點進行處理，嘗試還原符合最佳血流動力學的解剖結構（圖 1d）。
圖1
術前影像學資料重建
a：術前主動脈根部三維模型重建，視角為切開升主動脈后的俯視圖；b～d：術前、術后及理想狀態下主動脈三維重建示意圖，紅箭頭（向上）所示為主動脈弓與降主動脈夾角較銳利；紅箭頭（向下）所示為升主動脈局部隆起；LAD：冠狀動脈左前降支；LM：冠狀動脈左主干；LCX：冠狀動脈左回旋支；RCA：右冠狀動脈；LCC：左冠狀動脈竇；RCC：右冠狀動脈竇；NCC：無冠狀動脈竇
2.2 術前、術后及理想狀態下的主動脈管徑分布
通過三者直方圖可見，術前升主動脈管徑峰值區域相對偏右（半徑更大），而術后及理想狀態下的管徑則明顯縮小。因為術后升主動脈局部存在未處理的隆起區域，故其部分區域管徑較理想狀態更大。云圖則更直觀顯示出三者管徑的對比（圖 2）。
圖2
術前、術后及理想狀態下的主動脈管徑分布直方圖與云圖
a～c：分別為術前、術后、理想狀態下主動脈管徑分布直方圖；d：從上到下依次為術前、術后、理想狀態下主動脈管徑云圖
2.3 術前、術后及理想狀態下血流動力學仿真結果
通過 CFX 對三維模型進行血流動力學仿真可見，術前升主動脈內血流速度、管壁壓強及剪應力強度較大區域分布于升主動脈前壁（紅橙區域），值得一提的是，弓部與降主動脈銳夾角后的血流速度加快，局部管壁壓強及剪應力亦增加（黑色箭頭所示）。術后升主動脈內血流速度、管壁壓強及剪應力強度較術前有所下降，但流速的分布并不均勻（色彩非均勻漸變）。理想狀態下的血流動力學仿真可見血流速度、管壁壓強及剪應力下降，升主動脈內部及弓部與降主動脈夾角后部的血流速度、管壁壓強和剪應力無明顯局部異常區域（圖 3）。理想狀態下降主動脈內血液流線較手術前后更為規律穩定（圖 4）。
圖3
術前、術后及理想狀態下血流動力學仿真結果
圖4
管腔內仿真血液流線分布
a～c：分別為術前、術后及理想狀態下管腔內仿真血液流線分布；紅色箭頭所示為理想狀態下弓部及降主動脈內流線紊亂得到改善
2.4 手術結果
本次手術體外循環時間 106 min，其中主動脈阻斷時間 60 min。術后當天心臟超聲提示：主動脈瓣膜開閉良好，收縮期峰值血流速度為 1.7 m/s。患者術后總住院時間 12 d，其中住 ICU 時間 2 d，呼吸機使用時間 11.6 h。患者康復出院。1 年后隨訪患者未訴明顯不適，但患者拒絕行進一步檢查。
3 討論
主動脈根部又稱為主動脈根部復合體，主動脈瓣葉、瓣環、竇部、竇管交界等結構一方面在生理功能上相互配合，維持主動脈根部最佳的血流動力學狀態，另一方面也使得主動脈根部重建手術相對復雜，需要預先考慮與關注的因素更多[1]。傳統的術前評估手段主要包括 CT 與心臟超聲檢查，前者可以對主動脈的解剖結構進行評估，后者則側重于功能性評估，總體而言已提供相對豐富的參數。但隨著個體化手術設計理念的普及，解剖與功能的耦合及手術的虛擬設計（基于建模與流體仿真）逐漸受到國內外科術者的重視，而這將彌補傳統檢查的短板，豐富術前評估的內容及多樣性[2-3]。以下將結合本研究結果，從建模及流體仿真的角度討論 CFD 在主動脈根部重建手術中的應用。
3.1 術前建模的應用價值
3.1.1 精細的解剖評估
除獲得常規檢查手段的數據外，術前通過專業軟件進行三維重建可深度挖掘更多的解剖參數。首先是限定范圍內的主動脈管徑分布統計。管徑分布不僅通過云圖可視化，且直方圖亦可反映其極值等具體參數（圖 2 ）。通過對比手術前后管徑分布可直觀且定量掌握手術效果，對于局部管徑異常區域亦可提前知曉，術中進行針對性處理。其次是主動脈瓣鈣化可視化。傳統 CT 等檢查手段僅能通過二維平面的高密度影進行評估，缺乏對鈣化組織空間分布及與毗鄰組織關系上的認識。不同患者主動脈瓣鈣化程度及分布均不同，這可讓術者在術中處理鈣化灶時更加有的放矢（圖 1a ）。
3.1.2 評估手術效果
理論上外科手術的宗旨是達到糾正解剖異常，盡可能恢復解剖重構，但大多數時候難以完全糾正，這時候可通過手術前后對于病變部位的三維重建模型進行直觀對比評估，積累手術經驗及改良策略[4]。
3.1.3 預設計手術
目前手術團隊進行手術預設計時往往只能通過紙上畫圖以及結合影像學結果進行術前討論，對于解剖功底薄弱的醫師或醫學生而言有時難以精準理解手術方式及細節，通過術前三維重建及 3D 打印技術，可讓術前手術設計更為精準與個體化。其次，主動脈根部疾病往往合并升主動脈擴張，結合管徑測量參數，術前可以通過專業軟件對擴張的升主動脈的切除范圍或 STJ 的環縮進行模擬處理，亦可提前對瓣膜修復或更換進行虛擬處理，讓術者在術前心中有數，術中有的放矢。
3.2 流體仿真的應用價值
3.2.1 獲取專業參數
首先，利用心臟超聲或磁共振成像（MRI）所提供的主動脈開口初始流速，可通過流體仿真獲取主動脈根部及升主動脈內血液流速的大小、方向及其分布，近年來超聲領域的血液斑點追蹤技術（blood speckle imaging，BSI）及血流向量成像（vector flow mapping，VFM）獲取流體實時方向及其它專業血流動力學參數[5-6]。以往臨床醫師大多關注主動脈根部血液流速值，但事實上血流方向同樣不容忽視。通過流體仿真可直觀看到血流在術前升主動脈中流速較大值及曲線分布密集區域位于前壁，與擴張區域一致（圖 3～4 ）。機制可能與主動脈瓣狹窄所致的高速血流沖擊及高剪應力使主動脈管壁發生重構有關[7]。其次，流體仿真還可計算出血液對血管壁的壓強分布以及剪應力（wall shear stress）分布，高壓強及剪應力可對正常主動脈管壁結構產生損傷，繼而誘發局部管腔擴張，甚至形成夾層[8]，提前進行模擬預測有助于篩選出潛在的升主動脈擴張的高危患者，或對于已存在擴張的患者進行個體化診治[9]。若仿真后局部出現明顯低壓區或低剪應力區，則需注意此處可能存在動脈粥樣硬化的風險[10]。最后，湍流強度、渦流等罕見應用的評估參數，從流體力學角度而言，二者異常可增加心臟做功時的能量損耗，后者目前可通過流體仿真得到，亦可通過超聲 VFM 技術獲取[11]。
3.2.2 功能上評估手術效果
因升主動脈擴張形變的緣故，該患者主動脈弓部被向下“拉扯”，導致其與降主動脈形成夾角（圖 3）。根據流體力學中的連續性方程可知，當流量固定，管徑減小時，局部血流速度增快，同時狹窄后管腔相對擴張，流體易在該處形成渦流及湍流，術前血液流線圖呈高流速且紊亂狀態。盡管術后主動脈根部及升主動脈的血流動力學有所改善，但手術并未處理弓部局限性狹窄（從實際手術方案上的確難以處置），而我們可以使用軟件進行虛擬狹窄修復，同時進行血流動力學再次模擬可見局部流線紊亂的情況得到明顯改善（圖 4 ）。我們將對該患者進行密切隨訪，因其存在狹窄后局部擴張的潛在隱患。這即為通過 CFD 從功能上協助評估手術效果。
本研究通過 1 例患者手術前后及理想狀態下的主動脈三維建模及流體仿真，詳細論述目前 CFD 在主動脈根部重建手術中的應用現況。作為一門跨學科專業，CFD 在醫學多專科中得到開發與實踐，一方面加深了臨床醫師對于部分疾病機制的理解，可與當下熱門的 3D 打印技術相結合，另一方面使術前評估更為全面立體，植入物設計更符合仿生學邏輯。這不僅可為虛擬診療的建立與發展提供技術支持，同時也可為患者提供更為精準與個體化的診治方案。
本研究尚存在一定局限性。首先三維重建過程其實存在一定主觀性，對于模型的處理以及血流動力學仿真的參數設置，存在可以進一步規范化的地方。其次缺乏對患者術后不同時間段的隨訪。最后，本研究僅為個案報道，計算流體力學在主動脈根部重建術中的指導價值尚待更大樣本量的研究進一步證實。
利益沖突：無。
作者貢獻：李藝負責數據收集、軟件操作及論文撰寫；陶涼、周宏負責論文設計、修改；龍艷麗、程冠負責數據收集、整理及臨床指導。
