导读：随着转化医学的发展，医工交叉已成为医学科技创新的重要途径，也成为医学科研的热门方向。临床想法从萌生到落地实践如同筑梦的过程，也是一条艰巨的探索之路。复旦大学生物力学研究所所长，复旦大学航空航天系、工程与应用技术研究院生物医学工程技术研究所王盛章教授及团队同上海交通大学医学院附属胸科医院杨天阳医师合作，对计算机模拟主动脉瓣二叶瓣成形术预测主动脉瓣环尺寸进行研究，旨在帮助心外科医生选择合适大小的主动脉瓣环，研究历时4年，于近日发表在中科院二区期刊Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials。
研究作者杨天阳医师“说”
心血管外科医工交叉的合作研究对临床医生和工科团队来说都颇具吸引力，研究初始双方充满热情，头脑风暴也带来很多具有前景的idea，双方在合作时干劲十足，热情饱满。虽然在研究推进过程中不断涌现一些阻力，如信息不对称，专业壁垒以及各种看似意想不到实则情有可缘的困难，但我们此次有幸在不断的交流，查阅文献，调整研究思路和方法的艰苦探索后获得了专业届认可的小小成果，从中最大的体会就是对医工交叉需要始终保持兴趣，坚持不懈，乐观向前。再次感谢王盛章教授和居佳怡博士的热情和毅力，以及令人敬佩的专业素养。
摘 要
二叶主动脉瓣（BAV）患者更易发生主动脉瓣反流。瓣环成形术是一项重要的治疗干预措施，但确定理想的人工瓣环尺寸仍是一项临床挑战。本研究旨在量化不同尺寸的人工瓣环对治疗 BAV 反流的影响，为有效治疗提供最佳尺寸范围，同时避免并发症。我们在特定患者 BAV 模型上模拟了瓣环成形术，使用直径 19-27 mm Hegar 扩张器缩小基底环，并使用软性瓣环固定基底环。通过有限元模拟还原 BAV 运动，然后通过计算流体力学模拟获得BAV收缩期峰值的血流动力学参数。
结果显示，随着基底环尺寸减小，瓣叶对合面积增加，同时对合区的最大主应力减小。然而，瓣环尺寸减小会显著提高窦内的收缩期峰值流速，尤其是基底环附近，从而导致邻近区域的壁内剪切应力升高。此外，过小的基底环直径会导致跨瓣压差急剧增加。这些发现表明，小尺寸瓣环能增强BAV功能性和耐久性，但瓣环过小可能会加重主动脉根部的生物力学负荷，从而可能导致组织损伤和狭窄等长期并发症。因此，这些因素为人工瓣环的最佳尺寸设定了上限和下限。
临床意义
在临床实践中，外科医生通常根据体表面积和瓣环直径等经验指标来选择 Hegar 扩张器的大小。然而，这些方法可能会忽略患者个体的解剖和病理差异，从而可能影响手术效果。计算机模拟瓣环成形术分析从生物力学的角度提供了新的见解，能够详细评估患者BAV的功能性和血流动力学参数，从而量化并预测瓣环尺寸的最佳临界值范围。
本研究收集了一名患有严重 BAV 返流的 35 岁男性患者的临床数据。根据Sievers分型，该患者被诊断为 1 型 BAV，右左冠瓣融合，伴有主动脉根部和升主动脉扩张。他接受了BAV修复手术，包括瓣叶矫治和瓣环成形术。瓣环成形术使用 23 mm Hegar 扩张器和 Gore-Tex 聚四氟乙烯（PTFE）单针缝合线（戈尔公司, 美国德拉瓦州纽瓦克市）。
对于本研究选择的患者，我们建议使用直径为 23-25mm的 Hegar 扩张器，与外科医生使用 23mm Hegar 扩张器的选择一致。瓣环成形术的上限应考虑反流是否持续存在，以及瓣叶对合面积是否足以支持 BAV 的稳定性。相反，瓣环成形术的下限应避免长期负面影响，包括主动脉根部损伤和跨瓣压差增加。
结论
在本研究中，我们在特定患者模型上用计算机模拟多种尺寸的瓣环植入，以比较它们对治疗 BAV 返流的效果，从而确定适合患者的人工瓣环植入范围。结果表明，较小的基底环可改善 BAV 功能性和外科耐久性，从而确定了瓣环尺寸的上限。然而，过大的瓣环可能会增加主动脉根部的生物力学和血流动力学负荷，可能导致长期并发症，这就确定了瓣环尺寸的下限。因此，为平衡这两方面，谨慎选择瓣环尺寸至关重要。未来，该计算机模拟管线可应用于大量患者，为临床医生决定瓣环尺寸，并总结出一般原则和生物力学建议。
原文标题
Quantitative In Silico Analysis for Patient-Specific Annuloplasty in Bicuspid Aortic Valve Regurgitation
作者
居佳怡1, 杨天阳2, 王盛章1 3
1复旦大学航空航天系生物力学研究所
2上海交通大学医学院附属胸科医院心脏大血管外科
3复旦大学工程与应用技术研究院生物医学工程技术研究所
期刊
Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials
https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2024.106829
专家简介
王盛章 教授
复旦大学生物力学研究所所长
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杨天阳 医师
上海交通大学医学院附属胸科医院
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居佳怡
复旦大学航空航天系生物力学研究所
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