经导管主动脉瓣植入机械瓣环的血流动力学性能：一项体外研究

《Interdisciplinary CardioVascular and Thoracic Surgery》：The hemodynamic performance of transcatheter heart valve in bileaflet mechanical valve: An in-Vitro study

本研究针对机械复合带瓣管道失效后再次手术风险高的问题，开展了Valve-in-MHV（经导管主动脉瓣植入机械瓣环）这一创新杂交技术的体外血流动力学评估。研究人员通过模拟循环系统结合粒子图像测速技术发现，该杂交配置虽产生更接近生理的中心血流，但有效开口面积(EOA)最小(1.44 cm2)，且湍流动能(TKE)最高(0.53 m2/s2)，提示其可能增加血栓形成风险。该研究为高风险患者提供了新的治疗思路，并强调了优化瓣膜尺寸匹配的重要性。

　　

当心脏的主动脉瓣出现严重病变时，瓣膜置换手术成为拯救生命的关键。目前临床主要使用两种人工瓣膜：机械心脏瓣膜（MHV）和生物心脏瓣膜（BHV）。机械瓣耐用但需要患者终身服用抗凝药，由此带来的出血风险犹如悬在患者头上的达摩克利斯之剑；生物瓣虽无需长期抗凝，但其使用寿命有限，多年后可能因结构瓣膜退化（SVD）而需要再次手术。对于一部分特殊患者，尤其是那些因主动脉根部动脉瘤等疾病而接受了“复合带瓣管道”（即将机械瓣膜缝合在人工血管上整体替换主动脉根部）手术的患者，若机械瓣膜出现问题，传统的再次手术需要将整个管道移除，技术难度极高，风险巨大。这就催生了一个大胆的设想：能否以一种更微创的方式解决这个难题？比如，仅移除机械瓣的叶片，保留其坚硬的瓣环，然后像“俄罗斯套娃”一样，在这个环内植入一个经导管主动脉瓣（THV）。这种创新的杂交技术被称为“瓣中机械瓣”（Valve-in-MHV）。然而，这种全新组合的血流动力学表现如何？它是否能产生令人满意的血流，还是会因为结构的改变而引发新的问题，比如压力梯度增高或湍流加剧从而增加血栓风险？这些未知数亟待解答。

为了回答这些问题，由Chiara Catalano等人组成的研究团队在《Interdisciplinary CardioVascular and Thoracic Surgery》上发表了一项体外模拟研究。研究人员构建了一个精密的左心模拟循环系统，并结合背光式粒子图像测速技术（PIV），对三种瓣膜配置进行了细致的对比：单纯的St. Jude Medical（SJM）机械瓣（MHV）、单纯的Medtronic CoreValve经导管瓣膜（THV）、以及将CoreValve THV植入到SJM MHV瓣环内形成的Valve-in-MHV杂交配置。研究在3升/分钟和5升/分钟两种心输出量（CO）条件下，测量了跨瓣压差（PG）、有效开口面积（EOA）等经典血流动力学参数，并首次详细评估了杂交配置下的流速场、湍流动能（TKE）和雷诺剪切应力（RSS）。

材料与方法概要

本研究核心是体外模拟。研究人员使用脉冲复制器模拟左心循环，该系统由 pulsatile piston pump（脉动活塞泵）、ventricular chamber（心室腔）、test cell（测试室，用于安装被测瓣膜）、compliance chamber（顺应性腔室）、resistance element（阻力元件）等构成。测试段是一个透明的厚壁硅胶模型，其几何形状模仿了Dacron人工血管。关键的MHV瓣环是通过高分辨率微CT扫描SJM瓣膜后，使用3D打印技术复制的树脂环，避免了破坏真实机械瓣。研究采用背光式PIV技术进行流场测量，使用荧光微粒作为示踪剂，通过高速相机记录血流图像，再利用专业软件（PIVlab）分析得到流速、TKE和RSS等数据。

结果

血流动力学测量

在5 L/min的生理条件下，三种瓣膜配置的血流动力学参数表现出显著差异（P < 0.001）。Valve-in-MHV配置显示出最高的平均跨瓣压差（PG）（15.5 ± 0.48 mmHg）和最小的有效开口面积（EOA）（1.44 ± 0.08 cm²）。相比之下，单纯的MHV和THV的PG较低（分别为11.5 ± 0.4 mmHg和10.89 ± 0.29 mmHg），EOA较大（分别为1.78 ± 0.08 cm²和1.88 ± 0.12 cm²）。在3 L/min的低流量条件下，也观察到类似的趋势，Valve-in-MHV的PG最高（10.01 ± 0.3 mmHg），EOA最小（1.18 ± 0.09 cm²）。这表明杂交配置导致了最严重的流出道梗阻。

流场特性

对心脏收缩期不同阶段的流速场进行分析发现，MHV产生的是偏心的射流，冲击血管壁。而THV和Valve-in-MHV均产生中心性的射流，更接近生理状态。然而，Valve-in-MHV配置的峰值流速最高，在5 L/min时达到2.66 m/s，高于THV（2.1 m/s）和MHV（1.81 m/s）。更重要的是，湍流参数分析显示，Valve-in-MHV配置的湍流动能（TKE）和雷诺剪切应力（RSS）远高于其他两种配置。在5 L/min时，其峰值TKE为0.53 m²/s²，峰值RSS高达377 Pa，分别是MHV（TKE: 0.26 m²/s², RSS: 120 Pa）的约2倍和3倍以上，也明显高于单纯的THV（TKE: 0.31 m²/s², RSS: 261 Pa）。高TKE和RSS区域在Valve-in-MHV和THV下游呈锥形传播，而在MHV中则更为分散。这些数据表明，杂交配置虽然改善了流场的对称性，但却显著加剧了流动的湍流程度。

讨论与结论

这项研究首次通过体外实验详细揭示了Valve-in-MHV这一杂交技术的血流动力学性能。研究结论指出，将CoreValve THV植入到SJM MHV的瓣环内，虽然能产生比单纯机械瓣更生理的中心血流，但付出了高昂的“代价”：最高的跨瓣压差、最小的有效开口面积以及最剧烈的湍流。研究者分析，这主要是由于THV被限制在刚性且相对狭小的机械瓣环内（本研究中使用的是21mm的MHV），无法充分扩张，造成了“相对狭窄”。这种狭窄导致了高速射流和下游流动分离，从而引发了强烈的湍流。

其重要意义在于为临床实践提供了关键的预警和指导。极高的RSS和TKE意味着血液成分（尤其是血小板）承受的机械应力大大增加，这可能会激活凝血系统，增加瓣叶血栓形成的风险。因此，研究强调，即使移除了机械叶片，由于杂交结构本身带来的不利血流动力学以及可能残留的金属碎片，患者可能仍需要继续抗凝治疗。这并不完全否定Valve-in-MHV作为高风险患者“救命稻草”的价值，但强烈提示需要审慎选择患者。研究者推测，如果原始机械瓣环的直径更大（例如23mm或25mm），为THV提供更充分的扩张空间，其血流动力学表现可能会得到显著改善。同时，瓣膜植入深度、类型（球囊扩张式 vs 自膨胀式）等因素也需要进一步研究优化。

总之，Catalano等人的这项工作深入探讨了创新性Valve-in-MHV技术的流体力学机制，揭示了其潜在的优势与风险。它提醒临床医生，在追求微创和降低手术风险的同时，必须密切关注新配置对血流环境的深刻影响。该研究为未来优化这一杂交技术、制定更安全的手术方案奠定了重要的科学基础，推动了心脏瓣膜病治疗领域的不断探索与进步。