4D血流MRI结合3D打印技术优化全人工心脏血流动力学评估：迈向无血栓植入的新突破

本研究针对全人工心脏(TAH)临床应用面临的血液损伤和血栓形成难题，创新性地将4D血流磁共振成像(4D flow MRI)与3D打印技术结合，成功实现了对搏动式Realheart TAH原型机左心血流动力学的精准评估。研究人员通过改进MRI兼容性测试系统，定量分析了不同心率(80/105/120 bpm)下的血流模式、湍流动能(TKE)和粘性能量损失(EL')，发现其血流停滞和粘性损耗与健康自然心脏相当，且TKE值显著低于心脏瓣膜病患者。该研究为TAH的迭代设计提供了关键实验依据，发表于《Scientific Reports》。

　　

在心脏移植供体严重短缺的背景下，全人工心脏(Total Artificial Heart, TAH)成为终末期心衰患者的重要选择。然而现有TAH存在感染、中风和溶血等并发症，其根本原因在于不良的血流动力学特征。特别是搏动式TAH因复杂的流固耦合作用，传统计算流体力学(CFD)模拟面临巨大挑战，而粒子图像测速(PIV)等实验方法又难以实现三维时空分辨的流场测量。这种技术瓶颈严重阻碍了TAH的优化设计，使得血液损伤风险居高不下。

为突破这一技术壁垒，来自瑞典林雪平大学和Scandinavian Real Heart AB的研究团队开创性地将临床应用的4D血流磁共振成像(4D flow MRI)技术引入TAH研发领域。他们通过粉末床熔融和熔丝制造3D打印技术改造Realheart TAH原型机，建立MRI兼容的模拟循环系统，在《Scientific Reports》发表了这项具有里程碑意义的研究。

研究团队采用三项关键技术：首先通过延长驱动轴至2.5米并将金属部件替换为3D打印组件，实现TAH在3T MRI系统中的安全运行；其次构建闭环液压测试系统，精确控制心房压(10 mmHg)和主动脉压(110 mmHg)等生理参数；最后应用双速度编码(70/200 cm/s)的4D flow MRI序列，以2 mm各向同性分辨率获取全心脏周期的三维速度场和湍流动能(TKE)数据，单次扫描仅需9分钟。

General flow description

路径线可视化揭示了TAH内复杂的血流特征：心房收缩期出现偏心入流(图1A)，房室圆柱(AV-cylinder)内形成典型的Dean涡旋(图1B)，心室呈现"甜甜圈"状涡环(图1C)，而出流道90°弯角处产生显著回流(图1D)。这些特征与健康心脏的生理性涡流相似，有利于血液混合和动量保持。

Flow rate

流量测量显示不同心率下(80/105/120 bpm)的每搏输出量稳定在55 mL，心输出量随心率增加从4.1升至6.2 L/min。房室圆柱的雷诺数(Re)均约7000，表明流动处于湍流过渡区。值得注意的是，80 bpm时因60%收缩期比例导致独特的流量曲线形态。

Velocity profiles

主动脉瓣下游速度剖面显示三峰特征(对应瓣叶开口)，但中心流速较低表明血流分布不均。由于金属瓣膜导致信号缺失，瓣膜邻近区域的血流剪切应力未能直接测量，这为后续研究留下重要探索空间。

Quantification of stasis

血流停滞分析发现全TAH的中位停滞时间(21-30%)与健康心房相当，且随心率增加而降低。重要是未发现100%停滞的体素，这显著降低了血栓形成风险。

Kinetic energy, viscous energy loss, and turbulent kinetic energy

动能(KE)和粘性能量损失(EL')随心率增加而升高，心室峰值EL'为1.2-1.8 mW，与健康左心室(1.1 mW)相当。湍流动能(TKE)在出流道弯角处达峰值(240 J/m³)，但仍低于老年健康人群的主动脉值(223.5 J/m³)。

Shear stress distribution

标量剪切应力分布显示80%以上体素值低于0.4 Pa，最高仅1.4 Pa(120 bpm)，远低于CFD预测的17.5 Pa危险阈值。这种差异可能源于MRI空间分辨率对速度梯度的低估效应。

Outflow tract flow recirculation

出流道回流区在收缩末期几乎充满整个管道截面(图7)，这种流动分离现象解释了该区域TKE升高的原因。回流区尺寸与心率呈线性增长关系，为优化出流道设计提供了明确方向。

这项研究首次证明4D flow MRI结合3D打印能有效评估搏动式TAH的血流动力学特征，其测量精度足以指导设计优化。研究发现Realheart TAH的血流停滞和能量损耗与自然心脏相当，且湍流强度低于病理状态，这为其临床试验提供了重要安全依据。特别值得注意的是，该方法仅需9分钟扫描即可获得全心脏周期的三维流场数据，相比CFD模拟大大缩短了研发周期。

技术层面，研究团队开创的MRI兼容性改造方案为后续医疗器械测试树立了新标准。尽管金属瓣膜导致局部信号缺失，但通过上下游流场分析仍能间接评估瓣膜性能。未来采用非金属瓣膜可望实现更完整的血流评估。

临床转化方面，该研究建立的TKE等定量指标与血液损伤的直接关联，为TAH的溶血风险评估提供了新工具。出流道回流区的精准定位则指明了优先改进区域。这些成果不仅适用于TAH研发，也可推广至心室辅助装置(VAD)和人工瓣膜等心血管器械的优化设计。

这项研究突破了传统流体测量技术的局限，为TAH的快速迭代设计提供了强大工具。随着4D flow MRI技术的普及，这种"虚拟风洞"方法有望成为心血管器械研发的新标准，加速实现TAH作为心脏移植替代疗法的临床转化目标。