用于评估左房室瓣修复策略的动态影像衍生仿真框架的开发与可行性验证

《International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery》：Development and feasibility testing of a dynamic image-derived simulation framework for assessing left atrioventricular valve repair strategies

　　

目的建立一种动态、影像衍生的患者特异性物理仿真平台的概念验证，旨在辅助评估房室管（AVC）畸形修复术后儿科患者的左房室瓣（LAVV）修复策略。方法研究人员对两例反流性LAVV患者的三维经食管超声心动图（3D TEE）图像进行处理，使用SlicerHeart中的自定义代码分割瓣叶、定义瓣环并生成患者特异性瓣膜模具。硅胶瓣膜模型被制作并在脉冲复制器中于模拟生理条件下进行测试。研究人员对五个未修复瓣膜进行了制造一致性分析，并对两例患者特异性模型比较了多种外科修复技术。结果瓣环指标的制造变异性较低，但瓣叶闭合指标的变异性较高。由于仿真器的被动特性以及硅胶-纱布复合瓣叶刚度的增加，模拟瓣膜相对于临床影像学表现出改变的瓣叶闭合几何形态。在患者1中，裂隙闭合和Alfieri缝合均消除了反流口面积，但Alfieri缝合导致平均跨瓣压差升高（17 mmHg，而其他修复为4–9 mmHg），并在重复加载下出现恶化。在患者2中，没有模拟修复能完全消除反流；然而，将瓣叶补片扩大成形术与交界成形术相结合可将反流面积减小至0.147 cm²，为测试策略中观察到的最小值。结论该研究证明了一种动态物理仿真平台用于LAVV修复术前临床评估的可行性。尽管缺乏瓣环运动、乳头肌位移和生理性收缩限制了对体内瓣叶动力学的复现，但这一概念验证凸显了该平台在先心病修复方案定性评估中的价值。

房室管（AVC）畸形是常见的先天性心脏病，美国每年约有2100例新生儿罹患此病，在唐氏综合征合并心脏病患儿中更为 prevalent。完全性房室管（CAVC）患者具有单一共同房室瓣而非独立的二尖瓣和三尖瓣，外科修复旨在将其分隔为两个功能瓣膜，包括二尖瓣等效的左房室瓣（LAVV）。然而，尽管进行了矫正手术，5%–20%的LAVV修复需要再次干预，其中37%–40%的患者后续仍需额外手术，超过四分之一的患者需要两次以上再手术，这与不良长期结局和增加的患病率相关。LAVV反流（LAVVR）是最常见的再干预原因，主要源于瓣叶脱垂、瓣叶拴系、腱索断裂、残余裂隙、瓣环扩张或初次修复裂开等机械问题。对于儿科患者，修复反流性瓣膜 strongly preferred over replacement，因为修复能适应患者生长并避免抗凝及因躯体生长而多次更换机械瓣膜等相关并发症。然而，包括裂隙闭合、瓣环成形术、交界成形术、瓣叶扩大、人工腱索置入和乳头肌劈开在内的当前修复技术 often fail to durably improve valve function。

三维超声心动图（3DE）的进步实现了对心脏结构的详细分析，但现有成像工具仅提供时间快照，无法完全预测评估修复策略有效性所需的病理功能。大多数现有的3D打印瓣膜模型为静态模型，无法模拟压力梯度、瓣叶运动和瓣膜力学等动态组件，而这些对于评估外科手术 outcomes 至关重要。动态物理仿真是二尖瓣研究中日益活跃的领域，现有成人 focused platforms 利用脉冲复制器、3D打印和流-结构测量技术研究瓣膜力学和修复的血流动力学后果，但这些工作几乎 entirely limited to adult mitral disease，现有仿真器未设计用于适应儿科先天性瓣膜的独特形态学特征，后者表现出极大的解剖变异性。

本研究旨在通过改进和扩展动态二尖瓣建模框架，建立一种概念验证性物理仿真平台，以解决AVC术后LAVV的关键解剖特征问题，为手术修复评估、高危形态学特征识别和手术策略优化提供生理相关的环境。研究人员从机构数据库中筛选了已行AVC修复且具有高质量3DE成像的两例反流性LAVV患者：一例为21岁女性，中度反流源自新前叶残余裂隙中央；另一例为4岁男性，重度反流被认为由既往裂隙闭合处裂开所致。入选患者的3DE图像通过Philips EPIQ系统经食管超声心动图采集。

在图像处理方面，研究人员将DICOM文件导入3D Slicer平台，利用SlicerHeart扩展中的Annulus Analysis模块定义收缩中期和舒张晚期瓣环。选择收缩中期因其代表瓣叶最大对合期，用于评估闭合几何形态；舒张晚期则提供用于模具生成的开放瓣叶构型。研究人员使用Valve Segmentation模块手动分割各期相瓣叶，定位乳头肌尖端以建模两个可调乳头肌。随后通过ValveMoldCreator自定义代码生成舒张晚期瓣叶模具，该模块从瓣叶分割的心房侧挤压圆柱形模具，以用户定义的瓣环曲线为界并向心房延伸。同时创建虚拟铰链点装置（HPA），在最终瓣膜设计中实现解剖精确的瓣叶瓣环附着。最后，瓣膜轮廓模具、乳头肌柱和HPA通过Ultimaker S3 3D打印机制作，为后续硅胶瓣膜构建提供物理框架。

硅胶模型制作方面，研究人员创建包含瓣叶、腱索、乳头肌和周围心肌的硅胶模型以模拟瓣膜生理学。瓣叶通过将硅胶与非织造纱布复合物涂覆于3D打印瓣膜轮廓上制成，纱布嵌入硅胶以提供抗张强度并防止模拟血流动力学负荷下缝合裂开。六根磨损的Dacron线模拟腱索，穿过3D打印乳头肌柱并附着于可调张力键。心肌使用较硬的硅胶（Dragonskin）注入含HPA的3D打印模具中。组装后的瓣膜装置挂载于双腔动态模拟器（Archetype Biomedical Inc）中，该模拟器可复制患者图像采集时的心率、每搏输出量和压力。

为验证模型，研究人员将脉冲复制器采集的超声心动图数据与真实患者图像进行比较，评估参数包括瓣环周长、交界的距离、瓣环高度、帐篷高度（tenting height）和膨出高度（billow height）。五个 identical 未修复瓣膜模型的制造一致性分析显示，瓣环指标（瓣环周长、交界距离、瓣环高度）呈低至中度变异性（CV=2.1%、4.1%和14.7%），而瓣叶闭合指标（膨出高度、膨出体积、帐篷高度、帐篷体积）呈中至高变异性（CV=11.1%、18.9%、45.9%和73.5%）。

在修复策略比较方面，每例患者制作五个 identical 硅胶瓣膜，由心外科主治医师执行四种不同外科瓣膜修复，第五个作为对照。由于两例患者解剖差异显著，修复策略因病例而异。患者1采用的策略包括：10%瓣环成形术、20%瓣环成形术、新前叶与壁叶间Alfieri缝合、残余裂隙闭合；患者2采用的策略包括：瓣叶补片扩大成形术、交界成形术、补片扩大成形术联合交界成形术、裂隙闭合。结果显示，对于患者1，模拟修复通常减少或消除了反流口面积，但常伴随帐篷高度增加，部分情况下平均跨瓣压差升高。Alfieri缝合表现出最显著的跨瓣压差增加（17 mmHg），符合狭窄生理学，而瓣环成形术修复维持较低压差但残留反流。对于患者2，无修复策略完全消除反流，但补片扩大成形术联合交界成形术将反流面积减至0.147 cm²，为测试策略中最小值。

在讨论部分，研究人员指出LAVV作为复杂的外科创建瓣膜，其动态行为受瓣叶几何形态、瓣下装置和血流动力学条件等多种因素影响。与成人二尖瓣疾病不同，先天性心脏病病例极少呈现两个 alike，这使得外科医师难以将技术推广应用于不同病例。本研究证明的动态、影像衍生建模平台的可行性，同时也揭示了挑战和待改进领域。当前实验设置的被动性质是主要局限——瓣膜闭合仅由脉冲复制器中的压力驱动，而临床情况下LAVV闭合是涉及协调心肌收缩、乳头肌牵引和瓣环位移的主动过程。五个 identical 未修复瓣膜模型的分析凸显了瓣环和瓣叶闭合指标的不同变异性模式：瓣环指标变异低，而瓣叶闭合指标变异高，这可归因于硅胶瓣叶厚度和腱索张力的不一致性。

对于患者1，裂隙闭合和Alfieri缝合均消除了可测量的反流口面积，但Alfieri缝合在长时程脉冲复制器运行后开始拉伸和退化，形成中央孔口导致泄漏，且双孔口造成轻度狭窄。对于患者2，未确定明确的优化修复策略，各修复表现出一致的方向性趋势，即反流面积减少常伴随平均跨瓣压差增加。这些发现进一步支持将该平台解释为用于识别权衡而非确定单一优化修复的比较工具。

研究人员在结论中指出，尽管缺乏瓣环运动、乳头肌位移和生理性收缩限制了对体内瓣叶动力学的复现，该动态影像衍生物理仿真平台成功复现了解剖关键特征并促进了LAVV修复策略的术前临床评估。通过解决已识别的局限性并纳入更多生理准确性特征，该仿真具有 inform surgical planning 和 minimize reinterventions 的潜力。然而，由于难以真实复现瓣叶材料特性和生物力学，加之劳动密集的制作过程和材料特性再现的困难，这种LAVV影像衍生物理模型对于临床计划的应用可能受到限制。新兴的in silico 迭代术前修复优化方法可能提供更实用的长期解决方案，但需要进一步改进和验证。