基于真空的生理性体外二尖瓣模型中人与猪边缘腱索的受力研究

《Cardiovascular Engineering and Technology》：Human and Porcine Marginal Chordal Forces in a Vacuum Based Physiological In Vitro Mitral Valve Model

　　

**摘要**

本研究旨在通过分析二尖瓣边缘腱索内的受力及其与跨瓣压的潜在相关性，定量研究二尖瓣边缘腱索在静态闭合过程中的作用。研究人员将猪（n=10）和人（n=4）的二尖瓣安装于马鞍形瓣环夹具中，利用体外系统通过对瓣膜心房侧施加真空压力来复现生理性收缩压。研究人员使用Millar压力导管和力传感器（“C型测力计”）采集数据。同时记录支柱腱索力与边缘腱索力，以验证所用设备的可靠性。结果显示，在120 mmHg的峰值收缩压下，猪和人边缘腱索力平均值分别为0.012 N±0.008 N和0.006 N±0.008 N。此外，研究人员还开展了简化有限元研究，其结果支持边缘腱索相对于中间腱索承受较低受力的结论。这一低力水平对传统上认为边缘腱索在闭合时防止二尖瓣脱垂的作用提出了质疑。然而，这些腱索仍显示出辅助瓣叶定位的迹象。边缘腱索力与跨瓣压之间的关系在不同实验中存在显著差异，进一步模糊了其在正常瓣膜功能中的作用。

**《基于真空的生理性体外二尖瓣模型中人与猪边缘腱索的受力研究》论文解读**

**一、研究背景与目的**

二尖瓣（mitral valve, MV）是左心系统的重要组成部分，其在四个心脏瓣膜中承受最高的关闭压力，对于保证氧合血液单向流动至全身至关重要。二尖瓣反流（mitral regurgitation, MR）是最常见的心脏瓣膜疾病，在美国普通人群中患病率达1.7%，且常由二尖瓣脱垂引起。心脏瓣膜疾病通常与高龄相关，65岁以下人群发病率低于2%，65至75岁人群升至8.5%，75岁以上则进一步攀升至13.2%。与主动脉瓣相比，二尖瓣的外科修复更为复杂，经导管主动脉瓣置换术（TAVR）等标准化介入手段尚未在二尖瓣领域同等成熟，其主要原因在于二尖瓣是一个几何结构复杂的结构，由两个不对称瓣叶通过分支状腱索网络（chordae tendineae, CT）连接至两个乳头肌（papillary muscles, PM）。此外，这一复杂腱索网络的精确分布具有高度个体化差异。既往研究表明，腱索承受虽小但重要的力，有助于在收缩期维持二尖瓣瓣叶边缘的位置并辅助建立闭合。腱索依据其在瓣叶上的附着区域分为基底型、中间型和边缘型三类，其中边缘腱索最纤细、最脆弱。已有研究证实，只有边缘腱索的脱垂或断裂（而非基底或中间腱索断裂）会导致二尖瓣反流并需要手术治疗。边缘腱索沿着瓣叶游离缘（瓣膜对合发生的区域）的关键附着位置，使得进一步阐明其在正常闭合中的精确作用成为必要。本研究利用既往报道的开放式心室通路进行瓣膜闭合的方法，在无乳头肌收缩的条件下检测腱索力。静态真空压力的应用使瓣膜得以“冻结”，消除了动态效应/干扰，从而允许直接测量功能性闭合力。研究涉及新鲜猪心和人心，便于两者间的比较分析。采用新鲜未固定瓣膜以更接近原位体内的力学状态，因为固定产生的交联可能影响生物力学特性。此外，研究人员还对简化二尖瓣几何模型进行了有限元分析（FEA）模拟，以与实验获得的边缘腱索力进行比较。主要目标是检验边缘腱索（在闭合瓣膜中为前叶中央区域提供支撑）所表现出的力是否与闭合瓣膜所承受的压力显著相关，并考察该力在峰值负荷下的量级。

**二、研究设计与方法**

本研究使用的猪心取自屠宰场，人心由阿肯色州地区器官回收机构（ARORA）提供，仅选择未被诊断患有会显著改变二尖瓣健康功能的疾病或病症的捐献者。猪心（n=10）和人心（n=4）二尖瓣均被安装在马鞍形瓣环夹具中。研究人员搭建了一个体外加压系统，通过对瓣膜心房侧施加真空压力来模拟生理性收缩期血压（而非传统的高心室压），该配置使瓣膜的心室侧（包括腱索和乳头肌）保持开放于大气环境中，便于测量和仪器操作。研究中使用了Millar微型压力导管和自行研发的“C型测力计”力传感器采集压力和力信号，采样频率为1613 Hz。C型测力计重80 mg，以半桥式配置构建，通过缝合线固定于目标腱索。研究人员同时记录支柱腱索力与边缘腱索力，利用支柱腱索力已知且稳定的特点验证设备可靠性。数据分析采用每500个数据点移动平均处理，并依据标定方程转换为牛顿值。有限元分析方面，研究人员利用COMSOL Multiphysics软件建立了简化的二维（2D）平面应变稳态模型，瓣叶被建模为线弹性材料（杨氏模量9 MPa，泊松比0.495），腱索被建模为仅承受张力的轴向弹簧，其刚度（k）与截面面积和长度相关，边缘腱索的刚度设为中间腱索的四分之一，并采用S形函数描述腱索的前后转变模量效应（胶原纤维在应变增大时逐渐承担载荷）。

**三、主要结果**

研究人员对8个猪二尖瓣和4个人二尖瓣进行了实验，其中2个猪瓣膜分别测量了两条边缘腱索，其余6个猪瓣膜和4个人瓣膜各测量一条边缘腱索，另有一次支柱腱索力同步测量。猪的10次测量均在80–110 mmHg压力范围内获得边缘腱索力数据，其中8次还包含120 mmHg的数据点；全部4次人瓣膜实验在80–120 mmHg压力范围内完成记录。在120 mmHg的峰值收缩压下，猪边缘腱索力平均值为0.0116 N，人边缘腱索力平均值为0.0059 N，标准差分别为±0.008 N和±0.008 N。作为对照验证，记录的猪支柱腱索力在134.6 mmHg跨瓣压下为0.78 N，处于正常生理范围内且与压力信号高度吻合，从而验证了力测量系统的可靠性与瓣膜功能的正常性。相比之下，边缘腱索力的峰值明显更小，且未展示出支柱腱索力与压力之间那种强的相关性，特别是在压力下降段。有限元模拟结果显示，随着跨瓣压增加，各类型腱索力均增大，但中间腱索力始终显著高于边缘腱索力，这与实验观察一致。

**四、讨论与结论**

本研究采用的体外系统在无乳头肌收缩条件下实现了腱索稳态力的测量，支柱腱索力与文献报道范围良好吻合且与跨瓣压强相关，表明测量系统可靠、瓣膜功能正常，从而支持所测边缘腱索力的有效性。边缘腱索力显著低于中间腱索或支柱腱索这一现象并不意外——在瓣膜完全闭合时，边缘腱索支撑瓣叶对合区，两侧瓣叶在此区域直接相互抵靠，在很大程度上抵消了作用于瓣叶表面的法向压力。有限元结果同样证实了中间腱索力远高于边缘腱索力的相对差异。猪和人边缘腱索力处于同一数量级，但猪的数值略高，可能归因于供体年龄和健康状况的差异（猪心来自年轻健康动物，而人心来自55岁以上捐献者），也与人心的腱索结构更复杂、分支更多、小梁更细密有关。本研究中边缘腱索力低于既往报道的潜在原因包括：静态测试系统消除/减少了动态载荷、马鞍形瓣环夹具已被证明可降低瓣叶应变、瓣叶存在一定程度的自支撑能力、腱索命名和形态学存在一定模糊性，以及本研究仅选择插入瓣叶游离缘最外端且无分支的腱索进行测量。在压力上升段，边缘腱索力随跨瓣压连续变化，但在下降段两者的相关性缺乏一致性，这与其它类型腱索力与压力的清晰相关形成鲜明对比，进一步表明处于对合区内的边缘腱索与对合区外的其它腱索在功能上存在差异。有限元分析的目的在于量化边缘腱索中的相对力分布，虽然引入了一些假设（如各向同性、线性弹性），但足以捕获本研究的关键目标。本研究仅考察了收缩期瓣膜功能，舒张期边缘腱索的行为因涉及大瓣叶位移和血液充填的流体动力学而超出当前研究范围。综上所述，边缘腱索的张力至关重要，因为这些腱索附着于瓣叶对合区——即瓣膜闭合的关键区域。研究人员通过缝合C型测力计至正常猪和人瓣膜边缘腱索，在静态左心模拟器中以真空压力驱动瓣膜闭合，测得边缘腱索力在猪心约为0.01 N、人心约为0.005 N。关键在于，该张力不像其它腱索那样与跨瓣压呈现一致的相关性，提示边缘腱索在瓣膜关闭过程中扮演着独特的角色。该论文发表于《Cardiovascular Engineering and Technology》。