腔靜脈濾器是為防止下肢及盆腔的血栓脫落上行導致肺栓塞而設計的一種過濾性裝置。本研究設計了一款新型腔靜脈濾器，為評價其在植入后的血流動力學性能和血栓捕捉效果，利用計算流體力學的方法與已上市的兩種濾器德納里（Denali）和護盾（Aegisy）進行血流動力學數值模擬比較，并實施體外實驗測試對比血栓捕捉效果。本文的研究主要運用計算流體力學軟件，分析血栓直徑分別為 5、10、15 mm，血栓濃度含量分別為 10%、20%、30% 的情況下，流域段的出口流速、出入口壓差、濾器壁面上的壁面剪應力、高低壁面剪應力區域面積占比以及濾器的血栓捕捉效果，同時還通過體外實驗數據對比評價了以上 3 種濾器的血栓捕捉效果。研究結果顯示，Denali 濾器植入后對血流的干擾最小，但對 5 mm 小直徑血栓的捕捉效果最差；Aegisy 濾器對不同直徑和濃度含量的血栓捕捉效果最優，但低壁面剪應力區域面積占比最大；本研究設計的新型濾器對小直徑血栓有較好的捕捉效果，且該濾器上易導致血栓形成的低壁面剪應力區域面積占比最小；Denali 和 Aegisy 濾器的低壁面剪應力區域面積占比相對較大，形成血栓的風險較高。基于以上結果，期望本文設計的新型腔靜脈濾器能為新型濾器的設計和臨床選擇提供參考依據。
引用本文： 陳思遠, 馮海全, 李曉強, 顧建平, 王曉天, 曹蘋, 王永剛. 一種新型可回收腔靜脈濾器血流動力學分析. 生物醫學工程學雜志, 2019, 36(2): 245-253. doi: 10.7507/1001-5515.201808032 復制
引言
肺栓塞已成為僅次于冠狀動脈與腦血管疾病后的第 3 大心血管疾病[1]。肺栓塞致死率較高，引發肺栓塞的血栓 95% 來源于下肢深靜脈和盆腔靜脈[2]。腔靜脈濾器是為預防肺栓塞的機械型過濾性裝置，通過物理手段攔截下肢及盆腔靜脈系統脫落上行的血栓，以防止致死性肺栓塞的發生。下腔靜脈是人體內血流量最大的靜脈血管，下肢、腹部和盆腔的血液經下腔靜脈向心臟回流。在下腔靜脈處放置腔靜脈濾器，濾器依靠支撐部分固定在血管中，過濾部分的濾絲和濾柱起到過濾回流的血液、捕捉血液內漂浮的栓子的作用，從而達到預防肺栓塞的目的。腔靜脈濾器的植入是通過輸送系統放置于人體下腔靜脈，手術操作簡單、安全、微創，是除溶栓和抗凝操作外預防治療肺栓塞的主要手段[3]。然而濾器植入后作為異物存在于人體中，會對血管壁和血流造成一定影響，從而引起短期或長期的并發癥。因此，理想的濾器應具有良好的血栓捕捉能力、較好的生物相容性和核磁兼容性，此外對血液流動的干擾應較小。
目前對腔靜脈濾器的研究主要有體外實驗、動物實驗和臨床分析，用計算建模、數值模擬方法研究腔靜脈濾器的例子較少。Singer 等[4]建立不同形狀、大小和不同位置的血栓，運用三維計算流體力學的方法分析一款永久型腔靜脈濾器的血流動力學，以確定濾器周圍血液再循環和停滯區域以及易形成血栓的區域。Wang 等[5]考慮腎靜脈血液流入的影響，構建具有腎靜脈的下腔靜脈三維模型，用計算流體力學的方法分析濾器放置在不同位置時，對捕捉血栓和未捕捉血栓的濾器的血流動力學影響。Aycock 等[6]選取僅有腔靜脈、放置了濾器的腔靜脈、靜止流下放置濾器和模擬栓子的腔靜脈、運動流下放置濾器和模擬栓子的腔靜脈這 4 種情況，使用非線性有限元法反向分析，以獲得受試患者腔靜脈的近似體內應力狀態。馮海全等[7]為了減少血管壁的損傷和濾器斷裂的可能性，利用有限元法與計算流體力學的方法，分析 6 種濾器在工作狀態下血管與濾器表面上的應力分布以及徑向支撐剛度和在血管內工作時的血流壓力分布、流速分布、切應力分布。以上的研究均建立了三維的計算流體力學模型，但沒有考慮血栓的物理屬性和血栓的運動，而且研究內容主要以數值模擬分析為主。
基于以上原因，本研究設計了一款新型可回收腔靜脈濾器，采用計算流體力學的方法和體外實驗分析濾器植入血管后的血流動力學參數[8]，將血栓簡化為與血液不相容的流體[9]，并以血液為首相、血栓為次相，運用計算流體力學軟件 Fluent 14.0（ANSYS Inc.，美國）里的兩相流模型（two-phase flow model）進行數值模擬。為評價其在植入后的血流出口速度、血流和血栓出入口壓差、高低壁面剪應力區域面積占比以及血栓捕捉率，選取具有代表性的德納里（Denali）濾器［DL950F，巴德醫療科技（上海）有限公司，美國］和護盾（Aegisy）濾器［XJLX2550，先健科技（深圳）有限公司，中國］進行對比，同時實施體外實驗對比 3 種可回收濾器的血栓捕捉效果并進行評價，該研究結果對新型腔靜脈濾器的研發和評價濾器的捕捉血栓效果具有一定的理論意義和參考價值。
1 模型與方法
1.1 材料模型
本文選用的濾器是由鎳鈦合金管材經激光一體切割加工而成，鎳鈦合金是一種超彈性材料，密度為 6.45 g/cm3，泊松比 0.33[10]，一般在低于體溫的溫度下處于奧氏體（austenite）狀態，可變形成易于置入導管的形狀以利于植入人體，而在體溫范圍內處于穩定的馬氏體（martensite）狀態，恢復原狀。鎳鈦合金還具備優異的形狀記憶效應、生物相容性和良好的耐腐蝕性。近年來被廣泛應用于外周血管支架、顱內動脈支架、食道膽道支架以及腔靜脈濾器等介入器械[11]。
本研究中將血液視為牛頓流體，設為層流[12]，動力粘度為 0.003 5 kg/（m·s），密度為 1 060 kg/m3[13]。血栓是一種密度比血液大的病理性物質，可被軟化、溶解、吸收[14]。因此本文將血栓簡化為一種虛擬的與血液不相容且粘度較血液稍大的流體[15]，血栓動力粘度為 0.006 48 kg/（m·s），密度為 2 000 kg/m3。在數值模擬時將下腔靜脈簡化為超彈性連續實體[16]，在體外實驗中選用人工血管模型模擬下腔靜脈，人工血管模型按照人體的真實血管形狀和尺寸經三維打印（three dimensional printing，3DP）而成。
1.2 有限元模型
本研究分析的流體包括血液和血栓，模型采用兩相流模型，k = 1 或 2，代表每相的角碼，1 表示血栓相，2 表示血液相。建立血栓相和血液相各自的連續性方程如式（1）所示：
 |
血栓相和血液相各自的動量方程表示如式（2）所示：
 |
式中，ρk 表示血液或血栓的密度，t 表示分析模擬時間，uk 表示血液相或血栓相速度向量，pk 表示血液相或血栓相壓力標量，I 表示單位張量，Tk 表示血栓或血液相剪應力張量，gk 表示重力加速度向量。
1.3 固體模型
在三維制圖軟件 SOLIDWORKS 2014（Dassault Systemes Inc.，法國）中建立 3 種濾器模型，原始直徑為 25 mm，過濾柱和支撐柱的厚度均為 0.3 mm，建成的模型如圖 1 所示。
圖1
3 種濾器模型
Figure1.
Three filters models
Denali 濾器由上下兩層 12 根柱組成，上層 6 根柱分支撐和過濾部分，下層 6 根柱主要起過濾作用，兩層支柱均與回收柱相連。
Aegisy 濾器包括固定柱、回收柱、上下兩層過濾柱和中間的支撐柱。上層 6 根過濾柱通過 12 根濾絲與中間的支撐柱連接，下層 3 根 Y 型過濾柱連接支撐柱和回收柱，具有雙層過濾結構。
本文設計新型濾器包括回收柱、第一支撐柱和第二支撐柱。相鄰的第一、二支撐柱之間設置有過濾柱，過濾柱的上端與回收柱相連，下端設有過濾絲，具有雙重定位、雙重過濾功能。
1.4 流域模型
在前處理軟件 HyperMesh 14.0（Altair Engineering Inc.，美國）中對濾器和血管模型進行布爾運算（Boolean calculation），切分出流域部分，并劃分流域網格。考慮到模型的復雜程度和計算時間，本文選取單元類型為 C3D4 的非結構化四面體網格，然后設置血流入口、出口、血管壁面以及濾器壁面，最終導入計算流體力學軟件 Fluent 14.0 里的兩相流模型進行數值模擬。
1.5 體外實驗模型
本研究搭建了體外實驗平臺，測試了 3 種腔靜脈濾器過濾直徑分別為 5、10、15 mm 時的血栓捕栓效果，以驗證數值模擬的準確性。該實驗裝置包括內徑為 25 mm 的人工血管模型、水箱、多級離心泵、血栓投放口和回收箱。該裝置選用透明硅膠制成的人工血管模型模擬人體下腔靜脈。裝置中的人工血管模型選用硅膠材料，根據電子計算機 X 射線斷層掃描技術（computed tomography，CT）掃描的人體血管數據，經三維打印而成，如圖 2 所示。
圖2
體外實驗裝置
Figure2.
In vitro experimental device
1.6 實驗方法
本文采用歐拉-歐拉方法（Euler-Euler method）的兩相流模型構建腔靜脈濾器的流域環境。在兩相流模型中血液為首相、血栓為第二相。分析時血栓設置為直徑分別為 5、10、15 mm 的類球體；血栓在人體的濃度用血栓體積的百分含量表示，血栓含量分別為 10%、20%、30%。模型的入口處血流速度為 0.14 m/s，入口處血栓速度為 0.074 m/s，血管內壓為 800 Pa，出口壓力為相對壓力 0 Pa。血管和濾器壁面均定義為無相對滑移，壁面速度設置為 0[17]。模擬計算后，通過對比分析血流出口速度、壓力分布、出入口壓差、壁面剪應力和血栓體積分數等評價 3 種濾器的血流動力學性能和過濾血栓效果。
本文在進行體外實驗測試濾器的血栓捕捉率時，首先將新鮮豬血靜置 2 h，處理成直徑分別為 5、10、15 mm 的類球形血凝塊以模擬人體血栓，然后選用生理鹽水模擬人體血液，調節模擬血液流速為 0.14 m/s，并在距髂靜脈分叉 10 cm 處放置腔靜脈濾器，每組實驗從投放口依次注入直徑相同的 5 個血栓，間隔不超過 10 s，注入完成后循環保持 2 min，記錄每次捕獲的血栓個數。實驗中漏掉的血栓通過紗布濾出，每組實驗完成后丟棄損壞的血栓。不同直徑的血栓各重復 5 組實驗。
2 結果與分析
2.1 血流出口平均速度
本文運用軟件 Fluent 里的兩相流模型模擬腔靜脈濾器植入血管后血流和血栓的流動情況，經該軟件分析后可提取出流域段出口血流的平均速度，3 種濾器與未植入濾器的流域段血流出口平均速度如圖 3 所示。
圖3
不同血栓直徑下的血流出口平均速度
Figure3.
Average blood flow velocity at different thrombus diameters
隨著血栓直徑的增大和血栓含量的增多，不同結構的濾器血流出口平均速度具有一定的變化規律。隨著血栓含量的增加，血流出口平均速度呈減小趨勢；隨著血栓直徑的增加，血流出口平均速度呈減緩的趨勢，但是變化較小。與未植入濾器的情況相比，3 種濾器的血流出口平均速度都有一定的增加或恢復的現象。其中 Denali 濾器血流出口平均速度增加最顯著，本文設計新型濾器的血流出口平均速度接近于無濾器植入流域段的血流出口平均速度。血栓的存在使流域段流體粘度增加，減緩血流流速，血流出口平均速度也隨之變慢。濾器捕捉或擊碎血栓可使血流出口平均速度得到一定的恢復。
2.2 混合相出入口壓差
本文的數值模擬結果顯示，在不同血栓含量和直徑下，濾器流域段的混合相壓力分布規律大致相同。因此本文選取血栓直徑 10 mm，血栓含量 10% 這一組的計算結果展示濾器流域段混合相壓力的分布。3 種濾器流域段縱截面和近血管壁側的壓力分布如圖 4 所示；血栓直徑 10 mm 時，3 種濾器流域段混合相出入口壓差如圖 5 所示。
圖4
流域段縱截面及近血管壁側的壓力分布
Figure4.
Pressure distribution in longitudinal section and near vessel wall
圖5
3 種濾器流域段混合相出入口壓差
Figure5.
Pressure difference between inlet and outlet of mixed phase in three filter basins
人體的腔靜脈中血流由下向上流動，因此從圖 4 可以看出，混合相壓力隨血流方向減小，入口處的壓力最大。根據圖 5 的統計結果可知隨血栓含量的增加，混合相出入口壓差減小。Aegisy 濾器流域段的混合相出入口壓差最大，本文設計新型濾器次之，Denali 濾器最小。濾器植入后對血流產生阻礙作用，血管內阻力增加，流域段混合相的出入口壓差增大。流域段混合相出入口壓差增大有利于濾器擊碎和捕捉栓子，但是血流流動也會受到干擾。混合相出入口壓差增大血流會對血管壁產生一定沖擊，有引起血管內膜破損的可能性。
2.3 低壁面剪應力區域面積占比
研究顯示，過高（> 5 Pa）或過低（< 0.5 Pa）的壁面剪應力會導致血小板激活或血液滯留，容易形成血栓[18]。本文的分析結果顯示，3 種濾器的高壁面剪應力區域面積占比均低于 2%，說明濾器壁面上的高壁面剪應力面積很小，該面積內血栓堆積的空間有限，不易形成血栓，可以忽略其影響。因此主要討論低壁面剪應力區域的面積分布和占比。并且根據本文的數值模擬結果，在不同血栓含量和直徑下，濾器壁面剪應力分布規律大致相似。因此本文選取血栓直徑 10 mm，血栓含量 10% 這一組的計算結果，以展示濾器壁面剪應力的分布。3 種濾器壁面剪應力分布及低壁面剪應力區域面積占比如圖 6、7 所示。
圖6
3 種濾器壁面剪應力分布
Figure6.
Wall shear stress distribution of three kinds of filters
圖7
3 種濾器低壁面剪切應力區域面積占比
Figure7.
The ratio of the low wall shear stress area of the three kinds of filters
從圖 6 可以看出，低壁面剪應力區域均主要分布于支撐柱、過濾柱下游端的背側和回收柱。入口方向的濾器壁面剪應力明顯高于出口方向。3 種濾器的回收柱都是帶有鉤狀結構的細管，因此回收柱處易形成低壁面剪應力區域，容易引起血脂等血細胞堆積。血液由濾器下端流入，從回收柱一側流出，濾器背向血流沖擊的一側易形成低壁面剪應力區域，因此從流域段入口處和出口處兩個不同方向看去會有明顯差異。圖 7 的數據顯示，隨著血栓直徑增加，濾器壁面低剪應力區域面積占比有一定的擴大，但血栓含量的增加對其影響較小。本文設計新型濾器低壁面剪應力區域面積占比最低，其次是 Denali 濾器，Aegisy 濾器占比最高。
2.4 血栓捕捉率
本文的數值模擬中通過濾器過濾柱和過濾絲壁面血栓相的體積分數來評價濾器對血栓的過濾和捕捉效果。數值模擬結果顯示，在不同血栓含量和直徑下，3 種濾器壁面上的血栓相體積分布規律大致相同。因此本文選取血栓直徑 10 mm，血栓含量 10% 這一組的計算結果，通過濾器壁面上血栓相體積分布，展示濾器的捕捉血栓效果。3 種濾器壁面血栓相體積分布如圖 8 所示。
圖8
3 種濾器壁面血栓相體積分布
Figure8.
Distribution of thrombus volume fractions of three kinds of filters
3 種濾器過濾柱和過濾絲壁面平均血栓相體積分數如表 1 所示。
表1
濾柱和濾絲部分平均血栓相體積分數
Table1.
Average thrombus volume fraction of filter column and filter wire
從圖 8 可以看出，各個濾器過濾柱、過濾絲、回收柱部分捕捉較多血栓，支撐柱部分也有一定的捕捉量。表 1 的數據顯示，濾器對直徑和含量較大的血栓捕捉效果較好。3 種濾器對 10 mm、15 mm 大直徑血栓的捕捉率明顯優于 5 mm 小直徑血栓。從結構上看，3 種濾器過濾部分的過濾柱和過濾絲的間隙相對于 10 mm 和 15 mm 直徑的血栓較小，易于捕捉。血栓直徑為 5 mm 時，Aegisy 濾器和本文設計新型濾器對血栓的捕捉效果優于 Denali 濾器。Denali 濾器過濾部分結構較為簡單，而 Aegisy 濾器和本文設計的新型濾器都有雙層過濾柱，且濾柱和濾絲分布較密，因此捕捉小直徑血栓的幾率更大。
2.5 體外實驗
在本文實施的體外實驗中，每個濾器對每種直徑的栓子都實施 5 組捕捉實驗，測得平均血栓捕捉率如表 2 所示。
表2
3 種濾器體外實驗捕捉血栓栓子總數及捕捉率
Table2.
Total number of thrombus traps and capture rates of three kinds of filters in vitro experiments
本文的體外實驗中 15 mm 直徑的血栓全部可以被捕捉，10 mm 直徑血栓 90% 以上都可被捕捉。10 mm 和 15 mm 血栓的捕捉率與數值模擬分析的規律大致相似。對于 5 mm 直徑的血栓本文設計新型濾器捕捉率最好，Aegisy 濾器其次，Denali 濾器捕捉最少。不同于數值模擬結果的是，體外實驗中本文設計新型濾器的血栓捕捉效果比 Aegisy 濾器好，而且血栓捕捉效果的體外實驗結果普遍優于有限元分析的結果。
3 討論
血栓是一種密度比血液大的病理物質。血栓的密度與血液的密度以及血栓形成的時間相關。不同患者的血液密度都不相同。離體血栓的密度隨血栓形成時間延長呈正相關，體內的血栓隨形成時間的延長有可能被軟化、吸收，也有可能鈣化。本研究只考慮腔靜脈濾器植入血管后初期的血栓捕捉率，選取血栓形成早期的密度，將血栓簡化為一種虛擬的與血液不相容且粘度較血液稍大的流體。
體外實驗血管選用了按照真實人體下腔靜脈血管 3D 打印而成的人工血管模型，與已有的測試濾器性能的體外模型相比，可更好地還原下腔靜脈的真實環境[19-20]。體外實驗中，15 mm 直徑的血栓可全部被捕捉，10 mm 的血栓捕捉率高于 90%，均明顯高于 5 mm 血栓的捕捉率，這一結果也驗證了數值模擬的正確性。血栓捕捉率的體外實驗結果普遍優于有限元分析的結果，可能由于體外實驗測試的血栓量不夠多，且血栓被處理為形狀較為規則的球狀顆粒，血液選用了生理鹽水代替等有關，與實際的人體情況有差異，對實驗結果造成了一定的影響。本研究只對 3 種腔靜脈濾器的血栓捕捉效果進行了初步探討和評價。
4 結論
（1）腔靜脈濾器的植入會增大血流的出口速度，可改善血栓引起的血液流動緩慢的現象。但是濾器植入會增加流域段的出入口壓差，使血液對血管壁面形成一定沖擊，易造成血管內膜破損。對比 3 種濾器的分析結果，Denali 濾器對血流的干擾最小，本文設計新型濾器優于 Aegisy 濾器。
（2）低壁面剪應力易造成血液滯留，形成血栓。本文設計新型濾器低壁面剪應力區域面積占比明顯小于另外兩種濾器的占比，血栓形成的可能性變小，說明本文設計新型濾器植入后可降低血管內血栓形成的風險，比 Denali 濾器和 Aegisy 濾器具有一定的優勢。
（3）從體外實驗結果和數值模擬結果綜合來看，3 種腔靜脈濾器對大直徑血栓都有良好的捕捉效果，本文設計新型濾器與 Denali 濾器相比，有更好的過濾小直徑血栓的效果，該結果表明本文設計新型濾器在小直徑血栓治療中有望發揮作用，或可具有更好的治療效果。
引言
肺栓塞已成為僅次于冠狀動脈與腦血管疾病后的第 3 大心血管疾病[1]。肺栓塞致死率較高，引發肺栓塞的血栓 95% 來源于下肢深靜脈和盆腔靜脈[2]。腔靜脈濾器是為預防肺栓塞的機械型過濾性裝置，通過物理手段攔截下肢及盆腔靜脈系統脫落上行的血栓，以防止致死性肺栓塞的發生。下腔靜脈是人體內血流量最大的靜脈血管，下肢、腹部和盆腔的血液經下腔靜脈向心臟回流。在下腔靜脈處放置腔靜脈濾器，濾器依靠支撐部分固定在血管中，過濾部分的濾絲和濾柱起到過濾回流的血液、捕捉血液內漂浮的栓子的作用，從而達到預防肺栓塞的目的。腔靜脈濾器的植入是通過輸送系統放置于人體下腔靜脈，手術操作簡單、安全、微創，是除溶栓和抗凝操作外預防治療肺栓塞的主要手段[3]。然而濾器植入后作為異物存在于人體中，會對血管壁和血流造成一定影響，從而引起短期或長期的并發癥。因此，理想的濾器應具有良好的血栓捕捉能力、較好的生物相容性和核磁兼容性，此外對血液流動的干擾應較小。
目前對腔靜脈濾器的研究主要有體外實驗、動物實驗和臨床分析，用計算建模、數值模擬方法研究腔靜脈濾器的例子較少。Singer 等[4]建立不同形狀、大小和不同位置的血栓，運用三維計算流體力學的方法分析一款永久型腔靜脈濾器的血流動力學，以確定濾器周圍血液再循環和停滯區域以及易形成血栓的區域。Wang 等[5]考慮腎靜脈血液流入的影響，構建具有腎靜脈的下腔靜脈三維模型，用計算流體力學的方法分析濾器放置在不同位置時，對捕捉血栓和未捕捉血栓的濾器的血流動力學影響。Aycock 等[6]選取僅有腔靜脈、放置了濾器的腔靜脈、靜止流下放置濾器和模擬栓子的腔靜脈、運動流下放置濾器和模擬栓子的腔靜脈這 4 種情況，使用非線性有限元法反向分析，以獲得受試患者腔靜脈的近似體內應力狀態。馮海全等[7]為了減少血管壁的損傷和濾器斷裂的可能性，利用有限元法與計算流體力學的方法，分析 6 種濾器在工作狀態下血管與濾器表面上的應力分布以及徑向支撐剛度和在血管內工作時的血流壓力分布、流速分布、切應力分布。以上的研究均建立了三維的計算流體力學模型，但沒有考慮血栓的物理屬性和血栓的運動，而且研究內容主要以數值模擬分析為主。
基于以上原因，本研究設計了一款新型可回收腔靜脈濾器，采用計算流體力學的方法和體外實驗分析濾器植入血管后的血流動力學參數[8]，將血栓簡化為與血液不相容的流體[9]，并以血液為首相、血栓為次相，運用計算流體力學軟件 Fluent 14.0（ANSYS Inc.，美國）里的兩相流模型（two-phase flow model）進行數值模擬。為評價其在植入后的血流出口速度、血流和血栓出入口壓差、高低壁面剪應力區域面積占比以及血栓捕捉率，選取具有代表性的德納里（Denali）濾器［DL950F，巴德醫療科技（上海）有限公司，美國］和護盾（Aegisy）濾器［XJLX2550，先健科技（深圳）有限公司，中國］進行對比，同時實施體外實驗對比 3 種可回收濾器的血栓捕捉效果并進行評價，該研究結果對新型腔靜脈濾器的研發和評價濾器的捕捉血栓效果具有一定的理論意義和參考價值。
1 模型與方法
1.1 材料模型
本文選用的濾器是由鎳鈦合金管材經激光一體切割加工而成，鎳鈦合金是一種超彈性材料，密度為 6.45 g/cm3，泊松比 0.33[10]，一般在低于體溫的溫度下處于奧氏體（austenite）狀態，可變形成易于置入導管的形狀以利于植入人體，而在體溫范圍內處于穩定的馬氏體（martensite）狀態，恢復原狀。鎳鈦合金還具備優異的形狀記憶效應、生物相容性和良好的耐腐蝕性。近年來被廣泛應用于外周血管支架、顱內動脈支架、食道膽道支架以及腔靜脈濾器等介入器械[11]。
本研究中將血液視為牛頓流體，設為層流[12]，動力粘度為 0.003 5 kg/（m·s），密度為 1 060 kg/m3[13]。血栓是一種密度比血液大的病理性物質，可被軟化、溶解、吸收[14]。因此本文將血栓簡化為一種虛擬的與血液不相容且粘度較血液稍大的流體[15]，血栓動力粘度為 0.006 48 kg/（m·s），密度為 2 000 kg/m3。在數值模擬時將下腔靜脈簡化為超彈性連續實體[16]，在體外實驗中選用人工血管模型模擬下腔靜脈，人工血管模型按照人體的真實血管形狀和尺寸經三維打印（three dimensional printing，3DP）而成。
1.2 有限元模型
本研究分析的流體包括血液和血栓，模型采用兩相流模型，k = 1 或 2，代表每相的角碼，1 表示血栓相，2 表示血液相。建立血栓相和血液相各自的連續性方程如式（1）所示：
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血栓相和血液相各自的動量方程表示如式（2）所示：
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式中，ρk 表示血液或血栓的密度，t 表示分析模擬時間，uk 表示血液相或血栓相速度向量，pk 表示血液相或血栓相壓力標量，I 表示單位張量，Tk 表示血栓或血液相剪應力張量，gk 表示重力加速度向量。
1.3 固體模型
在三維制圖軟件 SOLIDWORKS 2014（Dassault Systemes Inc.，法國）中建立 3 種濾器模型，原始直徑為 25 mm，過濾柱和支撐柱的厚度均為 0.3 mm，建成的模型如圖 1 所示。
圖1
3 種濾器模型
Figure1.
Three filters models
Denali 濾器由上下兩層 12 根柱組成，上層 6 根柱分支撐和過濾部分，下層 6 根柱主要起過濾作用，兩層支柱均與回收柱相連。
Aegisy 濾器包括固定柱、回收柱、上下兩層過濾柱和中間的支撐柱。上層 6 根過濾柱通過 12 根濾絲與中間的支撐柱連接，下層 3 根 Y 型過濾柱連接支撐柱和回收柱，具有雙層過濾結構。
本文設計新型濾器包括回收柱、第一支撐柱和第二支撐柱。相鄰的第一、二支撐柱之間設置有過濾柱，過濾柱的上端與回收柱相連，下端設有過濾絲，具有雙重定位、雙重過濾功能。
1.4 流域模型
在前處理軟件 HyperMesh 14.0（Altair Engineering Inc.，美國）中對濾器和血管模型進行布爾運算（Boolean calculation），切分出流域部分，并劃分流域網格。考慮到模型的復雜程度和計算時間，本文選取單元類型為 C3D4 的非結構化四面體網格，然后設置血流入口、出口、血管壁面以及濾器壁面，最終導入計算流體力學軟件 Fluent 14.0 里的兩相流模型進行數值模擬。
1.5 體外實驗模型
本研究搭建了體外實驗平臺，測試了 3 種腔靜脈濾器過濾直徑分別為 5、10、15 mm 時的血栓捕栓效果，以驗證數值模擬的準確性。該實驗裝置包括內徑為 25 mm 的人工血管模型、水箱、多級離心泵、血栓投放口和回收箱。該裝置選用透明硅膠制成的人工血管模型模擬人體下腔靜脈。裝置中的人工血管模型選用硅膠材料，根據電子計算機 X 射線斷層掃描技術（computed tomography，CT）掃描的人體血管數據，經三維打印而成，如圖 2 所示。
圖2
體外實驗裝置
Figure2.
In vitro experimental device
1.6 實驗方法
本文采用歐拉-歐拉方法（Euler-Euler method）的兩相流模型構建腔靜脈濾器的流域環境。在兩相流模型中血液為首相、血栓為第二相。分析時血栓設置為直徑分別為 5、10、15 mm 的類球體；血栓在人體的濃度用血栓體積的百分含量表示，血栓含量分別為 10%、20%、30%。模型的入口處血流速度為 0.14 m/s，入口處血栓速度為 0.074 m/s，血管內壓為 800 Pa，出口壓力為相對壓力 0 Pa。血管和濾器壁面均定義為無相對滑移，壁面速度設置為 0[17]。模擬計算后，通過對比分析血流出口速度、壓力分布、出入口壓差、壁面剪應力和血栓體積分數等評價 3 種濾器的血流動力學性能和過濾血栓效果。
本文在進行體外實驗測試濾器的血栓捕捉率時，首先將新鮮豬血靜置 2 h，處理成直徑分別為 5、10、15 mm 的類球形血凝塊以模擬人體血栓，然后選用生理鹽水模擬人體血液，調節模擬血液流速為 0.14 m/s，并在距髂靜脈分叉 10 cm 處放置腔靜脈濾器，每組實驗從投放口依次注入直徑相同的 5 個血栓，間隔不超過 10 s，注入完成后循環保持 2 min，記錄每次捕獲的血栓個數。實驗中漏掉的血栓通過紗布濾出，每組實驗完成后丟棄損壞的血栓。不同直徑的血栓各重復 5 組實驗。
2 結果與分析
2.1 血流出口平均速度
本文運用軟件 Fluent 里的兩相流模型模擬腔靜脈濾器植入血管后血流和血栓的流動情況，經該軟件分析后可提取出流域段出口血流的平均速度，3 種濾器與未植入濾器的流域段血流出口平均速度如圖 3 所示。
圖3
不同血栓直徑下的血流出口平均速度
Figure3.
Average blood flow velocity at different thrombus diameters
隨著血栓直徑的增大和血栓含量的增多，不同結構的濾器血流出口平均速度具有一定的變化規律。隨著血栓含量的增加，血流出口平均速度呈減小趨勢；隨著血栓直徑的增加，血流出口平均速度呈減緩的趨勢，但是變化較小。與未植入濾器的情況相比，3 種濾器的血流出口平均速度都有一定的增加或恢復的現象。其中 Denali 濾器血流出口平均速度增加最顯著，本文設計新型濾器的血流出口平均速度接近于無濾器植入流域段的血流出口平均速度。血栓的存在使流域段流體粘度增加，減緩血流流速，血流出口平均速度也隨之變慢。濾器捕捉或擊碎血栓可使血流出口平均速度得到一定的恢復。
2.2 混合相出入口壓差
本文的數值模擬結果顯示，在不同血栓含量和直徑下，濾器流域段的混合相壓力分布規律大致相同。因此本文選取血栓直徑 10 mm，血栓含量 10% 這一組的計算結果展示濾器流域段混合相壓力的分布。3 種濾器流域段縱截面和近血管壁側的壓力分布如圖 4 所示；血栓直徑 10 mm 時，3 種濾器流域段混合相出入口壓差如圖 5 所示。
圖4
流域段縱截面及近血管壁側的壓力分布
Figure4.
Pressure distribution in longitudinal section and near vessel wall
圖5
3 種濾器流域段混合相出入口壓差
Figure5.
Pressure difference between inlet and outlet of mixed phase in three filter basins
人體的腔靜脈中血流由下向上流動，因此從圖 4 可以看出，混合相壓力隨血流方向減小，入口處的壓力最大。根據圖 5 的統計結果可知隨血栓含量的增加，混合相出入口壓差減小。Aegisy 濾器流域段的混合相出入口壓差最大，本文設計新型濾器次之，Denali 濾器最小。濾器植入后對血流產生阻礙作用，血管內阻力增加，流域段混合相的出入口壓差增大。流域段混合相出入口壓差增大有利于濾器擊碎和捕捉栓子，但是血流流動也會受到干擾。混合相出入口壓差增大血流會對血管壁產生一定沖擊，有引起血管內膜破損的可能性。
2.3 低壁面剪應力區域面積占比
研究顯示，過高（> 5 Pa）或過低（< 0.5 Pa）的壁面剪應力會導致血小板激活或血液滯留，容易形成血栓[18]。本文的分析結果顯示，3 種濾器的高壁面剪應力區域面積占比均低于 2%，說明濾器壁面上的高壁面剪應力面積很小，該面積內血栓堆積的空間有限，不易形成血栓，可以忽略其影響。因此主要討論低壁面剪應力區域的面積分布和占比。并且根據本文的數值模擬結果，在不同血栓含量和直徑下，濾器壁面剪應力分布規律大致相似。因此本文選取血栓直徑 10 mm，血栓含量 10% 這一組的計算結果，以展示濾器壁面剪應力的分布。3 種濾器壁面剪應力分布及低壁面剪應力區域面積占比如圖 6、7 所示。
圖6
3 種濾器壁面剪應力分布
Figure6.
Wall shear stress distribution of three kinds of filters
圖7
3 種濾器低壁面剪切應力區域面積占比
Figure7.
The ratio of the low wall shear stress area of the three kinds of filters
從圖 6 可以看出，低壁面剪應力區域均主要分布于支撐柱、過濾柱下游端的背側和回收柱。入口方向的濾器壁面剪應力明顯高于出口方向。3 種濾器的回收柱都是帶有鉤狀結構的細管，因此回收柱處易形成低壁面剪應力區域，容易引起血脂等血細胞堆積。血液由濾器下端流入，從回收柱一側流出，濾器背向血流沖擊的一側易形成低壁面剪應力區域，因此從流域段入口處和出口處兩個不同方向看去會有明顯差異。圖 7 的數據顯示，隨著血栓直徑增加，濾器壁面低剪應力區域面積占比有一定的擴大，但血栓含量的增加對其影響較小。本文設計新型濾器低壁面剪應力區域面積占比最低，其次是 Denali 濾器，Aegisy 濾器占比最高。
2.4 血栓捕捉率
本文的數值模擬中通過濾器過濾柱和過濾絲壁面血栓相的體積分數來評價濾器對血栓的過濾和捕捉效果。數值模擬結果顯示，在不同血栓含量和直徑下，3 種濾器壁面上的血栓相體積分布規律大致相同。因此本文選取血栓直徑 10 mm，血栓含量 10% 這一組的計算結果，通過濾器壁面上血栓相體積分布，展示濾器的捕捉血栓效果。3 種濾器壁面血栓相體積分布如圖 8 所示。
圖8
3 種濾器壁面血栓相體積分布
Figure8.
Distribution of thrombus volume fractions of three kinds of filters
3 種濾器過濾柱和過濾絲壁面平均血栓相體積分數如表 1 所示。
表1
濾柱和濾絲部分平均血栓相體積分數
Table1.
Average thrombus volume fraction of filter column and filter wire
從圖 8 可以看出，各個濾器過濾柱、過濾絲、回收柱部分捕捉較多血栓，支撐柱部分也有一定的捕捉量。表 1 的數據顯示，濾器對直徑和含量較大的血栓捕捉效果較好。3 種濾器對 10 mm、15 mm 大直徑血栓的捕捉率明顯優于 5 mm 小直徑血栓。從結構上看，3 種濾器過濾部分的過濾柱和過濾絲的間隙相對于 10 mm 和 15 mm 直徑的血栓較小，易于捕捉。血栓直徑為 5 mm 時，Aegisy 濾器和本文設計新型濾器對血栓的捕捉效果優于 Denali 濾器。Denali 濾器過濾部分結構較為簡單，而 Aegisy 濾器和本文設計的新型濾器都有雙層過濾柱，且濾柱和濾絲分布較密，因此捕捉小直徑血栓的幾率更大。
2.5 體外實驗
在本文實施的體外實驗中，每個濾器對每種直徑的栓子都實施 5 組捕捉實驗，測得平均血栓捕捉率如表 2 所示。
表2
3 種濾器體外實驗捕捉血栓栓子總數及捕捉率
Table2.
Total number of thrombus traps and capture rates of three kinds of filters in vitro experiments
本文的體外實驗中 15 mm 直徑的血栓全部可以被捕捉，10 mm 直徑血栓 90% 以上都可被捕捉。10 mm 和 15 mm 血栓的捕捉率與數值模擬分析的規律大致相似。對于 5 mm 直徑的血栓本文設計新型濾器捕捉率最好，Aegisy 濾器其次，Denali 濾器捕捉最少。不同于數值模擬結果的是，體外實驗中本文設計新型濾器的血栓捕捉效果比 Aegisy 濾器好，而且血栓捕捉效果的體外實驗結果普遍優于有限元分析的結果。
3 討論
血栓是一種密度比血液大的病理物質。血栓的密度與血液的密度以及血栓形成的時間相關。不同患者的血液密度都不相同。離體血栓的密度隨血栓形成時間延長呈正相關，體內的血栓隨形成時間的延長有可能被軟化、吸收，也有可能鈣化。本研究只考慮腔靜脈濾器植入血管后初期的血栓捕捉率，選取血栓形成早期的密度，將血栓簡化為一種虛擬的與血液不相容且粘度較血液稍大的流體。
體外實驗血管選用了按照真實人體下腔靜脈血管 3D 打印而成的人工血管模型，與已有的測試濾器性能的體外模型相比，可更好地還原下腔靜脈的真實環境[19-20]。體外實驗中，15 mm 直徑的血栓可全部被捕捉，10 mm 的血栓捕捉率高于 90%，均明顯高于 5 mm 血栓的捕捉率，這一結果也驗證了數值模擬的正確性。血栓捕捉率的體外實驗結果普遍優于有限元分析的結果，可能由于體外實驗測試的血栓量不夠多，且血栓被處理為形狀較為規則的球狀顆粒，血液選用了生理鹽水代替等有關，與實際的人體情況有差異，對實驗結果造成了一定的影響。本研究只對 3 種腔靜脈濾器的血栓捕捉效果進行了初步探討和評價。
4 結論
（1）腔靜脈濾器的植入會增大血流的出口速度，可改善血栓引起的血液流動緩慢的現象。但是濾器植入會增加流域段的出入口壓差，使血液對血管壁面形成一定沖擊，易造成血管內膜破損。對比 3 種濾器的分析結果，Denali 濾器對血流的干擾最小，本文設計新型濾器優于 Aegisy 濾器。
（2）低壁面剪應力易造成血液滯留，形成血栓。本文設計新型濾器低壁面剪應力區域面積占比明顯小于另外兩種濾器的占比，血栓形成的可能性變小，說明本文設計新型濾器植入后可降低血管內血栓形成的風險，比 Denali 濾器和 Aegisy 濾器具有一定的優勢。
（3）從體外實驗結果和數值模擬結果綜合來看，3 種腔靜脈濾器對大直徑血栓都有良好的捕捉效果，本文設計新型濾器與 Denali 濾器相比，有更好的過濾小直徑血栓的效果，該結果表明本文設計新型濾器在小直徑血栓治療中有望發揮作用，或可具有更好的治療效果。
