引用本文： 朱放, 溫臣, 施國丞, 張茜, 劉金龍, 張航, 祝忠群, 陳會文. 基于文丘里效應自身動力性 Fontan 的數值模擬. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2019, 26(9): 895-898. doi: 10.7507/1007-4848.201812051 復制
右心曠置術（Fontan）是目前治療功能性單心室的唯一方案，它是將上、下腔靜脈的血液直接引流進入肺動脈，而不通過右心室“泵”的作用[1]。雖經多次改良，手術結果改善明顯，但術后長期生存率欠佳[2]，幾乎所有患者都存在胸腔和心包積液、蛋白質丟失性腸病、肝腎功能衰竭、心功能衰竭等并發癥，超過半數患者需要心臟移植，生活質量和壽命遠低于正常人群[3-4]。根本原因在于 Fontan 手術缺乏右心室的泵血作用，即肺循環缺少能量供應[5]。
文丘里效應（venturi effect）是指當流體通過管道狹窄部分時導致該部分流體靜壓降低的效應[6]。在流體力學的連續性原理中，不可壓縮流體在通過縮窄口時流速增加，而其靜壓根據機械能守恒原理而減小[7]。根據這個原理，我們擬將少量具有高機械能的動脈血引入 Fontan 手術吻合位置，帶動低能量的靜脈血回流到肺動脈。
本研究對 Fontan 術后患兒的腔肺吻合區域進行三維重建，并在此基礎上加用文丘里管道，通過計算流體力學（CFD）分析其動力性效應。
1 資料與方法
收集 2011 ~ 2017 年 4 例行心外管道 Fontan 患者術后的臨床資料，其中男 3 例、女 1 例，年齡 5～7 歲。患者均根據病史、影像學檢查確診，一般資料見表 1。患兒 1，上、下腔靜脈之間形成對沖；患兒 2，下腔靜脈吻合口在上腔靜脈左側，偏移量為下腔靜脈直徑的一半；患兒 3，下腔靜脈吻合口在上腔靜脈左側，偏移量等于下腔靜脈直徑；患兒 4，下腔靜脈吻合口在上腔靜脈右側，偏移量為下腔靜脈直徑的一半。所有患兒均在完成 Fontan 術后進行心臟超聲、CT 和心臟磁共振成像（CMRI）檢查，獲得腔靜脈和肺動脈的血流動力學數據。
表1
4 例 Fontan 術后患兒一般臨床資料
將患兒的影像數據導入醫學影像處理軟件 Mimics 19.0?，然后標記需要的腔靜脈以及肺動脈區域，去除不需要的心臟、主動脈、脊柱等無關結構，最終獲得用于計算的血管信息；見圖 1。這 4 個模型用于計算基線情況下患兒的流體力學情況。在基線模型的基礎上，添加文丘里管；見圖 2，研究文丘里管道對 Fontan 循環的改變。
圖1
患兒 Fontan 術后腔靜脈與肺動脈重建結果
a：患兒 1；b：患兒 2；c：患兒 3；d：患兒 4
圖2
文丘里管在 Fontan 手術應用的示意圖
SVC：上腔靜脈；IVC：下腔靜脈；RPA：右肺動脈；LPA：左肺動脈；AAO：腹主動脈
為了研究不同插入點對管道效果的影響，我們選擇多個插入點評估文丘里管道的效果（圖 3）。對于前 3 例患兒，A 點為上腔靜脈與右肺動脈中線交點在血管前壁的投影，B、C、D 點分別在 A 點左側 2 mm、4 mm、6 mm，D、E、F 點分別在 A 點上方 2 mm、4 mm、6 mm，J 點位于上腔靜脈與肺動脈吻合最左端，H、I 是 A~J 連線在血管表面的兩個三等分點。對于患兒 4，A 點為上腔靜脈與右肺動脈中線交點在血管前壁的投影，A、B、C、D 四點空間關系與之前相同。考慮到一些插入點的空間位置不適用于某些患者，這些插入點將被去除。為了減少文丘里管在血管內形成的渦流[8]，所有文丘里管均指向右肺動脈入口。
圖3
文丘里管插入點示意圖
A：上腔靜脈與右肺動脈中線交點在血管前壁的投影；B：A點左側2mm；C：A點左側4mm；D：A點左側6mm；E：A點上方2mm；F：A點上方4mm；G：A點上方6mm；J：位于上腔靜脈與肺動脈吻合最左端；H、I：A-J連線在血管表面的兩個三等分點
重建后的三維結構導入 ANSYS-ICEM?進行網格劃分。總體上使用尺寸<0.6 mm 的非結構化網格，在中央分流區域將網格加密到 0.2 mm，從而獲得精確的結果。本研究采用穩定的邊界條件，并且我們假定血管壁是剛性的，并且具有不可滲透性，流體是同質的牛頓流體，密度為 ρ=1 060 kg/m3，動力粘度 μ=3.5×10–3Pa·s。4 例患者腔靜脈和肺動脈的邊界條件均來自于臨床實際測得數據。文丘里管道的流量設定為 14 mL/s，因為在該條件下，體循環入口的壓力約為 80～90 mm Hg，這符合患者實際的平均動脈壓，也符合我國該年齡段兒童的實際情況[9]。利用以上邊界條件進行CFD模擬，得到腔靜脈壓力以及左右肺動脈流量。對比使用文丘里管前后的壓力和流量，分析該管道在改善 Fontan 循環中的有效性。
2 結果
我們對 4 例患者的基線模型和使用文丘里管模型分別進行了計算。在使用文丘里管道后，4 例患者的腔靜脈壓力都較基線有不同程度的改變；見圖 4。在患兒 1、2、3 中，文丘里管大約可以將腔靜脈壓力降低 0.5 mm Hg；在患兒 4 中，文丘里管會增加腔靜脈壓力。腔靜脈與肺動脈之間的壓差見圖 5，在患兒 2 和患兒 3 中，腔靜脈壓差與肺動脈壓差在使用文丘里管道后反轉，由正值變為負值，約–0.7 mm Hg；在患兒 1 中，壓差雖然沒有反轉，但是相對于基線，使用文丘里管道后，壓差全部下降；患兒 4 使用文丘里管后，壓差增大。
圖4
使用文丘里管前后，患兒腔靜脈壓力的數值
BSL：未使用文丘里管的基線數據；A～J：為不同的插入點；SVC：上腔靜脈；IVC：下腔靜脈
圖5
使用文丘里管前后，患兒腔靜脈與肺動脈壓差的數值
BSL：未使用文丘里管的基線數據；A～J：為不同的插入點；SVC：上腔靜脈；IVC：下腔靜脈；SVC-RPA：上腔靜脈與右肺動脈的壓差；IVC-RPA：下腔靜脈與右肺動脈的壓差
3 討論
近年來，對于 Fontan 手術的改良一直在不斷進行，從最初的房-肺連接到心內隧道，到目前最常用的心外管道，Fontan 手術經過了三個階段[10]。在不斷提出新的 Fontan 手術改良方案的過程中，如何給 Fontan 循環提高能量供應，以降低腔靜脈壓力、增加肺循環血流量是研究的熱點[5]。
在本研究中，使用了 4 個不同類型患者血管的解剖結構以及臨床數據進行了三維CFD模擬。計算結果發現，文丘里管道可能適用于腔靜脈血液對沖以及下腔靜脈吻合口在上腔靜脈左側的患者，而對于下腔靜脈吻合口在右側的患者，文丘里管道可能會干擾靜脈血回流，造成腔靜脈壓力升高。而且患者 1～3 的解剖形態在臨床中較為常見[11]，文丘里管可以降低腔靜脈壓力，輔助靜脈血回流，形成右心室樣作用，說明該文丘里管道具有一定的臨床應用潛力。
Fontan 術后血管的幾何形態一直是研究者關注的焦點[12]，主要是因為血流對沖和渦流形成與能量損耗增加相關[5]，故 Marsden 等[13]和 Restrepo 等[14]通過使用 Y 形管道減少對沖和渦流，從而降低能量損耗，但此方法未增加肺循環的動力。近年來，一些新穎的設計被提出，旨在為肺循環提供動力[15-16]。Esmaily-Moghadam 等[15]曾經報道了應用于雙向 Glenn 手術的輔助管道。該管道連接無名動脈和上腔靜脈，狹窄處直徑 1.5 mm。該研究結果發現輔助管道可以輔助靜脈血回流，但是同時增加上腔靜脈的壓力。高速血流進入上腔靜脈后，與原始靜脈血混合。雖然靜脈血獲得了能量，但又在腔-肺連接區域損失掉，同時增加了肺血流量，最終導致上腔靜脈壓力升高。Ni 等[16]曾經報道了一種稱為“IJS”的輔助管道，該管道由腔靜脈與肺動脈吻合處進入肺動脈管腔內，他們認為這種方案有助于輔助血液回流。但是，從實際臨床應用的角度來說，這樣的手術方式在臨床實際操作中較困難，并且該研究中伸入肺動脈的部分需要額外的固定結構，增加了整體的復雜性。同時，該研究沒有討論不同的血管形態，僅在單一的、平均化的模型中討論輔助管道的作用。我們的研究利用CFD模擬證明輔助管道的可行性，它直接將主動脈弓處的血液引入肺動脈，利用文丘里效應輔助靜脈血液回流，且在 3 種血管形態的患者中都具有降低腔靜脈壓力、增加肺動脈血流量的功能。
本研究包含的病例數較少，雖然每種幾何形態都計算了臨床上可用的連接方法，但是這種自身動力性 Fontan 還需要更多的臨床數據進行驗證。同時，將腔-肺吻合區域作為獨立的部分來研究，沒有包含周圍相連的組織結構，因此得出的結論也具有一定的局限性。雖然存在上述的缺陷，但是本研究是改良 Fontan 手術的一種探索，其結果證明這種方案具有一定的可行性。在今后的研究中，我們將在實驗動物中建立該手術方案，研究在體條件下文丘里管道的作用，對 CFD 模擬結果進行驗證。我們希望通過不斷的改進，降低 Fontan 患者術后并發癥的發病率，提高患者的遠期生存率。
利益沖突：無。
右心曠置術（Fontan）是目前治療功能性單心室的唯一方案，它是將上、下腔靜脈的血液直接引流進入肺動脈，而不通過右心室“泵”的作用[1]。雖經多次改良，手術結果改善明顯，但術后長期生存率欠佳[2]，幾乎所有患者都存在胸腔和心包積液、蛋白質丟失性腸病、肝腎功能衰竭、心功能衰竭等并發癥，超過半數患者需要心臟移植，生活質量和壽命遠低于正常人群[3-4]。根本原因在于 Fontan 手術缺乏右心室的泵血作用，即肺循環缺少能量供應[5]。
文丘里效應（venturi effect）是指當流體通過管道狹窄部分時導致該部分流體靜壓降低的效應[6]。在流體力學的連續性原理中，不可壓縮流體在通過縮窄口時流速增加，而其靜壓根據機械能守恒原理而減小[7]。根據這個原理，我們擬將少量具有高機械能的動脈血引入 Fontan 手術吻合位置，帶動低能量的靜脈血回流到肺動脈。
本研究對 Fontan 術后患兒的腔肺吻合區域進行三維重建，并在此基礎上加用文丘里管道，通過計算流體力學（CFD）分析其動力性效應。
1 資料與方法
收集 2011 ~ 2017 年 4 例行心外管道 Fontan 患者術后的臨床資料，其中男 3 例、女 1 例，年齡 5～7 歲。患者均根據病史、影像學檢查確診，一般資料見表 1。患兒 1，上、下腔靜脈之間形成對沖；患兒 2，下腔靜脈吻合口在上腔靜脈左側，偏移量為下腔靜脈直徑的一半；患兒 3，下腔靜脈吻合口在上腔靜脈左側，偏移量等于下腔靜脈直徑；患兒 4，下腔靜脈吻合口在上腔靜脈右側，偏移量為下腔靜脈直徑的一半。所有患兒均在完成 Fontan 術后進行心臟超聲、CT 和心臟磁共振成像（CMRI）檢查，獲得腔靜脈和肺動脈的血流動力學數據。
表1
4 例 Fontan 術后患兒一般臨床資料
將患兒的影像數據導入醫學影像處理軟件 Mimics 19.0?，然后標記需要的腔靜脈以及肺動脈區域，去除不需要的心臟、主動脈、脊柱等無關結構，最終獲得用于計算的血管信息；見圖 1。這 4 個模型用于計算基線情況下患兒的流體力學情況。在基線模型的基礎上，添加文丘里管；見圖 2，研究文丘里管道對 Fontan 循環的改變。
圖1
患兒 Fontan 術后腔靜脈與肺動脈重建結果
a：患兒 1；b：患兒 2；c：患兒 3；d：患兒 4
圖2
文丘里管在 Fontan 手術應用的示意圖
SVC：上腔靜脈；IVC：下腔靜脈；RPA：右肺動脈；LPA：左肺動脈；AAO：腹主動脈
為了研究不同插入點對管道效果的影響，我們選擇多個插入點評估文丘里管道的效果（圖 3）。對于前 3 例患兒，A 點為上腔靜脈與右肺動脈中線交點在血管前壁的投影，B、C、D 點分別在 A 點左側 2 mm、4 mm、6 mm，D、E、F 點分別在 A 點上方 2 mm、4 mm、6 mm，J 點位于上腔靜脈與肺動脈吻合最左端，H、I 是 A~J 連線在血管表面的兩個三等分點。對于患兒 4，A 點為上腔靜脈與右肺動脈中線交點在血管前壁的投影，A、B、C、D 四點空間關系與之前相同。考慮到一些插入點的空間位置不適用于某些患者，這些插入點將被去除。為了減少文丘里管在血管內形成的渦流[8]，所有文丘里管均指向右肺動脈入口。
圖3
文丘里管插入點示意圖
A：上腔靜脈與右肺動脈中線交點在血管前壁的投影；B：A點左側2mm；C：A點左側4mm；D：A點左側6mm；E：A點上方2mm；F：A點上方4mm；G：A點上方6mm；J：位于上腔靜脈與肺動脈吻合最左端；H、I：A-J連線在血管表面的兩個三等分點
重建后的三維結構導入 ANSYS-ICEM?進行網格劃分。總體上使用尺寸<0.6 mm 的非結構化網格，在中央分流區域將網格加密到 0.2 mm，從而獲得精確的結果。本研究采用穩定的邊界條件，并且我們假定血管壁是剛性的，并且具有不可滲透性，流體是同質的牛頓流體，密度為 ρ=1 060 kg/m3，動力粘度 μ=3.5×10–3Pa·s。4 例患者腔靜脈和肺動脈的邊界條件均來自于臨床實際測得數據。文丘里管道的流量設定為 14 mL/s，因為在該條件下，體循環入口的壓力約為 80～90 mm Hg，這符合患者實際的平均動脈壓，也符合我國該年齡段兒童的實際情況[9]。利用以上邊界條件進行CFD模擬，得到腔靜脈壓力以及左右肺動脈流量。對比使用文丘里管前后的壓力和流量，分析該管道在改善 Fontan 循環中的有效性。
2 結果
我們對 4 例患者的基線模型和使用文丘里管模型分別進行了計算。在使用文丘里管道后，4 例患者的腔靜脈壓力都較基線有不同程度的改變；見圖 4。在患兒 1、2、3 中，文丘里管大約可以將腔靜脈壓力降低 0.5 mm Hg；在患兒 4 中，文丘里管會增加腔靜脈壓力。腔靜脈與肺動脈之間的壓差見圖 5，在患兒 2 和患兒 3 中，腔靜脈壓差與肺動脈壓差在使用文丘里管道后反轉，由正值變為負值，約–0.7 mm Hg；在患兒 1 中，壓差雖然沒有反轉，但是相對于基線，使用文丘里管道后，壓差全部下降；患兒 4 使用文丘里管后，壓差增大。
圖4
使用文丘里管前后，患兒腔靜脈壓力的數值
BSL：未使用文丘里管的基線數據；A～J：為不同的插入點；SVC：上腔靜脈；IVC：下腔靜脈
圖5
使用文丘里管前后，患兒腔靜脈與肺動脈壓差的數值
BSL：未使用文丘里管的基線數據；A～J：為不同的插入點；SVC：上腔靜脈；IVC：下腔靜脈；SVC-RPA：上腔靜脈與右肺動脈的壓差；IVC-RPA：下腔靜脈與右肺動脈的壓差
3 討論
近年來，對于 Fontan 手術的改良一直在不斷進行，從最初的房-肺連接到心內隧道，到目前最常用的心外管道，Fontan 手術經過了三個階段[10]。在不斷提出新的 Fontan 手術改良方案的過程中，如何給 Fontan 循環提高能量供應，以降低腔靜脈壓力、增加肺循環血流量是研究的熱點[5]。
在本研究中，使用了 4 個不同類型患者血管的解剖結構以及臨床數據進行了三維CFD模擬。計算結果發現，文丘里管道可能適用于腔靜脈血液對沖以及下腔靜脈吻合口在上腔靜脈左側的患者，而對于下腔靜脈吻合口在右側的患者，文丘里管道可能會干擾靜脈血回流，造成腔靜脈壓力升高。而且患者 1～3 的解剖形態在臨床中較為常見[11]，文丘里管可以降低腔靜脈壓力，輔助靜脈血回流，形成右心室樣作用，說明該文丘里管道具有一定的臨床應用潛力。
Fontan 術后血管的幾何形態一直是研究者關注的焦點[12]，主要是因為血流對沖和渦流形成與能量損耗增加相關[5]，故 Marsden 等[13]和 Restrepo 等[14]通過使用 Y 形管道減少對沖和渦流，從而降低能量損耗，但此方法未增加肺循環的動力。近年來，一些新穎的設計被提出，旨在為肺循環提供動力[15-16]。Esmaily-Moghadam 等[15]曾經報道了應用于雙向 Glenn 手術的輔助管道。該管道連接無名動脈和上腔靜脈，狹窄處直徑 1.5 mm。該研究結果發現輔助管道可以輔助靜脈血回流，但是同時增加上腔靜脈的壓力。高速血流進入上腔靜脈后，與原始靜脈血混合。雖然靜脈血獲得了能量，但又在腔-肺連接區域損失掉，同時增加了肺血流量，最終導致上腔靜脈壓力升高。Ni 等[16]曾經報道了一種稱為“IJS”的輔助管道，該管道由腔靜脈與肺動脈吻合處進入肺動脈管腔內，他們認為這種方案有助于輔助血液回流。但是，從實際臨床應用的角度來說，這樣的手術方式在臨床實際操作中較困難，并且該研究中伸入肺動脈的部分需要額外的固定結構，增加了整體的復雜性。同時，該研究沒有討論不同的血管形態，僅在單一的、平均化的模型中討論輔助管道的作用。我們的研究利用CFD模擬證明輔助管道的可行性，它直接將主動脈弓處的血液引入肺動脈，利用文丘里效應輔助靜脈血液回流，且在 3 種血管形態的患者中都具有降低腔靜脈壓力、增加肺動脈血流量的功能。
本研究包含的病例數較少，雖然每種幾何形態都計算了臨床上可用的連接方法，但是這種自身動力性 Fontan 還需要更多的臨床數據進行驗證。同時，將腔-肺吻合區域作為獨立的部分來研究，沒有包含周圍相連的組織結構，因此得出的結論也具有一定的局限性。雖然存在上述的缺陷，但是本研究是改良 Fontan 手術的一種探索，其結果證明這種方案具有一定的可行性。在今后的研究中，我們將在實驗動物中建立該手術方案，研究在體條件下文丘里管道的作用，對 CFD 模擬結果進行驗證。我們希望通過不斷的改進，降低 Fontan 患者術后并發癥的發病率，提高患者的遠期生存率。
利益沖突：無。
