引用本文： 張喜成, 奚斌, 黃才安, 孫元, 陳兆雷, 徐淼, 李曉強. 新型髂靜脈支架植入髂靜脈的局部流場粒子圖像測試研究. 中國普外基礎與臨床雜志, 2017, 24(5): 551-554. doi: 10.7507/1007-9424.201609001 復制
支架植入術是髂靜脈閉塞性疾病的主要治療方法[1]。現有的血管支架植入髂靜脈，其前端部分進入下腔靜脈以達到完全覆蓋病變段，如此有造成對側髂靜脈血液回流障礙或血栓形成風險[2]。為此，我們設計一款新型髂靜脈支架，以減少對另側髂靜脈回流的影響。粒子圖像測速技術是一種檢測流場狀態的一種可視化技術，近年來其也漸被應用于心血管系統的流場測試。本實驗采用粒子圖像測速技術對髂靜脈的流場進行測試，觀察新型支架植入對局部流場的影響。
1 材料與方法
1.1 體外物理模型制作
下腔靜脈與髂靜脈連接部的模型依據人體結構設計為倒“Y”型，采用模具灌注而成、截面為圓形的玻璃管狀結構，且下腔靜脈、雙髂總靜脈位于同一平面。為滿足該實驗粒子圖像測速所需，根據流動的相似性原理，該模型的下腔靜脈與髂靜脈直徑依照筆者前期的臨床測量數據[3]，按 1.2∶1 來制作。
1.2 新型髂靜脈支架的設計
該支架采用鎳鈦合金制作的編織型管狀支架，支架前端制成“禮帽沿”狀結構（圖 1），其平面與支架長軸成一定角度，以適合左髂靜脈與下腔靜脈成角，能保證前端“禮帽沿”能緊密貼合在下腔靜脈的左側壁（專利號：201320053442.3）。
圖1
示設計的新型骼靜脈支架
1.3 粒子圖像測速的相關儀器設備
本實驗采用的粒子圖像測速設備（MicroVec3 粒子圖像測速系統，北京立方天地科技有限公司）包括激光光源系統（DM3-4M350）、高速攝像機（SM-CCDB660）、同步器（MicroPulse 725）、圖像采集及處理系統（MicroVec3 軟件系統）。
1.4 粒子圖像測速的方法
1.4.1 安裝粒子圖像測速裝置 用于本研究的粒子圖像測速系統有如下裝置：① 下腔靜脈-髂靜脈玻璃模型，置于甘油水槽中；② 循環儲水箱：用于儲存實驗所用循環液，可通過軟管與模型連接；③ 用于調節循環液流速的流量調節計；④ 驅動液體循環的動力泵；⑤ MicroVec3 粒子圖像測速系統。將玻璃管狀倒“Y”模型浸入裝有甘油水溶液的玻璃水槽中固定，兩個髂靜脈分支通過軟管分別連接循環儲水箱內的循環動力泵，中間連接流量計以便調節液體流速。動力泵啟動后可將循環儲水箱中的循環液經兩髂支泵入玻璃管狀倒“Y”模型，再經下腔靜脈主管以軟管連接流回循環儲水箱，實驗中循環儲水箱的水位維持穩定。見圖 2。
圖2
示粒子圖像測速的流場測試示意圖
1.4.2 循環液及示蹤粒子 本實驗循環液為黏度與血液相似的甘油水溶液，制作方法：純凈水置放 48 h，沉淀后取上層 50 L 純凈水，加配化學純甘油 17.5 L，該混合液密度（ρ）=1.1×103 kg/m3，黏度（μ）=3.75 mPa/s。示蹤粒子采用金屬氧化顆粒，直徑 500 nm。
1.4.3 粒子圖像測速的實驗過程 ① 搭建實驗平臺，校準激光光源投照在雙髂靜脈與下腔靜脈分叉平面，高速相機固定在激光光源與模型中軸正交的前方約 100 cm，保持相機與檢測區位于同一水平。② 血管支架植入方法：將血管支架 12 mm×80 mm（Maris，美敦力，美國）送入左髂分支，其前端進入下腔靜脈并覆蓋對側髂靜脈開口（圖 3）。而新型設計支架的前端“禮帽沿”則緊貼下腔靜脈的左側壁（圖 4）。③ 啟動循環儲水箱中的循環動力泵，將儲水箱中的循環液經下端兩個分支泵入模型。依據流動的相似性原理，調整雙髂靜脈液體流速為20 cm/min，激光片光源脈沖頻率 50 Hz，每脈沖能量 350 mJ；高速相機調整為 12 bit 級的灰度來識別示蹤粒子，采集圖像頻率 260 幀/s。將采集的粒子圖像測速圖像信號傳遞到計算機處理系統，經過軟件處理觀察兩種支架植入對局部流場的影響。
圖3
示髂靜脈支架植入前端進入下腔靜脈情況的示意圖
圖4
示髂靜脈支架前端緊貼下腔靜脈左側壁情況的示意圖
2 結果
2.1 常規支架植入前后的流場變化
髂靜脈植入常規血管支架前后粒子圖像測速情況見圖 5，從圖 5 可見，植入支架后，雙側髂靜脈血流以相同的流速匯入下腔靜脈后，流體的主流動方向右側明顯偏移，支架上緣與下腔靜脈的左內壁之間出現了部分的流速降低區域，但雙髂靜脈的流速并無變化，未見明顯的渦流現象。
圖5
示常規支架植入前后的下腔靜脈-髂靜脈連接部模型的粒子圖像測速的流場情況 a：常規支架植入前；b：常規支架植入后，主流動方向右偏（黃箭），支架上緣與下腔靜脈之間有低速區域
2.2 新型髂靜脈支架植入后的流場測試結果
結果見圖 6。從圖 6 可見，兩側髂靜脈分腿的流體以相同的流速匯合后進入下腔靜脈，流體匯合后的主流動方向基本位于下腔靜脈的中央，未見偏移，雙側髂靜脈匯合后的流場未見其他異常，與支架植入前的流場情況基本相似。
圖6
示新型髂靜脈支架植入后的粒子圖像測速的流場情況
3 討論
髂靜脈受壓綜合征的腔內治療具有良好的中遠期療效[2,4-5]。在血管支架的植入過程中支架近端如何定位尚有爭議。有學者[6]建議支架進入下腔靜脈 20～30 mm，以減少支架移位及再狹窄，不會影響對側血流；但另有研究[7]認為，支架前端進入下腔靜脈，覆蓋對側髂靜脈，會影響血流動力學，甚至可能導致對側血栓形成。因此，本研究的目的是觀察支架植入并覆蓋對側是否會影響局部的流體動力學。
粒子圖像測速技術是目前檢測流場最準確的可視化技術[8-9]，其原理是通過構建仿真流體模型，選擇有良好跟隨性的示蹤粒子，這些粒子隨著循環液流經特定平面時被脈沖激光照亮，再被高速數字照相技術所記錄，經計算機軟件后續處理，即可得到某個特定時間內的示蹤粒子位移，從而推算出流場的相關信息，因此，即可得到相對準確詳盡的同一時刻的流場特點。
本實驗中發現，將常規血管支架植入髂靜脈后，因裸支架網絲的遮擋作用，較大角度的左髂靜脈血流受來自右髂靜脈血流的沖擊力減弱，出現主流動方向以及局部流速的改變。為此，我們設計了新型的編織型支架，該支架植入髂靜脈后，其頭端沒有遮擋對側髂靜脈開口的金屬網絲，粒子圖像測速的結果顯示其對雙髂靜脈的血液流速及主流動方向均無明顯影響。由于該支架具有金屬特性和編織結構共同產生的預應力作用，支架會出現向心性的回拉力，頭端設計成斜形以及“禮帽沿”狀，會緊貼下腔靜脈的左側緣，從而避免其頭端遮擋對側髂靜脈。
目前國內尚缺乏專用的髂靜脈專用支架，本研究中設計的髂靜脈支架還需要通過進一步的動物實驗和臨床研究以證明其在臨床應用的安全性和可行性。
支架植入術是髂靜脈閉塞性疾病的主要治療方法[1]。現有的血管支架植入髂靜脈，其前端部分進入下腔靜脈以達到完全覆蓋病變段，如此有造成對側髂靜脈血液回流障礙或血栓形成風險[2]。為此，我們設計一款新型髂靜脈支架，以減少對另側髂靜脈回流的影響。粒子圖像測速技術是一種檢測流場狀態的一種可視化技術，近年來其也漸被應用于心血管系統的流場測試。本實驗采用粒子圖像測速技術對髂靜脈的流場進行測試，觀察新型支架植入對局部流場的影響。
1 材料與方法
1.1 體外物理模型制作
下腔靜脈與髂靜脈連接部的模型依據人體結構設計為倒“Y”型，采用模具灌注而成、截面為圓形的玻璃管狀結構，且下腔靜脈、雙髂總靜脈位于同一平面。為滿足該實驗粒子圖像測速所需，根據流動的相似性原理，該模型的下腔靜脈與髂靜脈直徑依照筆者前期的臨床測量數據[3]，按 1.2∶1 來制作。
1.2 新型髂靜脈支架的設計
該支架采用鎳鈦合金制作的編織型管狀支架，支架前端制成“禮帽沿”狀結構（圖 1），其平面與支架長軸成一定角度，以適合左髂靜脈與下腔靜脈成角，能保證前端“禮帽沿”能緊密貼合在下腔靜脈的左側壁（專利號：201320053442.3）。
圖1
示設計的新型骼靜脈支架
1.3 粒子圖像測速的相關儀器設備
本實驗采用的粒子圖像測速設備（MicroVec3 粒子圖像測速系統，北京立方天地科技有限公司）包括激光光源系統（DM3-4M350）、高速攝像機（SM-CCDB660）、同步器（MicroPulse 725）、圖像采集及處理系統（MicroVec3 軟件系統）。
1.4 粒子圖像測速的方法
1.4.1 安裝粒子圖像測速裝置 用于本研究的粒子圖像測速系統有如下裝置：① 下腔靜脈-髂靜脈玻璃模型，置于甘油水槽中；② 循環儲水箱：用于儲存實驗所用循環液，可通過軟管與模型連接；③ 用于調節循環液流速的流量調節計；④ 驅動液體循環的動力泵；⑤ MicroVec3 粒子圖像測速系統。將玻璃管狀倒“Y”模型浸入裝有甘油水溶液的玻璃水槽中固定，兩個髂靜脈分支通過軟管分別連接循環儲水箱內的循環動力泵，中間連接流量計以便調節液體流速。動力泵啟動后可將循環儲水箱中的循環液經兩髂支泵入玻璃管狀倒“Y”模型，再經下腔靜脈主管以軟管連接流回循環儲水箱，實驗中循環儲水箱的水位維持穩定。見圖 2。
圖2
示粒子圖像測速的流場測試示意圖
1.4.2 循環液及示蹤粒子 本實驗循環液為黏度與血液相似的甘油水溶液，制作方法：純凈水置放 48 h，沉淀后取上層 50 L 純凈水，加配化學純甘油 17.5 L，該混合液密度（ρ）=1.1×103 kg/m3，黏度（μ）=3.75 mPa/s。示蹤粒子采用金屬氧化顆粒，直徑 500 nm。
1.4.3 粒子圖像測速的實驗過程 ① 搭建實驗平臺，校準激光光源投照在雙髂靜脈與下腔靜脈分叉平面，高速相機固定在激光光源與模型中軸正交的前方約 100 cm，保持相機與檢測區位于同一水平。② 血管支架植入方法：將血管支架 12 mm×80 mm（Maris，美敦力，美國）送入左髂分支，其前端進入下腔靜脈并覆蓋對側髂靜脈開口（圖 3）。而新型設計支架的前端“禮帽沿”則緊貼下腔靜脈的左側壁（圖 4）。③ 啟動循環儲水箱中的循環動力泵，將儲水箱中的循環液經下端兩個分支泵入模型。依據流動的相似性原理，調整雙髂靜脈液體流速為20 cm/min，激光片光源脈沖頻率 50 Hz，每脈沖能量 350 mJ；高速相機調整為 12 bit 級的灰度來識別示蹤粒子，采集圖像頻率 260 幀/s。將采集的粒子圖像測速圖像信號傳遞到計算機處理系統，經過軟件處理觀察兩種支架植入對局部流場的影響。
圖3
示髂靜脈支架植入前端進入下腔靜脈情況的示意圖
圖4
示髂靜脈支架前端緊貼下腔靜脈左側壁情況的示意圖
2 結果
2.1 常規支架植入前后的流場變化
髂靜脈植入常規血管支架前后粒子圖像測速情況見圖 5，從圖 5 可見，植入支架后，雙側髂靜脈血流以相同的流速匯入下腔靜脈后，流體的主流動方向右側明顯偏移，支架上緣與下腔靜脈的左內壁之間出現了部分的流速降低區域，但雙髂靜脈的流速并無變化，未見明顯的渦流現象。
圖5
示常規支架植入前后的下腔靜脈-髂靜脈連接部模型的粒子圖像測速的流場情況 a：常規支架植入前；b：常規支架植入后，主流動方向右偏（黃箭），支架上緣與下腔靜脈之間有低速區域
2.2 新型髂靜脈支架植入后的流場測試結果
結果見圖 6。從圖 6 可見，兩側髂靜脈分腿的流體以相同的流速匯合后進入下腔靜脈，流體匯合后的主流動方向基本位于下腔靜脈的中央，未見偏移，雙側髂靜脈匯合后的流場未見其他異常，與支架植入前的流場情況基本相似。
圖6
示新型髂靜脈支架植入后的粒子圖像測速的流場情況
3 討論
髂靜脈受壓綜合征的腔內治療具有良好的中遠期療效[2,4-5]。在血管支架的植入過程中支架近端如何定位尚有爭議。有學者[6]建議支架進入下腔靜脈 20～30 mm，以減少支架移位及再狹窄，不會影響對側血流；但另有研究[7]認為，支架前端進入下腔靜脈，覆蓋對側髂靜脈，會影響血流動力學，甚至可能導致對側血栓形成。因此，本研究的目的是觀察支架植入并覆蓋對側是否會影響局部的流體動力學。
粒子圖像測速技術是目前檢測流場最準確的可視化技術[8-9]，其原理是通過構建仿真流體模型，選擇有良好跟隨性的示蹤粒子，這些粒子隨著循環液流經特定平面時被脈沖激光照亮，再被高速數字照相技術所記錄，經計算機軟件后續處理，即可得到某個特定時間內的示蹤粒子位移，從而推算出流場的相關信息，因此，即可得到相對準確詳盡的同一時刻的流場特點。
本實驗中發現，將常規血管支架植入髂靜脈后，因裸支架網絲的遮擋作用，較大角度的左髂靜脈血流受來自右髂靜脈血流的沖擊力減弱，出現主流動方向以及局部流速的改變。為此，我們設計了新型的編織型支架，該支架植入髂靜脈后，其頭端沒有遮擋對側髂靜脈開口的金屬網絲，粒子圖像測速的結果顯示其對雙髂靜脈的血液流速及主流動方向均無明顯影響。由于該支架具有金屬特性和編織結構共同產生的預應力作用，支架會出現向心性的回拉力，頭端設計成斜形以及“禮帽沿”狀，會緊貼下腔靜脈的左側緣，從而避免其頭端遮擋對側髂靜脈。
目前國內尚缺乏專用的髂靜脈專用支架，本研究中設計的髂靜脈支架還需要通過進一步的動物實驗和臨床研究以證明其在臨床應用的安全性和可行性。
