主动脉弓人工血管

背景：

针对胸主动脉瘤和分层的血管修复方案主要有两种，分别是开胸手术和血管腔内介入修复(endovascular aneurysm repair, EVAR)。开胸手术风险较高，需要配合使用体外循环和深低温循环性停搏，术后的死亡率和心肌梗死率分别达到10%和20%^[1]，其高有创性使得部分病人无法选择这种手术方案。EVAR的有创性较低，术中采用局部麻醉且不中断血流，因此其死亡率和引起并发症的概率较低^[2]。然而，EVAR在针对累及主动脉弓的修复时，需要面临弓上动脉被堵住的问题，因此，EVAR的使用可能还需要配合使用开窗术或搭桥来保持弓上动脉的供血。近年来，为了提高术后的短期和长期治疗效果，结合开胸手术和EVAR两种技术特点的手术方案被提出^[2]，这种技术方案主要包括切除替换主动脉弓和在降主动脉植入支架，图1^[3]展示了这种方案的不同执行情况：

图1：结合EVAR和开胸手术的四种混合技术方案^[3]

不管是何种技术方案，最终对病人的影响都反映改善血流流动状况，包括血压，供血等。目前的临床测量工具并不能提供精细的流场分析，测量结果也无法用于计算血流动力学参数的分布，如内皮剪切应力等。因此，为了计算血流动力学参数的分布，从而为术后的短期和长期治疗提供更多的判断依据，需要借助计算流体力学(computational fluid dynamic, CFD)技术来还原血管内部流场。

方法：

以一例混合技术方案为例，计算术后的血管内部流场。如图2所示，针对该病例，在主动脉弓区域使用了支架撑开血管；为了保证脑部和上肢供血，在升主动脉远端开口，通过人工血管搭接，连接升主动脉和其他血管。从医学图像中提取几何模型并划分网格；根据文献资料或临床数据，在主动脉入口添加流量波形边界条件，在血管出口耦合集中参数模型；设置合理的血液材料参数和选择合适的湍流模型，求解控制方程并计算内部流场。

图2：病人的术后血管重构模型

结果展示：

图3为一个心动周期内主动脉入口的流量变化，后续的结果展示分别在0.1s，0.15s，0.2s和0.4s，分别对应心动周期的加速期，收缩期峰值，减速期和舒张期。

图3：主动脉入口的流量波形图

图4展示了压力，流线和壁面剪切应力的计算结果。通过流线图可已看出，在收缩期，血液能顺利地从入口运往各个出口；但是过了收缩期峰值后，入口压力开始下降，有小部分区域出现回流，但血液凭着惯性继续输往不同出口；进入舒张期后，主动脉入口失去动力，血管内部流场变得紊乱。从壁面剪切应力来看，人工血管的管径较小，速度较高，因此剪切应力较高；在主动脉弓的支架区域，大部分区域的剪切应力较小，考虑到舒张期时的回流，需要考虑该区域形成血栓的风险。

图4：不同时刻下压力，流线和壁面剪切应力的计算结果

参考文献：

[1] Chiu T L, Tang A Y S, Cheng S W K, et al. Analysis of flow patterns on branched endografts for aortic arch aneurysms[J]. Informatics in Medicine Unlocked, 2018, 13: 62-70.

[2] Nardi A, Even-Chen B, Avrahami I. Experimental and numerical study of the flow dynamics in treatment approaches for aortic arch aneurysms[J]. Aortic Aneurysm, 2017: 41.

[3] El-Hamamsy I, Ouzounian M, Demers P, et al. State-of-the-art surgical management of acute type A aortic dissection[J]. Canadian Journal of Cardiology, 2016, 32(1): 100-109.