功能性单心室的虚拟Fontan手术及计算流体力学数值模拟研究

在先天性心脏疾病中，有一类复杂的心脏畸形，表现为一侧心室发育不良或未发育，临床上统称为功能性单心室。Fontan类手术是目前国内外治疗这类疾病所普遍采用的手术方案，通过腔静脉-肺动脉吻合达到治疗的目的。遗憾的是，目前在Fontan手术方案选择时，基本依赖医生的主观判断，手术效果及术后生存率很大程度上取决于主刀医师的经验及主观判断。.个体化治疗和循证医学是当今临床医学的发展方向。通过以往的研究，我们认识到对腔-肺吻合术后患儿进行病人个体化三维重建并在重建模型中进行血流的计算流体力学模拟和分析是可行的。该研究拟通过对功能性单心室患儿进行虚拟Fontan手术和计算流体力学分析，探索建立一套客观准确且切实可行的虚拟Fontan手术及数值模拟流程。以期达到通过对不同手术设计的客观、定量的比较为患儿选择最佳的个体化手术方案的目的。

本课题利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法对小儿心脏外科治疗功能性单心室常用的三种不同类型Fontan术式（外管道Fontan、内隧道Fontan和肺总动脉直接下拉吻合式Fontan）进行了稳态数值模拟和分析，并通过增加下腔静脉平均血流量来模拟运动状态。通过研究发现在运动状态下，三种类型Fontan结构的能量消耗均有不同程度的增加，而主肺动脉远心端直接下拉吻合式Fontan在运动状态下能量效率最高。通过对计算结果的流场和流线的分析，我们认为肺总动脉离断并充分游离后远心端的向下牵拉造成的左肺动脉与下腔静脉在空间中三维角度的增加是导致这一结果的主要原因。这对于在今后的手术中改进下腔静脉与肺动脉之间的连接管道的构型提供了科学依据。目前国外已出现在外管道Fontan手术中利用改良的“Y”型管道代替直管道进行下腔静脉-肺动脉连接的临床病例和CFD计算的报道，我们希望在今后的研究中能对这一计算结果推进的手术设计的改良进行更为深入的基础研究甚至相关的临床应用研究。. 本课题利用脉动血流边界条件对Fontan结构进行非稳态数值模拟并对呼吸作用对血流动力学特征的影响进行评估。研究结果发现在脉动边界条件中考虑呼吸周期的影响会使血管腔内包括流体静压、壁面剪切应力和流线分布等局部血流动力学特征发生明显改变。呼吸周期会缓解血流脉动导致的血管壁剪切应力和能量消耗。然而对于左、右肺动脉流量分配比没有明显的影响。基于这一研究，我们认为在对Fontan手术进行CFD非稳态模拟时，考虑呼吸作用的影响会使计算结果更接近患者的真实血流动力学情况。. 本课题对双侧、双向Glenn术后患者进行了虚拟Fontan手术设计和CFD模拟。通过改变三维结构完成四种虚拟Fontan手术操作，并利用同样的出、入口边界条件对所有设计方案进行CFD模拟和分析。研究结果显示将两侧上腔静脉-肺动脉吻合口远离并将有一定弧度的下腔静脉连接管道与肺动脉吻合口置于右侧上腔静脉下方时能量效率始终保持最高。通过上述方法，我们可以在术前根据患者的实际解剖特点和血流量情况进行虚拟手术方案的制定和数值计算，这种定量的、循证的、直观的表达方法有利于帮助外科医生根据病人实际情况科学地选择手术方案，可以有效地避免主观判断和经验主义给手术治疗带来的影响。