大动脉调转术改进几何构型对主动脉瓣关闭不全影响的生物力学机理和手术规划研究

The applicant proposed several modified geometric configurations for Arterial Switch Operation (ASO) according to surgical experience and assumption of clinicians, while the mechanism needs to be investigated so as to know the postoperative influence of the modified geometric configurations for ASO on aortic insufficiency. The main scientific problem of the present project is the biomechanical mechanism of the influence of modified geometric configurations for ASO on aortic insufficiency. The research purpose is to provide the scientific basis for better solving the clinical problems in ASO. The modified geometric configurations include the diameter taper ratio of the sinotubular junction to the aortic annulus, the size of coronary artery root "button", the angle between the aortic valve orifice and the ascending aortic axes, and the shape of left ventricular outflow tract, etc. The research contents include: establishing finite element models based on patient cases and imaging data; numerical simulation by using statics, dynamics and fluid-structure-interaction method; verifying simulation results by experimental method with PIV system and aortic valve movement/mechanics test instrument; analyzing multi-centric patient cases retrospectively and with follow-up observation, establishing statistical analysis and neural network algorithm, and developing easy-to-use surgical planning system. The research results may be used to guide the evidence-based surgical decision easily and scientifically, and offer the theoretical support for the design and test of prosthetic valve and vascular stapler device.

根据临床医生的经验和设想，申请人提出了大动脉调转术几种改进几何构型的方案，但需要从原理上了解改进几何构型对术后主动脉瓣关闭不全的影响。本项目的主要科学问题就是大动脉调转术改进几何构型对主动脉瓣关闭功能影响的生物力学机理；研究目的就是为更好地解决大动脉调转手术中的临床医学问题提供科学依据。改进几何构型包括窦管交界直径锥度、冠状动脉切片大小、瓣叶开口与主动脉中心轴夹角大小、心室流腔形状等。本项目利用临床病例数据和影像资料，建立有限元分析模型并进行静态、动态和流固耦合数值模拟；制作离体模型完成PIV实验和主动脉瓣运动/力学测试实验，验证数值模拟结果；通过对多中心临床病例进行回顾性分析和随访观察，建立统计分析和神经网络算法，开发简单易用的手术规划系统。通过本项目的研究，有助于临床医生更加方便高效、科学合理、有依据地制定大动脉调转术的治疗方案，也可以为人工瓣膜和血管吻合器的设计和检验提供理论指

本项目研究大动脉调转术改进几何构型对主动脉瓣关闭功能影响的生物力学机理。目的是为更好地解决大动脉调转手术中的临床医学问题提供科学依据。.利用有限元分析和主动脉瓣离体模型实验方法，研究窦管交界直径、窦部直径、窦管交界锥度、瓣膜高度、冠状窦口位置、心室流腔角度对主动脉瓣关闭功能的影响。针对经过瓣膜修复手术的儿童其术后会出现由于主动脉根部尺寸的增大引起瓣膜再次关闭不全的问题，研究了主动脉根部“生长状态”下瓣膜高度对主动脉瓣开闭性能的影响。.与窦部直径相比较，窦管交界直径改变对主动脉瓣关闭功能具有较小的影响。较小的窦部直径适应较大的根部直径，较大的窦部直径适应较小的根部直径，窦部直径为40 mm时，瓣膜的各项力学表现良好，能适应相对较大范围的根部扩张。太小或太大的瓣膜高度会减小主动脉收缩期瓣口面积，影响主动脉关闭功能。冠状窦口位于窦的底部会在窦的中部产生局部高压，引起三个瓣叶位移差异，最终会增加瓣叶对合错位的风险。较小的心室流腔角度下瓣膜的力学性能表现良好。在临床手术过程中，对于心搏出量较低的情况，建议多考虑较小的窦管交界锥度；而对于心搏出量较高的情况，建议考虑较大的窦管交界锥度。较小的瓣膜高度适应较小的根部直径，较大的瓣膜高度适应较大的根部直径。瓣膜高度为14.5 mm时，瓣膜的各项力学性能良好，能很好的适应主动脉根部直径的生长状态。基于这些工作，开发了简单易用的主动脉根部几何构型术前规划软件，可以用于测量瓣膜初始高度以及导入结构有限元模型进行力学分析。在创新型人工主动脉瓣的结构设计方面，获得了多项发明专利。.本项目针对大动脉调转术改进几何构型对主动脉瓣关闭功能影响的研究，有助于揭示相关临床实际中的生物力学机理问题，可以帮助临床医生更加方便高效、科学合理、有依据地制定大动脉调转术的治疗方案，也可以为人工瓣膜和血管吻合器的设计和检验提供理论指导。