仿真流固耦合心脏计算模型在虚拟手术、手术方案优化及疗效预测中的应用

Image-based computational models are of great value in cardiovascular research. Because heart surgeries are highly risky and expensive, it is of great significance to use patient-specific ventricle models to perform virtual surgery, optimization, and post-surgery prediction to reduce risk and cost and introduce surgical innovations. Our previous collaboration with Professor Geva at Harvard Medical School investigated post-surgery results for Tetralogy of Fallot patients who received open-chest pulmonary valve insertion/replacement surgery (PVI). Our results indicated that using information from medical image alone was unable to predict which patient would have improved post-surgery right ventricle (RV) cardiac function outcome. In this project, patient-specific cardiac magnetic resonance image (CMR)-based models (50 patients) with fluid-structure interactions will be constructed to analyze RV mechanical conditions and other risk factors, perform virtual PVI surgery, and seek innovative surgical procedures to predict and improve post-PVI outcome. Patient-specific ventricle models will be used to simulate virtual PVI surgeries with various patch design and an innovative contracting band for personalized surgical design and improved RV cardiac function. Statistical methods and mechanical analysis will be combined to identify possible predictors and predictive methods for surgical outcome. Our patient-specific models and prediction results will be validated by pre- and post-surgery CMR data.

基于医学影像的计算数学模型在心血管疾病研究中有着重要价值。心脏手术费用高、风险大，若能应用仿真心脏计算模型进行虚拟手术，手术方案优化及疗效预测，则可减小手术风险、降低费用并进行手术方法创新。在前期研究中，我们和哈佛医学院Geva教授合作，对法络四联症开胸肺动脉瓣植入/置换手术的效果进行了跟踪研究。结果表明仅仅根据医学影像知识无法预测手术后右心室功能能否得到改善。本项目拟利用前期研究中已获取的50名法络四联症患者的心脏核磁共振（CMR）数据，建立仿真流固耦合心脏计算模型，分析右心室的力学性质和影响手术结果的因子，并用仿真模型进行虚拟手术，研究创新手术方法，寻求预测和改善手术疗效的方法。我们将进行多种补片和收缩带插入（创新）虚拟手术，寻求最佳个体化手术方案。我们还将运用统计方法，综合医学影像数据和力学分析，确定预测手术结果的因子和方法。手术前后的核磁共振数据将用于验证我们的仿真模型和预测结果。

背景. 法洛四联症 (Tetralogy of Fallot，TOF ) 是一种较为常见的先天性的心脏结构缺损。 患者在手术后虽大概率可存活至成年，但是肺动脉瓣仍然会出现返流的症状进而引起右心室射血功能衰退。因此患者成年或接近成年后需接受肺动脉瓣植入/置换手术(pulmonary valve insertion /replacement, PVI/PVR)，以改善右心室功能。但是目前患者接受PVI手术后，有些右室功能恢复较好，而有些右室功能未能改善。医学界一直在寻求创新PVR手术方案，用来改善手术后心脏功能。但是，心脏开胸手术费用高、风险大，无法直接进行临床试验。因此用仿真计算心脏模型进行虚拟手术，改良与创新手术方法及预测手术效果对减小手术风险、降低费用以及在探究新的手术方案的层面上具有重大意义。 ..方法. 本项目用基于核磁共振影像数据的心室力学模型，对比法洛四联症患者与健康人右心室形态的差异，计算右心室心肌材料参数、应力和应变，进行心脏虚拟手术，探索创新手术方案。项目运用逻辑回归模型寻找TOF患者PVR术后结果预测因子。用仿真力学模型进行模拟手术以评估提升右心室射血功能的潜在治疗方案-收缩带植入手术，同时对比不同手术方案与收缩带种类对手术结果造成的影响。通过建立瓣膜力学模型探究法洛四联症患者病态二叶式肺动脉瓣应力应变分布与健康三叶式动脉瓣的区别，并优化现有的瓣膜置换术。..结果. 法洛四联症患者心室与健康人在形态学层面上差异显著。法洛四联症患者心肌硬度高于健康志愿者。综合生物力学、核磁共振影像与患者统计学数据，右心室内壁应力为TOF患者PVR结果的最佳预测因子。收缩带植入手术可以显著提高右心室射血分数。瓣膜置换手术的建模研究表明较大尺寸的瓣膜有更好的血流动力学性能。..意义. 心室仿真力学模型使得运用虚拟手术取代高风险的实际开胸手术以探索创新PVR方案成为可能。仿真力学模型在探究心脏疾病机理、机制与优化心脏手术方面也具有极其广泛的应用前景。本项目取得的初步结果尚待后续研究进一步验证和证实。