基于患者特异性模型，评估不同尺寸瓣环成形术对BAV反流的治疗效果

二叶式主动脉瓣（Bicuspid Aortic Valve, BAV）是最常见的先天性心脏畸形之一，患病率约为1%-2%。其结构异常导致血流动力学和生物力学改变，使患者更容易发生主动脉瓣反流、狭窄和动脉瘤等并发症。约20%的BAV患者最终需接受手术治疗，且发病年龄较早。

主动脉瓣修复术因其能避免置换术的缺点并显著改善血流动力学效果，已成为优选治疗方案。修复手术通常包括两个步骤：瓣叶矫正（如折叠或缝合）和瓣环成形术（annuloplasty）。后者通过Hegar扩张器缩小基底环直径，并用缝线约束，以稳定瓣环、改善瓣膜功能并确保长期疗效。然而，目前缺乏统一的瓣膜评估框架来指导手术，医生多依赖体表面积和经验选择Hegar尺寸，缺乏精准量化依据。

计算模型与仿真（in silico）技术为研究BAV力学行为和手术效果提供了有力工具。以往研究多关注BAV疾病本身的生物力学特性或经导管主动脉瓣置换（TAVR），而对BAV修复术尤其是瓣环成形术的生物力学研究较少。本研究首次基于患者特异性模型，系统评估不同尺寸瓣环成形术对BAV反流的治疗效果，为临床提供个性化、量化的最佳尺寸范围。

收缩峰值时的流速结果丨在BAV（二尖瓣）开口中部的流速剖面丨不同截面处的最大流速丨截面位置的示意图

心脏收缩峰值时的血流动力学特征丨主动脉壁面剪切应力（WSS）分布丨瓣膜峰值压力梯度

1. 患者数据与模型构建：选取一名35岁男性严重BAV反流患者（Sievers 1型，左右冠瓣融合），收集其术前（PreOP）和术后（PostOP）CT数据。使用3D Slicer和Geomagic Studio重建BAV、主动脉窦和升主动脉的几何模型，并扩展左心室流出道（LVOT）。采用超弹性Mooney-Rivlin模型描述瓣叶力学行为（参数基于猪瓣膜拉伸试验），主动脉采用二阶多项式超弹性模型。

2. 瓣环成形术仿真流程

预处理：将PostOP模型瓣环扩张至PreOP状态，以模拟术中瓣叶矫正后的形态。

成形术仿真：使用直径19–27 mm的Hegar扩张器模拟基底环缩小，并用弹性环（模拟Gore-Tex缝线）约束。仿真分为两步，先对齐基底环与弹性环，再解除约束并定义接触。

3. 有限元（FE）与计算流体动力学（CFD）仿真

FE仿真：应用患者特异性压力曲线模拟瓣膜运动，分析应力分布和瓣叶对合面积。

CFD仿真：在峰值收缩期（瓣膜完全开放）进行稳态血流仿真，使用k-ε湍流模型，分析流速、壁面剪应力（WSS）和跨瓣压差。

4. 数据分析：提取几何开口面积（GOA）、对合面积、最大主应力、WSS、峰值流速和跨瓣压差等参数

1. 模型验证与网格敏感性分析：网格敏感性分析显示，最大主应力和峰值流速的相对误差均<4%，表明网格独立性良好。与术后CT对比，23 mm成形术模型（Model-23）的瓣环投影面积误差仅为2.84%，对合面积变化趋势一致，验证了仿真流程的准确性。

2. 瓣膜形态与对合面积：收缩期GOA在各模型间变化不大（3.20–3.46 cm²），表明成形术不影响瓣膜开放功能。舒张期GOA在PreOP和Model-27中较高（>0.34 cm²），提示存在反流，其他模型接近零，反流消失。对合面积率随基底环缩小而增加，PreOP为11%，Model-19最高达35%。

3. 应力分布：主动脉最大主应力集中于基底环，随环缩小而增加并向周围扩展。瓣叶应力在对合区减小，但在瓣根处增加。过小尺寸（如Model-19）导致瓣环皱褶。

4. 血流动力学特性：所有模型均呈现右旋螺旋射流，撞击升主动脉右前壁，WSS较高。基底环缩小后，窦内流速显著增加（55%–225%），尤其近基底环处。当环径≤21 mm时，基底环处流速超过窦管交界处（STJ），流态异常。WSS在基底环及邻近区域显著升高。跨瓣压差在环径>21 mm时稳定（15–18 mmHg），Model-19时骤升至27.04 mmHg（增加72%）。

5. 瓣环成形术的积极影响：缩小基底环可增加对合面积、减少对合区应力，从而改善瓣膜功能并降低长期失效风险。成形术对STJ和升主动脉的血流影响较小，表明其安全性较高。

6. 过度成形的潜在风险：过小环径导致基底环及周围应力集中、WSS升高，可能引起组织损伤或钙化。瓣根皱褶可能损伤瓣叶，影响手术耐久性。跨瓣压差急剧升高提示长期狭窄风险。

7. 临床意义：本研究为患者推荐的Hegar尺寸范围为23–25 mm，与实际手术选择的23 mm一致。上限由反流是否消失和对合是否充分决定，下限需避免主动脉根部和血流动力学负担加重

局限性：仅基于单一患者模型，结论普适性有限；仅分析收缩期峰值时刻，未考虑流固耦合（FSI）和主动脉壁运动；未包含瓣叶矫正步骤，分析为回顾性。

未来工作：将仿真流程应用于更多病例，建立通用指南；引入FSI仿真，全面捕捉心动周期内血流与结构相互作用；整合瓣叶矫正步骤，实现全手术流程的前瞻性预测。

本研究首次通过患者特异性计算模型系统评估了BAV瓣环成形术的尺寸效应，发现较小环径可改善瓣膜对合与应力分布，但过度缩小会增加主动脉根部的力学与血流动力学负担。最佳尺寸需在改善反流与避免并发症之间取得平衡。所提出的仿真流程可为临床提供个性化、量化的手术规划支持，未来有望推广至更多病例，形成通用性指导原则。

公司简介

上海复蓝医疗科技有限公司（Fulan Medical Technology），公司创始团队来自复旦大学生物医学工程研究所。专注于利用先进的计算机建模仿真与人工智能技术，提供心脑血管疾病的辅助诊断、外科及介入手术的计算机模拟及分析、血管植介入器械安全性与有效性评价等解决方案。

平台介绍

①  主动脉及大血管疾病介入治疗数智化仿真平台

②  脑血管疾病介入治疗数智化计算机手术模拟及分析平台

③  心脏瓣膜外科和介入置换计算机手术模拟及分析平台

④  患者特异性数字孪生心脏

产品审评有限元分析报告

人工心脏瓣膜：外科生物瓣、外科高分子瓣、介入生物瓣、介入高分子瓣、二尖瓣三尖瓣夹合器、封堵器等

支架：颅内动脉瘤介入栓塞装置、密网支架、覆膜支架、取栓支架、外周支架、可降解支架等

有源：植入式心脏辅助装置、心脏起搏器、TCAR、DBS、PFA、RFA、PNS等

其他：肿瘤、消化等其他外科介入器械

计算机手术模拟及分析

TAVR、TEVAR、TMVR、TEER等计算机手术模拟及分析

脑动脉瘤介入栓塞装置的计算机手术模拟及分析

TCAR、RFA、PFA等计算机手术模拟及分析

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