二尖瓣反流对主动脉瓣流体动力学性能影响的试验研究.pdf
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1、507Chinese Journal of Medical Instrumentation研 究 与 论 著2023 年 47 卷 第 5 期二尖瓣反流对主动脉瓣流体动力学 性能影响的试验研究【作 者】郭剑 上海市医疗器械检验研究院,上海市,201318【摘 要】目的 有关心脏瓣膜之间相互影响的研究在临床上开展相对受限,体外测试的数据也尚显不足。该文利用可精细控制反流量的二尖瓣反流模型对一种主动脉瓣膜进行体外流体动力学性能研究。方法 在固定心率、每搏输出量以及平均主动脉压的条件下,逐步增加二尖瓣反流模型的反流量,对待测主动脉瓣膜进行流体动力学性能测试。结果 借助二尖瓣反流模型对机械式主动脉瓣膜
2、(25AJ-501)的流体动力学性能进行研究发现,主动脉瓣膜的有效瓣口面积及跨瓣压差均与二尖瓣反流程度的大小存在负相关关系。结论 建立的借助可精细调节反流量的二尖瓣反流模型的测试方法,可以用于二尖瓣反流对主动脉瓣膜流体动力学性能的研究。【关键词】流体动力学性能;二尖瓣反流模型;反流百分比;主动脉瓣;有效瓣口面积;跨瓣压差【中图分类号】R318【文献标志码】A doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2023.05.008Experimental Study on Effects of Mitral Regurgitation on Hydrodynamic Performan
3、ce of Aortic Valve【Writer 】GUO Jian Shanghai Institute of Medical Devices Testing,Shanghai,201318【Abstract】ObjectiveAims researches on the interaction between heart valves is limited in clinical.Meanwhile the data of in vitro testing are insufficient.In this study,the in vitro hydrodynamic performan
4、ce of an aortic valve was studied by using a model of mitral regurgitation that could finely adjust the regurgitant volume.MethodsThe regurgitation of mitral valve was gradually increased under the certain condition of heart rate,stroke volume,and mean aortic pressure and captured the hydrodynamic p
5、erformance of the aortic valve.ResultsThe study on the hydrodynamic performance of mechanical aortic valve(25AJ-501)by using a model of mitral regurgitation found that the effective orifice area and mean pressure difference of the aortic valve are negatively correlated with the degree of mitral regu
6、rgitation.ConclusionThe method based on a model of mitral regurgitation that could finely adjust the regurgitant volume established in this study can be used to study the effect of mitral valve regurgitation on the hydrodynamic performance of the aortic valve.【Key words】hydrodynamic performance,mode
7、l of mitral regurgitation,regurgitant fraction,aortic valve,effective orifice area,mean pressure difference收稿日期:2022-10-26基金项目:上海市药品监督管理局监管科学研究项目(ZX-2022-06)作者简介:郭剑,E-mail:0 引言临床上接受人工心脏瓣膜置换术的病例中,患有主动脉瓣狭窄合并二尖瓣反流的情况并不罕见。研究发现二尖瓣反流通常伴有主动脉狭窄1-6,在主动脉瓣膜狭窄的患者中存在不同程度二尖瓣反流的占比高达63%7。主动脉瓣与二尖瓣之间的相互影响也是不可忽略的。主动脉瓣
8、膜狭窄可引起二尖瓣反流的增加,狭窄程度的缓解也会改善二尖瓣反流。在20182020年,一项包含252位经导管主动脉瓣膜置换术治疗(transcatheter aortic valve replacement,TAVR)主动脉狭窄患者的研究发现,人工主动脉瓣膜的植入在一定程度上缓解了二尖瓣反流的状况8;UNGER等9的研究同样发现,主动脉狭窄合并二尖瓣反流的患者在仅接受主动脉瓣文章编号:1671-7104(2023)05-0507-05508Chinese Journal of Medical Instrumentation研 究 与 论 著2023 年 47 卷 第 5 期膜置换术的情况下二尖
9、瓣反流量比术前低10 mL左右。二尖瓣反流也可能对主动脉瓣膜血流动力学特性造成影响。目前尽管针对单一瓣膜的研究较为丰富,但是有关心脏瓣膜之间相互影响的研究在临床上开展相对受限,体外测试中有关二尖瓣反流对主动脉瓣膜影响的数据也尚显不足。本研究建立了利用可精细控制反流量的二尖瓣反流模型的研究方法,探究不同程度的二尖瓣反流对主动脉瓣膜流体动力学性能影响,为体外测试和临床提供 参考。1 材料与方法1.1 试验材料实验样品:规格为25 mm的机械式主动脉瓣膜(25AJ-501,SJM Masters Series Mechanical Heart Valve);实验用流体为0.9%的氯化钠溶液。1.2
10、试验仪器心脏瓣膜脉动流测试系统(vivitro labs),该系统可提供015 L/min的模拟心输出量和3200次/分的心率。1.3 试验方法脉动流测试系统主要由脉动泵、黏弹性阻力控制器、压力控制器、心房腔、心室腔和顺应性腔等组成,数据采集部分由多个不同位置的压力传感器和流量计组成。脉动流测试是人工心脏瓣膜产品常用的体外测试手段,它能够模拟心脏结构和压力环境,并在脉动条件下提供较为全面的瓣膜流体动力学数据。脉动流测试平台的可拓展性较强,根据试验需要不仅可以调整压力采集位置和顺应性腔等结构,还可以加装模拟冠状动脉以及瓣膜病理模型等,及进行全心模拟。本研究使用适配于脉动流测试系统的二尖瓣反流模型
11、,如图1所示。将可精细控制反流量的二尖瓣反流模型安装于脉动流测试系统,正面与心房腔相连,反面与心室腔相连。该模块功能结构为一对方向相反的单向阀,其中正向单向阀为碟瓣,反向单向阀为硅胶薄膜瓣,且薄膜瓣的反流孔面积可通过外部左右两侧的差动螺纹旋钮进行调节。二尖瓣前向流阶段,流体流经碟瓣,薄膜瓣关闭;二尖瓣反流阶段,碟瓣关闭,流体流经薄膜瓣。两者相互独立,流体动力学性能互不影响。调节设备测试条件为心率70次/分、每搏输出量71.4 mL、平均主动脉压力100 mmHg(注:1 mmHg=133.32 Pa)、心脏收缩期百分比35%、测试流体温度37。1碟瓣;2薄膜瓣;3旋钮。图1 二尖瓣反流模型Fi
12、g.1 Model of mitral regurgitation通过调节二尖瓣反流模型,增加了反流模型的反流孔面积,从而改变了二尖瓣反流百分比。为了细致地体现主动脉瓣膜有效瓣口面积和跨瓣压差随二尖瓣反流百分比的变化趋势,数据的采集范围需涵盖二尖瓣微量反流、轻度反流和中度反流10,均匀地采集二尖瓣反流百分比从0%增加到35%过程中的30组主动脉瓣膜的脉动流数据,其中每组数据包含连续10个循环的测量数据,每个循环均包括有效瓣口面积和跨瓣压差等数据。2 结果2.1 主动脉瓣有效瓣口面积试验基于脉动流测试系统的人工心脏瓣膜有效开口面积Aeo的具体计算如式(1)、(2)所示。根据正压差阶段起始时间点t
13、1到正压差阶段结束时间点t2之间的前向流瞬时流量qv(t)的均方根qvRMS与正压差阶段瓣膜两端压差的平均值p,还有测试流体的密度计算而来。qvRMS=t2t1qv(t)2dtt2-t1(1)51.6pqvRMSAeo=(2)有效瓣口面积可以在整体上反映瓣叶开合性能,是瓣膜在前向流正压差阶段的瓣叶打开程度对应的等效孔面积。反流百分比为反流量占前向流流量的百分比。主动脉瓣有效开口面积映射,如图2所示。由图2可见,对于同一主动脉瓣膜,其509Chinese Journal of Medical Instrumentation研 究 与 论 著2023 年 47 卷 第 5 期有效开口面积随着二尖瓣
14、反流百分比的增大呈现减小的趋势。当二尖瓣反流百分比为2.4%时,主动脉瓣膜前向流流量为69.9 mL,模拟心输出量为4.9 L/min,此时主动脉瓣膜的有效瓣口面积平均值约为2.39 cm2。与ISO 5840-3:2021用于表征脉动流测试系统性能的25AJ-501机械式主动脉瓣膜的有效瓣口面积(2.40.2)cm2相近11-12,如表1所示。当二尖瓣反流百分比达到10%时,主动脉瓣膜的有效瓣口面积的平均值为2.30 cm2;当二尖瓣反流百分比达到20%时,主动脉瓣膜的有效瓣口面积平均值为2.25 cm2;当二尖瓣反流百分比达到30%时,主动脉瓣膜的有效瓣口面积平均值为2.17 cm2;且当
15、二尖瓣反流百分比达到34.5%时,主动脉瓣膜的有效瓣口面积平均值减小到2.11 cm2,仅相当于二尖瓣反流百分比为2.4%时的88%。图2 主动脉瓣有效开口面积映射Fig.2 Mapping of the effective orifice area of aortic valve 表1 借助机械瓣膜对脉动流测试系统性能的表征Tabl.1 Performance characterization of a pulse duplicator with mechanical valve瓣膜型号瓣膜 尺寸/mm位置模拟心输出量/(L/min)心率/(次/分)有效开口面积(平均值标准差)/cm225A
16、J-50125主动脉5.0702.40.2主动脉瓣有效瓣口面积线性拟合,如图3所示。在30组不同程度的二尖瓣反流条件下,对连续10个循环的主动脉瓣膜有效瓣口面积平均值进行线性拟合,结果如下:主动脉瓣膜有效瓣口面积y与二尖瓣反流百分比x(%)呈现负相关(Pearsons r=-0.951),拟合方程为y=-0.007x+2.390(R2=0.905)。图3 主动脉瓣有效瓣口面积线性拟合Fig.3 Linear fitting of the effective orifice area of aortic valve2.2 主动脉瓣膜跨瓣压差试验脉动流测试中的跨瓣压差为循环中正压差阶段瓣膜两侧压差
17、对时间的算术平均值。跨瓣压差对于评估瓣膜狭窄具有重要意义。反流百分比为反流量占前向流流量的百分比。主动脉瓣有效开口面积映射,如图4所示。由图4可见,对于同一主动脉瓣膜,跨瓣压差随着二尖瓣反流百分比的增大呈现减小的趋势。当二尖瓣反流百分比约为2.4%时,主动脉瓣膜的跨瓣压差平均值约为5.8 mmHg;当二尖瓣反流百分比达到10%时,主动脉瓣膜跨瓣压差平均值为5.6 mmHg;当二尖瓣反流百分比达到20%时,主动脉瓣膜跨瓣压差平均值为5.0 mmHg;当二尖瓣反流百分比达到30%时,主动脉瓣膜跨瓣压差平均值为4.8 mmHg;当二尖瓣反流百分比达到34.5%时,主动脉瓣膜的跨瓣压差平均值减小到4.
18、6 mmHg,仅相当于二尖瓣反流百分比为2.4%时的79%。图4 主动脉瓣有效开口面积映射Fig.4 Mapping of the effective orifice area of aortic valve 510Chinese Journal of Medical Instrumentation研 究 与 论 著2023 年 47 卷 第 5 期在30组不同程度的二尖瓣反流条件下,对连续10个循环的主动脉瓣膜跨瓣压差平均值进行线性拟合,结果如下:主动脉瓣膜跨瓣压差y与二尖瓣反流百分比x(%)呈负相关(Pearsons r=-0.965),拟合方程为y=-0.041x+5.947(R2=0.
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