数值研究修复后肺动脉血流的法洛四联症

文摘

肺返流(PR)是一种常见的现象在修复后患者的肺动脉法洛四联症(TOF)。左肺动脉的返流分数(LPA)通常是大于对肺动脉(战)根据临床数据。这可能与肺动脉血流量有关。因此,了解在肺动脉血流动力学有助于理解的原因。本研究的目的是使用3 d重建肺动脉模型从磁共振成像(MRI)和使用数值方法模拟流肺动脉TOF修复后的变化。从数值结果,血液流动是影响肺动脉分叉角度和几何。LPA修复后的返流最先发生TOF由于小夹角LPA和主肺动脉(MPA)。阻碍前进的回流区发现左肺血流量在LPA加速收缩。我们也分析了压力分布;极端的压力变化在扩张MPA的领域。 Numerical data including regurgitation in MPA, LPA, and RPA are compared with phase contrast MR measured data. Good agreements are found between numerical results and measured data.

1。介绍

法洛四联症(TOF)是最常见的先天性心脏病,占所有常见的先天性心脏疾病的10%。TOF由(1)心室中隔缺损,肺动脉瓣狭窄(2),(3)右心室肥大,(4)压倒一切的主动脉。Surgerical修正的基本治疗。然而,手术重建TOF通常与肺返流(PR)复杂现象。公关是由于不完全关闭和畸形手术后肺动脉瓣重建右心室流出道的修复TOF。它导致肺动脉血流复杂,右心室功能障碍有关。相衬磁共振(PC-MR)技术是一种非侵入性技术,建立评估血管和血液流动被用来研究公关TOF修复患者的现象。根据康等。1修复TOF) PC-MR测量,发现返流分数(射频,即。,backward flow volume/forward flow volume) of PR in left pulmonary artery (LPA) is higher than right pulmonary artery (RPA) in repaired TOF. The reason causing this discrepancy of RF is still not clear. We hypothesize that the surgically created structure-fluid dynamical interaction is one of the possible reasons. In this study, we utilize numerical modeling to investigate the relation between the structure, fluid dynamic, and PR in repaired TOF.

何鸿燊et al。2]报道许多并发症在21个TOF患者手术后根据他们的心脏,测量,例如,严重肺返流(PR)、右心室扩张,右心室流出阻塞、心室间隔缺损修补渗漏和心律失常。康等。1]讨论了公关左派和右派之间的差异从PC-MRI测量肺动脉22 TOF修复手术后的病人。他们发现LPA的回流的分数大于,在狙击枪和修复TOF MPA在大多数病人。与此同时,康et al。1)还表示,回流的分数之间的关系和部分回流的流持续时间在MPA和则是线性的。吴et al。3)调查的影响肺灌注肺的上返流43例修复后使用PC-MRI TOF。他们计算流量,向后流量,网络流量和返流分数左右肺动脉。比较之间的灌注左肺(L %) (L % =左肺/左+右肺癌)提供了在他们PC-MRI测量。比较而言,他们还发现LPA高于狙击枪的公关phnomenon修复TOF病人。

海尔宾et al。4]探讨右心室(RV)舒张功能的异常与19个孩子后修复TOF和12名健康志愿者PC-MR技术。他们发现右心室舒张末期容积(RVEDV)修复TOF患者比健康的人的。此外,它是显示右心室射血分数的修复TOF低于健康的孩子。Frigiola et al。5]表明,房车收缩功能在124年手术治疗患者TOF公关的影响。在所有患者中,右心室收缩功能的修复TOF患者比健康的儿童贫穷。房车isovolumic加速度是成反比的公关Frigiola et al。结果。van den Berg et al。6)表示,一些风险因素包括房车异常扩张,QRS持续时间长,和严重的公关与房车功能障碍PC-MRI测量和心电图(ECG) 59 TOF修复后的病人。Grothoff et al。7描述,公关是一个重要因素影响心电图的QRS时间延长为67例TOF修复后测量。他们通常表明公关现象伴随QRS延长。

肺动脉瓣置换术(PVR)已被证明改善心室功能,稳定QRS持续时间,减少心房和心室心律失常在以下研究。例如,Vliegen et al。8)证实,PVR 26患者可以减少返流和分流缺陷修复后TOF使用核磁共振。他们的研究结果表明,平均术前公关%。80%的病人没有PVR后剩余的公关。他们还发现,右心室舒张末期容积减少来毫升和房车收缩末期容积也减少了来毫升。范Huysduynen et al。9]表明,PVR可以减少QRS持续时间从150年到140年,根据他们的心脏先生和女士为26例TOF修复后心电图测量。唱et al。10)使用粒子流动可视化实验研究不同程度的肺瓣膜狭窄的影响在透明玻璃模型。猪肺动脉和阀门被认为是制造这些玻璃模型。扩张中存在MPA和LPA的玻璃模型。他们发现显著的二次流出现在MPA由于其扩张。他们还注意到,LPA的二次流动强度和战增加瓣膜狭窄的程度增加。他们的结果证明了几何MPA的膨胀和肺瓣膜狭窄对肺动脉血流动力学有显著的影响。

血流量的变化与肺动脉肺返流TOF缺陷的评价是一个重要的因素。计算流体动力学(CFD)是一个有用的和非侵入性的方法来计算动脉的血流量。近年来,CFD通常应用于心血管模拟复杂的流。它提供了数值解准确评估先天性心脏病的治疗。此外,应用CFD模拟血流在肺动脉中可以找到一些技术论文。例如,唐et al。11)利用CFD比较两个不同肺动脉流现象的模型,螺旋和勒孔特(nonspiral)通常用于动脉开关操作。他们解释说,螺旋法比勒孔特法的数值结果,揭示了螺旋方法具有更均匀的速度分布,壁面切应力,减少功率损耗比勒孔特模型。科尔诺山和Mickaily-Huber12)两种不同肺动脉模型相比,圆形和椭圆模型,CFD的远端导管吻合。他们的研究证明了吻合横截面积有很大的影响在肺动脉血流分布。他们建议椭圆吻合可能有用的提高远端狭窄的发病率和程度在临床应用。陈省身et al。13)建立了在体外肺动脉模型经过修复的TOF和观察到的流模式不同公关在修复后肺动脉TOF病人的CFD模拟。他们还证实,LPA的公关分数高于战LPA。同时,他们发现漩涡走向肺动脉瓣返流中数值结果。肺动脉瓣的涡旋运动可能损坏。

最近,许多研究应用医学图像重建3 d动脉外围模型进行准确的CFD模拟。Redaelli et al。14)详细的3 d重建血管从磁共振图像和数值模型进行了CFD模拟使用重建血管模型。此外,唐et al。15)结合MRI和CFD分析正常肺动脉血流在休息和运动状态。他们报道壁剪切应力(WSS)振荡剪切指数(OSI),能源效率的变化由于肺动脉的锻炼。他们发现低意味着远端肺动脉WSS地区无论在休息或运动条件。高OSI值发生在这些低意味着WSS地区和分支位置旋转流和分离流被观察到。他们发现10%的能源效率平均下降之间的休息和运动条件。他们得出的结论是,这种方法用于调查疾病的手术计划的开发和应用。Das et al。16)计算的总能量MPA评估RV修复后性能之间TOF使用磁共振成像和CFD和正常肺动脉。他们的研究结果表明,修复TOF房车中风有较低的比正常工作。他们还计算净能量转移的MPA在正常情况下的净能量高于修复TOF情况。

CFD应用于外科手术规划为肺动脉(见[17,18])。例如,夏朝et al。19]研究了影响各种下腔静脉与肺动脉血流通过CFD模拟。他们认为四个基本TCPC几何图形重建从血管造影测量。他们证明的吻合extracardiac管道与左肺动脉最低能量损失在四个不同TCPC病例。他们也相比能量耗散在五贪污extracardiac渠道与不同直径通过CFD(10 ~ 30毫米)。他们发现的最小能量耗散发生在管道直径20毫米。他们证实,创建的手术路径的几何TCPC能量耗散而言是很重要的。太阳et al。20.]研究广泛性肺血流量的影响在双向使用CFD cavopulmonary吻合。他们认为4个平均流速(0.5升/分钟,1 L / min, 1.5 L / min,和2 L / min) MPA。他们发现LPA /区域的流动比率增加时的广泛性、肺血流量增加。增加广泛性肺血流量可能会导致显著不同的血液流向两个肺。他们也观察到血液流入LPA MPA大于战因为MPA, LPA的夹角大于MPA和区域之间。

此外,Pekkan et al。21)表明,流动模式正常胎儿主动脉弓和肺动脉,通过CFD和在体外实验方法、相似。他们发现肺动脉的回旋流在减速阶段的心动周期在数值结果和实验流可视化。王等人。22)利用CFD技术和流动可视化实验比较两种类型的TCPC包括心房内连接和extracardiac劣质腔静脉——(IVC) to-MPA连接。他们的研究结果显示,更复杂的非定常流结构发生在心房内连接模型实验和计算结果。

根据这些研究前面所提到的,我们知道公关总是发生在一个修理TOF患者LPA的血流量小于战从MRI统计分析。发现血流分布高度取决于血管血管的几何。然而,血液流动的变化在实际修复后肺动脉TOF还不清楚。与此同时,血液流动的数值预测变得非常流行在调查血液动力学和心血管疾病之间的关系如前所述在之前的段落。因此,本研究的目的是观察血流分布和讨论的影响几何在肺动脉公关通过CFD模拟加上3 d重建MRI肺动脉模型。此外,找到原因导致更高的公关LPA的狙击枪,数值模拟提供压力分布、执行质量流率、返流分数,和血液流动流线在肺动脉TOF的修复。

2。数学公式和数值模型

在这项研究中,分支肺动脉几何通过核磁共振成像是利用建立在计算流体动力学数值模型。肺动脉是Y分叉血管包括LPA和战。修复后不同肺动脉TOF衡量磁共振成像和被认为是观察返流现象。首先,核磁共振测量肺动脉TOF修复后作为CAD模型重建。随后,网格生成是在那些进行重建CAD模型。血液流然后使用流模拟解算器的肺动脉的数值模型。细节将在以下章节中进行介绍。

2.1。核磁共振和网格生成

为了建立一个现实的肺动脉的三维数值模型,利用核磁共振测量获得的外围肺动脉TOF修复后和一个健康的人。地区的分支肺动脉先生说在片层基于DICOM格式图像。每一片的厚度情况下1 - 3是3.6毫米,4.4毫米,4.4毫米,分别。正常是4毫米。这些2 d说区域连接在一起成为一个完整的三维CAD肺动脉模型。这些特性的四个肺模型表中列出1,如图1。我们发现MPA膨胀现象和锐角LPA和MPA之间出现在所有重建CAD模型的修复TOF后肺动脉。

随后,计算网格生成在这些重建CAD模型使用ICEM-CFD软件。因为外围肺动脉太复杂生成结构化网格,使用非结构化网格的数值模型。图2介绍了过程从核磁共振测量重建CAD模型和网格生成。

2.2。控制方程

血液流动遵循质量和动量守恒。在这项研究中,很少有假设用于简化为质量和动量守恒方程。质量和动量的数学公式表示为:

连续性方程: 和动量方程(n - s方程) 在哪里代表一个流动的速度矢量,是压力,是时间,是血液的密度,是血液的运动粘度。血液的密度,设置为1060公斤·m⁻³。动态粘度()的血液被设置为一个常数为0.004公斤·m⁻¹·年代⁻¹。虽然血液非牛顿,血液粘度随剪切速率和容器直径。考虑到剪切速率大于100年代⁻¹,血液粘度可以被视为一个常数按照佩德利说像牛顿流体(23)和伯杰周素卿(24]。因为肺动脉是一个大容器,非牛顿效应不强。因此,血肺动脉被视为牛顿流体的简化方程。根据辛格et al。25),血管的墙被视为刚性管。也就是说,合规肺动脉不考虑。

2.3。边界条件

返流发生在跳动的血液流动的修复TOF后肺动脉。返流分数,射频,被定义为向前向后血容量比血容量在一个心动周期。一个健康的人的射频通常是没有返流或非常低。高射频表明异常行为发生在肺动脉血流量。即低射频意味着大多数血液流入肺交换氧气。射频的定义是 在哪里和指血流向后和向前卷在一个心动周期,分别。

图3显示了建立模型的边界。为了解决这些方程,需要适当的边界条件。血流速度的个别患者衡量阶段合同MRI在进口边界MPA的入口。PC-MR图像矩阵像素是256×256像素。图像体素的大小情况下1 - 3,,,分别。通常情况下是。测量非均匀流为进口提供条件。插值法用于地图的入口速度剖面进口网格点。RFs情况下1 - 3是0.337,0.164和0.288,如表所示2,分别。

大气压力施加在区域规划和LPA的退出。船只的墙被认为是一个刚性物体。中性边界条件施加在血管壁。在墙上,速度为零。初始条件的肺动脉,速度设置为零。

2.4。参数设置

CFD-ACE +软件,是基于有限体积方法,用于计算在肺动脉血流。有限体积方法被应用于求解navier - stokes方程在许多工程应用。例如,乔治和Ioannis [26)使用有限体积法计算辐射传热。Kabinejadian和Ghista27)采用的方法解决NavierStokes方程模拟血流在冠状动脉搭桥。细节的有限体积法求解navier - stokes方程中可以找到Versteeg和Malalasekera28]。计算网格中提到的部分2.1利用离散化navier - stokes方程。因此,一组代数方程组的速度和压力得到和隐式地解决。观察复杂的肺动脉血流模式,进行瞬态模拟。采用二阶曲柄尼科尔森方案进行游行的时间过程。时间步大小范围从0.01到0.015。四个心脏周期进行数值模拟。仿真总时间是不同的在每种情况下,因为心动周期的持续时间在每个人是不同的。质量残留对数值方案设置为10⁻⁴在每个时间步。SIMPLEC方案提出的van Doormaal和Raithby [29日)是用于获得压力的解决方案。基于窗口的PC集群是用来进行数值模拟研究。每种情况下的平均总计算时间约为1 ~ 2个月。

2.5。网格独立性

确保数字解决方案不随网格,grid-independence测试必须执行。例如,图4显示速度概要文件获得的各种计算细胞相互接近在案例1的细胞数量超过1110784。因此,我们采用1110784细胞进行以下案例1中的数值模拟。此外,我们选择了1168920和1168920细胞的情况下根据grid-independence测试的结果2和3,分别。1079490细胞在健康的情况下使用。

3所示。结果与讨论

3.1。分岔的影响角度和几何的肺动脉血流

肺返流是一个TOF修复后的患者中常见的现象,但其影响肺动脉还不清楚。建立数值肺动脉模型包括一个健康和三个修复TOF后肺动脉。表2表明,病例1 - 3小角度比健康LPA和MPA之间。指示LPA和MPA之间的角度,,分别在1 - 3。尽管如此,在一个正常肺动脉分支。另一方面,角战与MPA之间比正常情况下1 - 3。表明角战与MPA在1 - 3之间,,,分别。正常的角度。

图5描述了流线的健康的情况下在中央垂直剖面在一个心动周期。没有返流健康的肺动脉。图5(一个)显示了流型在收缩的加速度。平稳向前流动模式是在这个阶段。随后,两个循环发生在LPA和狙击枪由于减速向前流动的人物5(b)。这两个漩涡成长和呆在入口LPA和狙击枪在心脏舒张周期如图5(c)和5(d)。

图6利用比较健康的流动模式和案例1 - 3在收缩和最大加速度在一个心动周期。发现LPA的再循环发生情况下1 - 3但不健康的人。这是因为的情况下1 - 3小于健康。因此,分离发生在LPA即使MPA的向前流动加速。LPA的再循环减少左肺血流容积率。图7(n3),(1 - 3)、(2 - 3)、(3 - 3)的简化的健康和病例1 - 3在减速收缩在一个心动周期。再循环泡沫的情况下1 - 3。就像前面提到过的段落,如图7(n3),还有一个循环中出现收缩的健康在减速。结束时收缩,非常复杂的流动模式包括几个漩涡中发现情况下1 - 3,如图7(1 - 4)、(2 - 4)和(3 - 4)。随后,图8揭示了流动模式的健康和例1 - 3在心脏舒张周期。返流发生在MPA的情况下1 - 3。明显的膨胀情况下2和3在MPA。在MPA返流,形成一个强大的漩涡MPA的膨胀情况下2和3。然而,有两个漩涡出现在案例1 MPA。没有找到涡MPA的健康。

从漩涡中发现MPA在返流情况下1 - 3,有趣的是在指定的截面流结构进行调查。图9显示了健康的流动模式和案例1 - 3在指定截面的MPA, LPA,战在舒张。根据佩里和斯坦纳(30.3 d]的定义更大的漩涡流,一个稳定的节点存在于健康MPA的截面一′。稳定主要出现在横断面图b′和健康的区域规划和LPA碳碳′。健康不稳定节点发生在例1 - 3。一个或更多的集中在MPA的情况下1 - 3。一个不稳定的分支线、一个鞍点和一个稳定的关注发生在横截面d d′MPA的案例1。稳定的焦点和另一个不稳定的重点是观察截面我′MPA的例2。3,有一个鞍点和一个稳定的焦点展示截面qq′MPA。此外,集中出现在健康则是发现在这种情况下1 - 3。它是稳定的健康和例1和3,但案例2中是不稳定的。重点在健康LPA没有出现在所有情况下1 - 3。 The flow pattern in LPA of Case 1 shows a very strong and smooth and reversed flow. In Cases 2 and 3, the focus shrinks because of the strong reversed flow.

为了知道是否返流最先发生在LPA,人物10《盗梦空间》的展览时间战,LPA的返流情况下1 - 3。数据10 (),10 (c),10 (e)现在,返流第一次出现在LPA的情况下1 - 3。此外,一个明显的再循环出现在LPA的情况下1 - 3。的数据10 (b),10 (d),10 (f)《盗梦空间》的,事实证明,背后则是近0.03秒的返流LPA的情况下1 - 3。

数据显示6,7,8,复杂的流模式总是发生在MPA的返流情况下1 - 3。三维强涡旋运动在这个阶段如图7(1 - 4)、(2 - 4)和(3 - 4)8(1 - 6),(2 - 6)和(3 - 6)的收缩和舒张的结束,因为在MPA血流量变化的方向。MPA的三维涡流运动可能导致右心室extraload自健康的情况下没有返流和涡流运动。

在临床情况下,没有扩张MPA TOF之前修复。扩张往往发生在MPA TOF修理后。数值结果,发现三维强涡旋运动出现在扩张MPA的返流。因此,扩张导致MPA返流期间异常流量分布在一个心动周期。显然,MPA的扩张是一个重要因素影响心脏舒张期血流的变化。

3.2。压力分布的分析

在我们的模型中,所有修理的扩张发生在MPA TOF病例。然而,造成膨胀的原因还不清楚。因此,有必要探讨扩张区域。本节给出了分析肺动脉的压力分布在一个心动周期。图11显示了健康的情况下的压力分布和情况下1 - 3的最大一个心动周期。高压区域是所有情况下分岔地区发现的。此外,另一个高压地区观察MPA的膨胀情况下1 - 3。例1和2的压力分布很不均匀。应该注意到,有一个狭窄之间的分歧和MPA 2,所以高压膨胀的情况下2是极端和高于其他情况下。图12显示健康的压力分布和病例1 - 3在舒张。一个低压区发现MPA的扩张面积情况下1 - 3。它是由三维涡流运动如图8。数据显示11和12的扩张,压力变化极其MPA在一个心动周期。例如,压力变化的膨胀情况下2约为12860 N / m²。然而,健康的最大压力变化约为2100 N / m²。大压力MPA的变化会影响血管壁修复后MPA TOF认真。

的数据11和12、大型压力变化可能导致明显的MPA变形。正如我们提到的,三维涡流运动由于MPA的返流低压地区起着重要的作用。形势恶化可能导致长期的扩张。

图13礼物时间历史MPA进气压力的情况下1 - 3和健康的心动周期的一分之一。坚实的曲线呈现健康的进口压力。的峰值压力约为2000 N / m²在收缩。非常低的负压发生在心脏舒张期。虚线的压力变化情况下1 - 3。发现的高峰值压力的情况下1和2均高于健康收缩。此外,负压发生病例1和2在返流发生以来的舒张。发现MPA的极端存在在进口压力变化的情况下1和2。情况3的心动周期的时间比其他情况下,所以收缩段案例3比其他情况下长。由于比其他情况下更大的进气截面情况3如表所示3进气压力的峰值情况3不是如此之大的情况下1和2。然而,由于返流中存在明显的负压情况3舒张。众所周知,半月瓣的损伤是一种修复TOF后并发症的病人。大型进口压力变化情况下1和2所示可能的原因之一引起肺动脉瓣的功能障碍。

3.3。质量流率和返流

肺动脉几何影响质量流率分布在MPA, LPA和战。图14显示时间的历史质量流率在LPA和战的情况下在一个心动周期1 - 3。固体和虚线代表战LPA、质量流率。红色曲线显示健康质量流率的变化。质量流率LPA和狙击枪是非常接近的健康。没有返流LPA和战。蓝色,黑色,绿色曲线代表的质量流率情况下1 - 3。严重的返流在狙击枪和LPA舒张的情况下1 - 3。同时,发现返流总是先出现在LPA在三个案例。向前流动的LPA小于战中1和2。这种现象不会发生在3。 It may be because the diameter of LPA is larger than that of RPA as shown in Table3。同时,LPA的回流比狙击枪的情况下1 - 3。表3礼物的返流卷则LPA的情况下在一个心动周期1 - 3。返流的LPA比战总是高于1。直径的狙击枪,LPA的病例1和2是接近对方(见表2)。然而,的比例来案例的案例1大于2。因此,LPA的回流比战案例1比2。

3.4。对比计算结果和临床PC-MR测量数据

临床PC先生从34例TOF维修后测量数据由高雄荣民总医院提供。返流的MPA, LPA和战决心在PC先生测量。随后,数值结果与测量数据进行比较。图15表明,射频的MPA从0.1到0.6不等。测量数据和数值结果被指示为黑色中空和色彩符号,分别。LPA射频比战射频减少射频MPA提高测量数据。结果表明,数值结果接近测量数据。图16显示了狙击枪和MPA的返流之间的关系。从本质上讲,则是成正比的返流MPA的测量数据。数值结果也显示这一趋势图16。图17揭示了LPA射频和MPA射频之间的关系。测量数据是分散在图中。预测结果在测量数据如图。因此,数值计算值是可以接受的基于射频分析与临床测量值如图15,16,17。

4所示。结论

我们利用周围的数据测量肺动脉的磁共振成像重建三维模型的肺动脉TOF健康人和病人修复后。这些重建模型三个真正的肺动脉是用来模拟血流运动。肺返流程度和几何的肺动脉血流量的变化有显著影响。

流模式是可视化流线和速度大小的数值结果。再循环地区发现LPA的肺动脉TOF修复后收缩的加速度。它阻碍了朝左肺血流量。强烈的漩涡中发现MPA的扩张区修复在心动周期的舒张肺动脉。然而,没有这样的漩涡在健康MPA在舒张。在收缩和舒张的两端,三维复杂的漩涡运动出现在修理TOF肺动脉。健康的血液流动顺畅的比。根据数值计算结果,发现膨胀引起异常流量分布MPA返流期间在一个心动周期。

流模式和返流的比较证明,首先在LPA发生返流。返流的量在数值结果LPA大于狙击枪。预测压力分布的影响也进行了讨论。扩张的极端压力变化在一个心动周期。然而,健康MPA没有如此极端的压力变化。高压力的重要因素之一是产生肺动脉扩张。

我们可以了解肺返流的影响,通过本研究血液流动模式。结果将是一个有用的参考之前医生对TOF病人执行操作。

术语

拉丁符号

:	质量流率、公斤·
:	压力,爸爸
:	反向血流体积在心动周期中,
:	血流量在一个心动周期,
射频:	返流分数
:	时间,年代
:	速度矢量,m·。

希腊符号

:	分岔角,学位
:	粘度、公斤··
:	运动粘度,·
:	密度、公斤·。

确认

作者想表达他们的感谢国家科学委员会的财政支持,台湾(没有。NSC 101 - 2212 - e - 011 - 043)。

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