引用本文： 李艺, 陶凉, 周宏, 龙艳丽, 程冠. 计算流体力学在主动脉根部重建手术中的应用. 中国胸心血管外科临床杂志, 2021, 28(12): 1482-1487. doi: 10.7507/1007-4848.202008040 复制
计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）是随着计算机的发展而产生的一个介于数学、流体力学和计算机之间的交叉学科，通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析，近年来在医学领域应用广泛。主动脉根部是一个多结构的功能复合体，且每例患者主动脉根部结构独一无二，这使得主动脉根部重建手术的设计相对复杂，如何个体化地评估手术前后的血流动力学是目前所面临的重要问题。本研究旨在运用 CFD 技术重建主动脉三维模型，尝试从流体力学角度评估手术前后主动脉内血流动力学特征，分析该技术在主动脉根部重建术中的应用价值。
1 资料与方法
1.1 临床资料
纳入我院 1 例主动脉瓣重度狭窄患者，男，58 岁，主诉“间断胸闷、胸痛 1 年余”。术前超声心动图提示：主动脉瓣开口重度狭窄，峰值血流速度为 4.0 m/s，左室射血分数 52%。随后于我院行“主动脉根部重建术”。
1.2 方法
1.2.1 主动脉根部及升主动脉三维模型建立
（1）术前建模：将 CT 检查（德国西门子双源 256 排）得到的原始格式数据导入 Mimics 软件（版本 21.0）。选取建模范围为主动脉弓三分支处至心脏膈面水平。新建蒙版（mask）覆盖上述区域，调整阈值范围为蒙版区域契合心脏与主动脉内的血液部分，常规分辨率下无明显孔洞（holes），且血管壁及心肌等软组织尽可能少蒙版覆盖。多次使用蒙版分割工具（split mask）对建立蒙版进行处理，最终保留主动脉根部、升主动脉、部分降主动脉、主动脉弓及其分支动脉。最后将实体化三维模型导入 3-matic 软件（版本 21.0）进行细节优化及处理。获取主动脉管径分布的极值和瓣膜钙化的分布区域。保存该原始模型。（2）术后建模步骤同上，同时保存该模型。（3）手术完成后与手术团队进行交流评估，结合模型对患者手术前后主动脉根部情况形成直观了解，总结可改进的手术细节，可通过 3-matic 的 Design 和 Finish 中的诸多功能对原有模型进行虚拟处理，在理想状态下尽可能恢复生理解剖及合乎流体力学的结构。保存该处理模型为理想状态模型。
1.2.2 血流动力学模型的建立
将上述模型在 3-matic 软件进行体网格（非结构网格）生成及优化后导入 CFX 软件（版本 16.0）。整体流程忽略热传导、重力的影响。流体理化性质设定如下：密度（血液）为 1 050 kg/m3，温度为 37℃，粘滞度为 0.003 5 Pa/s，为不可压缩的牛顿流体。边界条件中，设定主动脉为刚性，无弹性及厚度；入口（主动脉瓣口）设定为“速度”（velocity），其具体数值由患者的心脏超声得到，出口（主动脉弓三分支及降主动脉）设定为“压强”（pressure），并使用 k-epsilon 湍流模型。残差设定为 10-4，双倍精度（double precision）进行求解。迭代次数上限设置为 5 000 次，长时间不收敛则重新优化网格及检查初试参数条件。收敛后结果在 CFX 软件中进行后处理，得到血液流速场、血管壁应力分布、压强分布等数据。术前、术后及理想状态下均进行一次仿真。
1.2.3 手术方法
以所测量的主动脉窦管交界直径作为标准，裁剪牛心包材料为三叶主动脉瓣形状。游离缘总长度为窦管交界周长，每个瓣叶游离缘长度为总长的 1/3 或根据瓣窦大小适当调整。瓣叶高度为窦管交界半径的 1.5 倍。以 4-0 Prolene 线缝合牛心包瓣叶于主动脉瓣环处，交界处悬吊于主动脉外壁打结固定；瓣膜缝合完毕，检查瓣叶启闭情况后常规缝合主动脉切口，开放主动脉前，充分排气，心脏复跳，血流动力学平稳后停机，采用经食管彩色多普勒超声心动图实时观察心脏及瓣膜功能。实际对主动脉瓣膜及相关结构的处理以术中探查为准。
2 结果
2.1 主动脉根部及升主动脉三维重建
通过对术前影像学资料重建可见本例患者主动脉瓣存在明显钙化灶，主要分布于左冠状动脉瓣与右冠状动脉瓣交界及右冠状动脉瓣根部（图 1a）。术前模型可见升主动脉明显增宽，同时主动脉根部及主动脉窦管结合部（STJ）被动扩张；另外，主动脉弓与降主动脉之间存在较为锐利的夹角，可能与增宽的升主动脉容量增多、重力牵引有关，存在潜在血流动力学异常的隐患（图 1b）；术后模型则明显可见对扩张升主动脉的处理痕迹，主动脉根部重建后可见清晰的 STJ，主动脉窦部亦进行成形处理。但美中不足的是，升主动脉局部存在隆起，其管径并未进行环缩，另外弓部与降主动脉夹角依然存在（图 1c）；理想状态模型则对于上述两点进行处理，尝试还原符合最佳血流动力学的解剖结构（图 1d）。
图1
术前影像学资料重建
a：术前主动脉根部三维模型重建，视角为切开升主动脉后的俯视图；b～d：术前、术后及理想状态下主动脉三维重建示意图，红箭头（向上）所示为主动脉弓与降主动脉夹角较锐利；红箭头（向下）所示为升主动脉局部隆起；LAD：冠状动脉左前降支；LM：冠状动脉左主干；LCX：冠状动脉左回旋支；RCA：右冠状动脉；LCC：左冠状动脉窦；RCC：右冠状动脉窦；NCC：无冠状动脉窦
2.2 术前、术后及理想状态下的主动脉管径分布
通过三者直方图可见，术前升主动脉管径峰值区域相对偏右（半径更大），而术后及理想状态下的管径则明显缩小。因为术后升主动脉局部存在未处理的隆起区域，故其部分区域管径较理想状态更大。云图则更直观显示出三者管径的对比（图 2）。
图2
术前、术后及理想状态下的主动脉管径分布直方图与云图
a～c：分别为术前、术后、理想状态下主动脉管径分布直方图；d：从上到下依次为术前、术后、理想状态下主动脉管径云图
2.3 术前、术后及理想状态下血流动力学仿真结果
通过 CFX 对三维模型进行血流动力学仿真可见，术前升主动脉内血流速度、管壁压强及剪应力强度较大区域分布于升主动脉前壁（红橙区域），值得一提的是，弓部与降主动脉锐夹角后的血流速度加快，局部管壁压强及剪应力亦增加（黑色箭头所示）。术后升主动脉内血流速度、管壁压强及剪应力强度较术前有所下降，但流速的分布并不均匀（色彩非均匀渐变）。理想状态下的血流动力学仿真可见血流速度、管壁压强及剪应力下降，升主动脉内部及弓部与降主动脉夹角后部的血流速度、管壁压强和剪应力无明显局部异常区域（图 3）。理想状态下降主动脉内血液流线较手术前后更为规律稳定（图 4）。
图3
术前、术后及理想状态下血流动力学仿真结果
图4
管腔内仿真血液流线分布
a～c：分别为术前、术后及理想状态下管腔内仿真血液流线分布；红色箭头所示为理想状态下弓部及降主动脉内流线紊乱得到改善
2.4 手术结果
本次手术体外循环时间 106 min，其中主动脉阻断时间 60 min。术后当天心脏超声提示：主动脉瓣膜开闭良好，收缩期峰值血流速度为 1.7 m/s。患者术后总住院时间 12 d，其中住 ICU 时间 2 d，呼吸机使用时间 11.6 h。患者康复出院。1 年后随访患者未诉明显不适，但患者拒绝行进一步检查。
3 讨论
主动脉根部又称为主动脉根部复合体，主动脉瓣叶、瓣环、窦部、窦管交界等结构一方面在生理功能上相互配合，维持主动脉根部最佳的血流动力学状态，另一方面也使得主动脉根部重建手术相对复杂，需要预先考虑与关注的因素更多[1]。传统的术前评估手段主要包括 CT 与心脏超声检查，前者可以对主动脉的解剖结构进行评估，后者则侧重于功能性评估，总体而言已提供相对丰富的参数。但随着个体化手术设计理念的普及，解剖与功能的耦合及手术的虚拟设计（基于建模与流体仿真）逐渐受到国内外科术者的重视，而这将弥补传统检查的短板，丰富术前评估的内容及多样性[2-3]。以下将结合本研究结果，从建模及流体仿真的角度讨论 CFD 在主动脉根部重建手术中的应用。
3.1 术前建模的应用价值
3.1.1 精细的解剖评估
除获得常规检查手段的数据外，术前通过专业软件进行三维重建可深度挖掘更多的解剖参数。首先是限定范围内的主动脉管径分布统计。管径分布不仅通过云图可视化，且直方图亦可反映其极值等具体参数（图 2 ）。通过对比手术前后管径分布可直观且定量掌握手术效果，对于局部管径异常区域亦可提前知晓，术中进行针对性处理。其次是主动脉瓣钙化可视化。传统 CT 等检查手段仅能通过二维平面的高密度影进行评估，缺乏对钙化组织空间分布及与毗邻组织关系上的认识。不同患者主动脉瓣钙化程度及分布均不同，这可让术者在术中处理钙化灶时更加有的放矢（图 1a ）。
3.1.2 评估手术效果
理论上外科手术的宗旨是达到纠正解剖异常，尽可能恢复解剖重构，但大多数时候难以完全纠正，这时候可通过手术前后对于病变部位的三维重建模型进行直观对比评估，积累手术经验及改良策略[4]。
3.1.3 预设计手术
目前手术团队进行手术预设计时往往只能通过纸上画图以及结合影像学结果进行术前讨论，对于解剖功底薄弱的医师或医学生而言有时难以精准理解手术方式及细节，通过术前三维重建及 3D 打印技术，可让术前手术设计更为精准与个体化。其次，主动脉根部疾病往往合并升主动脉扩张，结合管径测量参数，术前可以通过专业软件对扩张的升主动脉的切除范围或 STJ 的环缩进行模拟处理，亦可提前对瓣膜修复或更换进行虚拟处理，让术者在术前心中有数，术中有的放矢。
3.2 流体仿真的应用价值
3.2.1 获取专业参数
首先，利用心脏超声或磁共振成像（MRI）所提供的主动脉开口初始流速，可通过流体仿真获取主动脉根部及升主动脉内血液流速的大小、方向及其分布，近年来超声领域的血液斑点追踪技术（blood speckle imaging，BSI）及血流向量成像（vector flow mapping，VFM）获取流体实时方向及其它专业血流动力学参数[5-6]。以往临床医师大多关注主动脉根部血液流速值，但事实上血流方向同样不容忽视。通过流体仿真可直观看到血流在术前升主动脉中流速较大值及曲线分布密集区域位于前壁，与扩张区域一致（图 3～4 ）。机制可能与主动脉瓣狭窄所致的高速血流冲击及高剪应力使主动脉管壁发生重构有关[7]。其次，流体仿真还可计算出血液对血管壁的压强分布以及剪应力（wall shear stress）分布，高压强及剪应力可对正常主动脉管壁结构产生损伤，继而诱发局部管腔扩张，甚至形成夹层[8]，提前进行模拟预测有助于筛选出潜在的升主动脉扩张的高危患者，或对于已存在扩张的患者进行个体化诊治[9]。若仿真后局部出现明显低压区或低剪应力区，则需注意此处可能存在动脉粥样硬化的风险[10]。最后，湍流强度、涡流等罕见应用的评估参数，从流体力学角度而言，二者异常可增加心脏做功时的能量损耗，后者目前可通过流体仿真得到，亦可通过超声 VFM 技术获取[11]。
3.2.2 功能上评估手术效果
因升主动脉扩张形变的缘故，该患者主动脉弓部被向下“拉扯”，导致其与降主动脉形成夹角（图 3）。根据流体力学中的连续性方程可知，当流量固定，管径减小时，局部血流速度增快，同时狭窄后管腔相对扩张，流体易在该处形成涡流及湍流，术前血液流线图呈高流速且紊乱状态。尽管术后主动脉根部及升主动脉的血流动力学有所改善，但手术并未处理弓部局限性狭窄（从实际手术方案上的确难以处置），而我们可以使用软件进行虚拟狭窄修复，同时进行血流动力学再次模拟可见局部流线紊乱的情况得到明显改善（图 4 ）。我们将对该患者进行密切随访，因其存在狭窄后局部扩张的潜在隐患。这即为通过 CFD 从功能上协助评估手术效果。
本研究通过 1 例患者手术前后及理想状态下的主动脉三维建模及流体仿真，详细论述目前 CFD 在主动脉根部重建手术中的应用现况。作为一门跨学科专业，CFD 在医学多专科中得到开发与实践，一方面加深了临床医师对于部分疾病机制的理解，可与当下热门的 3D 打印技术相结合，另一方面使术前评估更为全面立体，植入物设计更符合仿生学逻辑。这不仅可为虚拟诊疗的建立与发展提供技术支持，同时也可为患者提供更为精准与个体化的诊治方案。
本研究尚存在一定局限性。首先三维重建过程其实存在一定主观性，对于模型的处理以及血流动力学仿真的参数设置，存在可以进一步规范化的地方。其次缺乏对患者术后不同时间段的随访。最后，本研究仅为个案报道，计算流体力学在主动脉根部重建术中的指导价值尚待更大样本量的研究进一步证实。
利益冲突：无。
作者贡献：李艺负责数据收集、软件操作及论文撰写；陶凉、周宏负责论文设计、修改；龙艳丽、程冠负责数据收集、整理及临床指导。
计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）是随着计算机的发展而产生的一个介于数学、流体力学和计算机之间的交叉学科，通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析，近年来在医学领域应用广泛。主动脉根部是一个多结构的功能复合体，且每例患者主动脉根部结构独一无二，这使得主动脉根部重建手术的设计相对复杂，如何个体化地评估手术前后的血流动力学是目前所面临的重要问题。本研究旨在运用 CFD 技术重建主动脉三维模型，尝试从流体力学角度评估手术前后主动脉内血流动力学特征，分析该技术在主动脉根部重建术中的应用价值。
1 资料与方法
1.1 临床资料
纳入我院 1 例主动脉瓣重度狭窄患者，男，58 岁，主诉“间断胸闷、胸痛 1 年余”。术前超声心动图提示：主动脉瓣开口重度狭窄，峰值血流速度为 4.0 m/s，左室射血分数 52%。随后于我院行“主动脉根部重建术”。
1.2 方法
1.2.1 主动脉根部及升主动脉三维模型建立
（1）术前建模：将 CT 检查（德国西门子双源 256 排）得到的原始格式数据导入 Mimics 软件（版本 21.0）。选取建模范围为主动脉弓三分支处至心脏膈面水平。新建蒙版（mask）覆盖上述区域，调整阈值范围为蒙版区域契合心脏与主动脉内的血液部分，常规分辨率下无明显孔洞（holes），且血管壁及心肌等软组织尽可能少蒙版覆盖。多次使用蒙版分割工具（split mask）对建立蒙版进行处理，最终保留主动脉根部、升主动脉、部分降主动脉、主动脉弓及其分支动脉。最后将实体化三维模型导入 3-matic 软件（版本 21.0）进行细节优化及处理。获取主动脉管径分布的极值和瓣膜钙化的分布区域。保存该原始模型。（2）术后建模步骤同上，同时保存该模型。（3）手术完成后与手术团队进行交流评估，结合模型对患者手术前后主动脉根部情况形成直观了解，总结可改进的手术细节，可通过 3-matic 的 Design 和 Finish 中的诸多功能对原有模型进行虚拟处理，在理想状态下尽可能恢复生理解剖及合乎流体力学的结构。保存该处理模型为理想状态模型。
1.2.2 血流动力学模型的建立
将上述模型在 3-matic 软件进行体网格（非结构网格）生成及优化后导入 CFX 软件（版本 16.0）。整体流程忽略热传导、重力的影响。流体理化性质设定如下：密度（血液）为 1 050 kg/m3，温度为 37℃，粘滞度为 0.003 5 Pa/s，为不可压缩的牛顿流体。边界条件中，设定主动脉为刚性，无弹性及厚度；入口（主动脉瓣口）设定为“速度”（velocity），其具体数值由患者的心脏超声得到，出口（主动脉弓三分支及降主动脉）设定为“压强”（pressure），并使用 k-epsilon 湍流模型。残差设定为 10-4，双倍精度（double precision）进行求解。迭代次数上限设置为 5 000 次，长时间不收敛则重新优化网格及检查初试参数条件。收敛后结果在 CFX 软件中进行后处理，得到血液流速场、血管壁应力分布、压强分布等数据。术前、术后及理想状态下均进行一次仿真。
1.2.3 手术方法
以所测量的主动脉窦管交界直径作为标准，裁剪牛心包材料为三叶主动脉瓣形状。游离缘总长度为窦管交界周长，每个瓣叶游离缘长度为总长的 1/3 或根据瓣窦大小适当调整。瓣叶高度为窦管交界半径的 1.5 倍。以 4-0 Prolene 线缝合牛心包瓣叶于主动脉瓣环处，交界处悬吊于主动脉外壁打结固定；瓣膜缝合完毕，检查瓣叶启闭情况后常规缝合主动脉切口，开放主动脉前，充分排气，心脏复跳，血流动力学平稳后停机，采用经食管彩色多普勒超声心动图实时观察心脏及瓣膜功能。实际对主动脉瓣膜及相关结构的处理以术中探查为准。
2 结果
2.1 主动脉根部及升主动脉三维重建
通过对术前影像学资料重建可见本例患者主动脉瓣存在明显钙化灶，主要分布于左冠状动脉瓣与右冠状动脉瓣交界及右冠状动脉瓣根部（图 1a）。术前模型可见升主动脉明显增宽，同时主动脉根部及主动脉窦管结合部（STJ）被动扩张；另外，主动脉弓与降主动脉之间存在较为锐利的夹角，可能与增宽的升主动脉容量增多、重力牵引有关，存在潜在血流动力学异常的隐患（图 1b）；术后模型则明显可见对扩张升主动脉的处理痕迹，主动脉根部重建后可见清晰的 STJ，主动脉窦部亦进行成形处理。但美中不足的是，升主动脉局部存在隆起，其管径并未进行环缩，另外弓部与降主动脉夹角依然存在（图 1c）；理想状态模型则对于上述两点进行处理，尝试还原符合最佳血流动力学的解剖结构（图 1d）。
图1
术前影像学资料重建
a：术前主动脉根部三维模型重建，视角为切开升主动脉后的俯视图；b～d：术前、术后及理想状态下主动脉三维重建示意图，红箭头（向上）所示为主动脉弓与降主动脉夹角较锐利；红箭头（向下）所示为升主动脉局部隆起；LAD：冠状动脉左前降支；LM：冠状动脉左主干；LCX：冠状动脉左回旋支；RCA：右冠状动脉；LCC：左冠状动脉窦；RCC：右冠状动脉窦；NCC：无冠状动脉窦
2.2 术前、术后及理想状态下的主动脉管径分布
通过三者直方图可见，术前升主动脉管径峰值区域相对偏右（半径更大），而术后及理想状态下的管径则明显缩小。因为术后升主动脉局部存在未处理的隆起区域，故其部分区域管径较理想状态更大。云图则更直观显示出三者管径的对比（图 2）。
图2
术前、术后及理想状态下的主动脉管径分布直方图与云图
a～c：分别为术前、术后、理想状态下主动脉管径分布直方图；d：从上到下依次为术前、术后、理想状态下主动脉管径云图
2.3 术前、术后及理想状态下血流动力学仿真结果
通过 CFX 对三维模型进行血流动力学仿真可见，术前升主动脉内血流速度、管壁压强及剪应力强度较大区域分布于升主动脉前壁（红橙区域），值得一提的是，弓部与降主动脉锐夹角后的血流速度加快，局部管壁压强及剪应力亦增加（黑色箭头所示）。术后升主动脉内血流速度、管壁压强及剪应力强度较术前有所下降，但流速的分布并不均匀（色彩非均匀渐变）。理想状态下的血流动力学仿真可见血流速度、管壁压强及剪应力下降，升主动脉内部及弓部与降主动脉夹角后部的血流速度、管壁压强和剪应力无明显局部异常区域（图 3）。理想状态下降主动脉内血液流线较手术前后更为规律稳定（图 4）。
图3
术前、术后及理想状态下血流动力学仿真结果
图4
管腔内仿真血液流线分布
a～c：分别为术前、术后及理想状态下管腔内仿真血液流线分布；红色箭头所示为理想状态下弓部及降主动脉内流线紊乱得到改善
2.4 手术结果
本次手术体外循环时间 106 min，其中主动脉阻断时间 60 min。术后当天心脏超声提示：主动脉瓣膜开闭良好，收缩期峰值血流速度为 1.7 m/s。患者术后总住院时间 12 d，其中住 ICU 时间 2 d，呼吸机使用时间 11.6 h。患者康复出院。1 年后随访患者未诉明显不适，但患者拒绝行进一步检查。
3 讨论
主动脉根部又称为主动脉根部复合体，主动脉瓣叶、瓣环、窦部、窦管交界等结构一方面在生理功能上相互配合，维持主动脉根部最佳的血流动力学状态，另一方面也使得主动脉根部重建手术相对复杂，需要预先考虑与关注的因素更多[1]。传统的术前评估手段主要包括 CT 与心脏超声检查，前者可以对主动脉的解剖结构进行评估，后者则侧重于功能性评估，总体而言已提供相对丰富的参数。但随着个体化手术设计理念的普及，解剖与功能的耦合及手术的虚拟设计（基于建模与流体仿真）逐渐受到国内外科术者的重视，而这将弥补传统检查的短板，丰富术前评估的内容及多样性[2-3]。以下将结合本研究结果，从建模及流体仿真的角度讨论 CFD 在主动脉根部重建手术中的应用。
3.1 术前建模的应用价值
3.1.1 精细的解剖评估
除获得常规检查手段的数据外，术前通过专业软件进行三维重建可深度挖掘更多的解剖参数。首先是限定范围内的主动脉管径分布统计。管径分布不仅通过云图可视化，且直方图亦可反映其极值等具体参数（图 2 ）。通过对比手术前后管径分布可直观且定量掌握手术效果，对于局部管径异常区域亦可提前知晓，术中进行针对性处理。其次是主动脉瓣钙化可视化。传统 CT 等检查手段仅能通过二维平面的高密度影进行评估，缺乏对钙化组织空间分布及与毗邻组织关系上的认识。不同患者主动脉瓣钙化程度及分布均不同，这可让术者在术中处理钙化灶时更加有的放矢（图 1a ）。
3.1.2 评估手术效果
理论上外科手术的宗旨是达到纠正解剖异常，尽可能恢复解剖重构，但大多数时候难以完全纠正，这时候可通过手术前后对于病变部位的三维重建模型进行直观对比评估，积累手术经验及改良策略[4]。
3.1.3 预设计手术
目前手术团队进行手术预设计时往往只能通过纸上画图以及结合影像学结果进行术前讨论，对于解剖功底薄弱的医师或医学生而言有时难以精准理解手术方式及细节，通过术前三维重建及 3D 打印技术，可让术前手术设计更为精准与个体化。其次，主动脉根部疾病往往合并升主动脉扩张，结合管径测量参数，术前可以通过专业软件对扩张的升主动脉的切除范围或 STJ 的环缩进行模拟处理，亦可提前对瓣膜修复或更换进行虚拟处理，让术者在术前心中有数，术中有的放矢。
3.2 流体仿真的应用价值
3.2.1 获取专业参数
首先，利用心脏超声或磁共振成像（MRI）所提供的主动脉开口初始流速，可通过流体仿真获取主动脉根部及升主动脉内血液流速的大小、方向及其分布，近年来超声领域的血液斑点追踪技术（blood speckle imaging，BSI）及血流向量成像（vector flow mapping，VFM）获取流体实时方向及其它专业血流动力学参数[5-6]。以往临床医师大多关注主动脉根部血液流速值，但事实上血流方向同样不容忽视。通过流体仿真可直观看到血流在术前升主动脉中流速较大值及曲线分布密集区域位于前壁，与扩张区域一致（图 3～4 ）。机制可能与主动脉瓣狭窄所致的高速血流冲击及高剪应力使主动脉管壁发生重构有关[7]。其次，流体仿真还可计算出血液对血管壁的压强分布以及剪应力（wall shear stress）分布，高压强及剪应力可对正常主动脉管壁结构产生损伤，继而诱发局部管腔扩张，甚至形成夹层[8]，提前进行模拟预测有助于筛选出潜在的升主动脉扩张的高危患者，或对于已存在扩张的患者进行个体化诊治[9]。若仿真后局部出现明显低压区或低剪应力区，则需注意此处可能存在动脉粥样硬化的风险[10]。最后，湍流强度、涡流等罕见应用的评估参数，从流体力学角度而言，二者异常可增加心脏做功时的能量损耗，后者目前可通过流体仿真得到，亦可通过超声 VFM 技术获取[11]。
3.2.2 功能上评估手术效果
因升主动脉扩张形变的缘故，该患者主动脉弓部被向下“拉扯”，导致其与降主动脉形成夹角（图 3）。根据流体力学中的连续性方程可知，当流量固定，管径减小时，局部血流速度增快，同时狭窄后管腔相对扩张，流体易在该处形成涡流及湍流，术前血液流线图呈高流速且紊乱状态。尽管术后主动脉根部及升主动脉的血流动力学有所改善，但手术并未处理弓部局限性狭窄（从实际手术方案上的确难以处置），而我们可以使用软件进行虚拟狭窄修复，同时进行血流动力学再次模拟可见局部流线紊乱的情况得到明显改善（图 4 ）。我们将对该患者进行密切随访，因其存在狭窄后局部扩张的潜在隐患。这即为通过 CFD 从功能上协助评估手术效果。
本研究通过 1 例患者手术前后及理想状态下的主动脉三维建模及流体仿真，详细论述目前 CFD 在主动脉根部重建手术中的应用现况。作为一门跨学科专业，CFD 在医学多专科中得到开发与实践，一方面加深了临床医师对于部分疾病机制的理解，可与当下热门的 3D 打印技术相结合，另一方面使术前评估更为全面立体，植入物设计更符合仿生学逻辑。这不仅可为虚拟诊疗的建立与发展提供技术支持，同时也可为患者提供更为精准与个体化的诊治方案。
本研究尚存在一定局限性。首先三维重建过程其实存在一定主观性，对于模型的处理以及血流动力学仿真的参数设置，存在可以进一步规范化的地方。其次缺乏对患者术后不同时间段的随访。最后，本研究仅为个案报道，计算流体力学在主动脉根部重建术中的指导价值尚待更大样本量的研究进一步证实。
利益冲突：无。
作者贡献：李艺负责数据收集、软件操作及论文撰写；陶凉、周宏负责论文设计、修改；龙艳丽、程冠负责数据收集、整理及临床指导。
