計算流體動力學在Fontan術后腎血流預測中的應用

石靜 羅葦如 劉金龍 楊樂飛 孫佩璇 仝志榮 杜雋

功能性單心室是一類單側心室發(fā)育畸形、功能不良，或單側心室缺失的復雜先天性心臟病，F(xiàn)ontan 手術為其主要治療方法，術中通過將上、下腔靜脈與肺動脈吻合，曠置右心，腔靜脈血流直接到肺循環(huán)進行氧合[1]。Fontan 術后引起的急性腎損傷（AKI）是常見的嚴重并發(fā)癥。因缺乏敏感、特異的生物學標志物，AKI 的早期監(jiān)測及評估仍是醫(yī)學難題。目前臨床多用血清肌酐和尿量評估，但血清肌酐敏感性不高，尿量易受循環(huán)血容量改變和利尿劑等的影響，均無法真實反映腎功能受損情況。發(fā)生AKI 與術中體外循環(huán)建立、術后灌注減少和監(jiān)護期血壓波動造成的循環(huán)壓力、灌注及含氧量等變化相關[2]。因此，及時準確了解Fontan 術后腎血流動力學改變，有助于早期對腎功能進行評估和預測，對降低AKI 風險，減少Fontan 術后并發(fā)癥尤為重要。

新興的計算流體動力學（CFD）方法可通過個體化血管三維模型，設定相應血流出入口條件，模擬不同病理生理條件下血流運動狀態(tài)，實現(xiàn)對血流動力學參數(shù)的直觀定量評估及預測[3-4]。本研究采用CFD 方法評估Fontan 術前、術后不同時期腎血流動力學，結合多普勒超聲數(shù)據，實現(xiàn)無創(chuàng)血流動力學監(jiān)測和評估。

1 對象與方法

1.1 研究對象

在獲得上海兒童醫(yī)學中心倫理委員會批準和患兒家屬知情同意下，本研究納入30 例擬行Fontan 手術的患兒，并從中選擇1 例為代表，就CFD 研究方法和結果展開詳細介紹。該患兒3.5 歲，于6 月齡時診斷為肺動脈閉鎖、室間隔缺損、心室反位、Ⅱ型房間隔缺損、動脈導管未閉、右位主動脈弓，既往行右側Glenn 術和動脈導管結扎術?；純河诒驹盒孝蚱贔ontan 手術，術后于心臟重癥監(jiān)護室予以積極利尿、強心、抗感染等治療，術后3 d 順利返回普通病房。

1.2 彩色多普勒檢查

采用彩色多普勒血流顯像（CDFI）技術于床旁分別采集患兒術前、術后3 h、1 d 和3 d 的腎血流超聲數(shù)據。以SIEMENS ACUSON P500 超聲掃描儀動態(tài)獲取腹主動脈腎動脈分支段（起始段）、左右腎動脈起始段（腎門段）及葉間動脈血流參數(shù)，包括收縮期峰值流速（PSV）、舒張期最低流速（EDV）、阻力指數(shù)（RI）。

1.3 三維模型重建及數(shù)值模擬

采用X 射線計算機體層攝影設備掃描獲取患兒腹部血管影像數(shù)據，利用Materialise?-Mimics Innovation Suite 20.0（Materialise NV.Leuven,Belgium）Mimics 和Materialise?-3-Matic 12.0（Materialise NV.Leuven,Belgium）對腹主動脈、腎動脈及其他分支進行三維重建，并保留足夠的腎動脈分支。重建3D 模型，包括腹主動脈、左右腎動脈等，見圖1。

圖1 重建3D模型示意圖

利用模擬軟件ANSYS?-Fluent 2020（ANSYS Inc.America），求解Navier-Stokes（N-S）和連續(xù)性方程，獲得血流動力學參數(shù)。計算中假設血管壁面剛性、無滑移，血液不可壓縮，密度為1 060 kg/m3，動力黏度為4.0 mPa·s 的牛頓流體。以上端腹主動脈開口作為計算域的入口，賦予流速條件。以下游各腹主動脈分支開口及兩側髂動脈開口作為出口，耦合三元素Windkessel 模型[5-6]，代表下游血管阻抗，根據所測血流量，按比例調節(jié)參數(shù)，保持出口壓力在生理范圍內。采用SIMPLE 算法及二階精度迎風格式進行求解，收斂精度為10-5，計算得到Fontan 前后不同時期腎動脈的壓力階差、速度流線及壁面剪切力（WSS）分布的血流動力學參數(shù)變化。

2 結果

2.1 超聲多普勒檢查結果

該患兒腎動脈多普勒超聲實際測量數(shù)據見表1。術后各階段雙腎動脈起始段及腎門段最高峰值流速均較術前降低。術后3 h，右腎動脈各段RI較術前升高，術后1～3 d，RI 逐漸降低；而左腎動脈術后3 h 的RI 較術前降低。此外，葉間動脈術后3 h 及1 d 的RI 較術前均升高，至術后3 d 改變趨緩。

表1 患兒腎動脈多普勒超聲實際測量數(shù)據

2.2 壓力階差分布

不同時期腎動脈壓力階差分布見圖2A。術前至術后，腹主動脈壓力階差分布無明顯差異，左腎動脈壓力階差均值低于右腎動脈。部分右腎動脈術后壓力階差較術前略高，左腎動脈主干的壓力階差在術后也稍有增高。

2.3 速度流線分布

不同時期腎動脈速度流線分布見圖2B。術后3 d 右腎動脈流速降至最低，與右腎動脈壓力階差變化一致。左腎動脈流速術后3 h 出現(xiàn)降低，1 d流速降至最低，3 d 流速逐漸升高，接近術前左腎動脈流速。

2.4 壁面剪切力分布

不同時期腎動脈WSS 分布見圖2C。術后3 h右腎動脈平均WSS 較術前稍低，1 d 達到最高，3 d 逐漸降至最低。與術前相比，左腎動脈術后3 h 和1 d 平均WSS 呈持續(xù)下降趨勢，術后3 d 平均WSS 逐漸增加，恢復至術前水平。

圖2 不同時期的腎血流動力學各參數(shù)變化

3 討論

Fontan 手術改變血液循環(huán)，引起血流動力學變化，增加了圍手術期罹患腎功能障礙的風險[2]。其中，AKI 是Fontan 術后常見并發(fā)癥和重要死亡原因。多中心隊列研究調查顯示兒童重癥監(jiān)護室內AKI 病發(fā)率高達29.6%[7]，Esch 等[8]發(fā)現(xiàn)Fontan術后AKI 病發(fā)率可達42%。血流動力學改變引發(fā)的腎功能障礙是AKI發(fā)生的關鍵因素之一[9]。因此，了解Fontan 術后腎血流動力學的變化特征是預防AKI 的必要前提。

本研究基于30 例Fontan 手術患兒腎血流動力學數(shù)值模擬結果，以其中1 例為代表，對模擬結果進行討論。選取術前、術后3 h、1 d 及3 d，觀察血流動力學指標變化。CDFI 數(shù)據提供了患兒基礎狀態(tài)水平，術后3 h 各項指標存在較大波動，F(xiàn)ontan 術后1 d 是AKI 發(fā)生的高風險時期，而術后3 d 進入腎功能恢復期[9]。

本研究中CDFI 數(shù)據顯示雙腎動脈起始段及腎門段峰值流速在術后各階段均較術前降低，符合術后腎臟血供總量減少的趨勢。術后3 h，右腎動脈起始段RI 較術前升高，提示術后急性期腎內高阻態(tài)。術后1 d 及3 d，雙腎動脈起始段RI 較術后3 h 下降，提示術后急性高阻態(tài)有所緩解。此外，術后3 h及1 d 葉間動脈RI 較術前均有升高，至術后3 d 降低。腎臟應對循環(huán)急性改變的反應是持續(xù)增加腎血管阻力，即RI 的特征性變化[10]。腎臟的入腎血管擴張，出腎血管收縮，維持一定的腎血流量和腎小球濾過率，以保護腎功能。

本研究計算模擬發(fā)現(xiàn)Fontan 術前、術后不同時期左、右腎血流動力學的變化不同。不同時期左、右腎動脈壓力階差變化不顯著，但同一時期右腎動脈壓力階差大于左腎動脈，這與CDFI 觀察到的兩側腎動脈RI 的變化規(guī)律近似。這可能與右腎動脈分支較多，且分支開口及角度多變有關。高RI 和壓力階差不僅表現(xiàn)為腎動脈的高阻態(tài)，也可由左、右腎動脈解剖固有差異導致。雙側腎動脈開口附近壁面剪切力均高于腹主動脈其他分支，這與Lee等[11]發(fā)現(xiàn)一致?？紤]Fontan 術中體外循環(huán)導致較長時間的腎臟低灌注狀態(tài)，且術后循環(huán)狀態(tài)改變，造成心輸出量減少[2]。若血流量失衡嚴重，腎內血流出現(xiàn)代償性調整，將引起左、右腎動脈血流動力學變化不同步。右腎動脈在術后3 d 前均為高速流動，壁面剪切力隨之增大。隨著代償性調整，左腎術后3 d 表現(xiàn)為高流速分布。因此，F(xiàn)ontan 手術引起左、右腎血流動力學非一致性的改變。

本研究存在以下不足：（1）由于醫(yī)學影像清晰度有限，腎動脈微小血管無法重建，未能評估腎微循環(huán)灌注；（2）僅對血流動力學進行分析，未結合生化指標評估Fontan 術后腎功能。

本研究利用CFD 技術分析先天性心臟病患兒Fontan 術前術后腎血流動力學變化特征，結合多普勒超聲檢查發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ontan 術后腎阻力呈現(xiàn)一過性增高，兩側腎動脈血流呈現(xiàn)非一致性改變。利用CFD 技術，可為臨床預測評估腎血流動力學改變提供有效幫助。