减少对血流干扰的双叶机械心脏瓣膜的新设计
作者：张祖仁 王一山
单位：上海第二医科大学附属仁济医院 (200001)
关键词：双叶机械心脏瓣膜；血栓形成；设计构思
中国医疗器械杂志990501 提要 目前临床使用的双叶瓣的主要问题是血栓栓塞和与抗凝治疗有关的出血，其缺陷在于碟片开启时两个碟片将瓣膜的整个血流通道分隔成三个较小的血流通道。在这种受阻隔的血流通道中，产生容易诱发血栓形成的高剪应力区、紊流和滞流区。作者研制的双叶瓣在碟片开启时没有任何支架或碟片分隔瓣膜的血流通道，使血流与天然心脏瓣膜中的相类似，有利于显著减少瓣膜对血流的干扰，降低血栓形成，从而可减少病人对抗凝治疗的依赖程度。
A New Design of Bileaflet Heart Valve to Eliminate the Blood Flow Disturbance
, 百拇医药
Zhang Zuren Wang Yishan
Department of Cardiothoracic Surgery,Renji Hospital Shanghai Second Medical University
ABSTRACT The major problems of current clinically-used bileaflet heart valves are thromboembolism and hemorrhage related to anticoagulants.These bileaflet heart valves are considered as being unsatifactory,because in the open position,two leaflets divide the ring orifice of the valve into three regions.In this obstructive orifice,the high turbulent shear stresses and the region of flow separation and stagnation all give rise to the occurrence of thrombosis.In our design of bileaflet heart valve, in the open position,no structural component or leaflet divides the ring orifice of the valve.Our bileaflet heart valve has the best possibilities for creating more natural blood flow Pattern which could deccease or eliminate the blood flow disturbance so as to reduce the risk of thrombosis and the needs for anticoagulation therapy.
, 百拇医药
KEY WORDS Bileaflet heart valve Thrombosis Design idea
自1977年至今，全世界已有几十万只双叶机械心脏瓣膜(双叶瓣)，用于置换严重病变的主动脉瓣和二尖瓣，对救治严重瓣心病人发挥了巨大的作用。双叶瓣属于中心血流型，与其它类型的机械心脏瓣膜相比较，具有血液动力学性能优良、临床并发症发生率低和耐久性好的优点，如果其中一个碟片发生故障，另一个碟片仍能起部分启闭作用，不会导致患者立即死亡，是二十余年来国内外临床上最受欢迎的一种机械心脏瓣膜。但是现有的双叶瓣在血液动力学性能方面尚无法与天然心脏瓣膜的性能相比较[1]，由此带来严重的临床问题是与瓣膜有关的血栓形成，从而对换瓣病人需要终生严格的抗凝治疗。一旦抗凝治疗被延误或抗凝过甚或过弱，均可产生严重的并发症，甚至致死。据临床统计[1-3]，置换双叶瓣的病人血栓并发症高达每病人年0.5%～6.62%，与抗凝治疗有关的出血并发症高达每病人年0.7%～6.7%，已成为限制换瓣病人生活质量和长期存活率的主要因素。临床和实验室的大量研究已证实[1-5]，与双叶瓣有关的血栓形成主要是由双叶瓣伸入瓣膜血流通道内的碟片对血流干扰所引起的。因此研制具有类似天然心脏瓣膜的血液动力学性能的新型双叶瓣，以显著减少瓣膜对血流的干扰，从而降低与瓣膜有关的血栓并发症和出血并发症的发生率，是改进现有双叶瓣的重要研究方向。
, 百拇医药
1 原理和方法
为了减少双叶瓣对血流干扰而引起的血栓形成，我们研制了一种具有类似天然心脏瓣膜启闭特性的新型双叶瓣[6]，如图1所示。该新型双叶瓣的两个碟片被支承在侧壁呈波浪形的瓣架上。碟片由圆管的侧壁切割制成，碟片的周边有一个入流边、两个侧边和一个出流边。瓣架的波浪形侧壁上有二个波峰和二个波谷。两个碟片的入流边被分别支承在瓣架的波谷处，其侧边被约束在瓣架波峰内壁表面上的导向凹槽内。当碟片在瓣架内转动时，碟片以瓣架内侧的凸块为支点转动，碟片的侧边沿着瓣架内壁表面上的导向凹槽上下滑动，碟片的入流边在瓣架波谷处的凹槽内滑动。在碟片逐渐开启的过程中，碟片的整个内表面始终与瓣架的内表面组合成管状血流通道。当碟片处于全开启状态时，碟片镶在瓣架的波谷处，使圆柱状曲面的碟片与瓣架的波峰侧壁组合成最大的管状血流通道。
2 结果
新设计的双叶瓣与目前临床使用的双叶瓣对照，当碟片开启时，两者形成的血流通道的特征完全不相同，从而对与瓣膜有关的血栓形成的影响也会有完全不同的结果。
, 百拇医药
新型双叶瓣在碟片的开启过程中，整个血流通道始终是由碟片的整个内表面和瓣架的内表面组成的管状血流通道，也就是说，两个碟片始终位于整个管状血流通道的外侧，没有任何碟片或支架将整个血流通道划分成若干个较小的血流通道。这种设计构思使新型双叶瓣的血流通道、碟片启闭特性和血液动力学性能均与天然心脏瓣膜相类似，既增加了瓣膜的有效开口面积，又明显地降低了跨瓣压差、减少了紊流剪应力、缩小了流动脱离区和滞流区，对显著降低由于瓣膜对血流干扰而引起的血栓形成是有利的。 目前临床使用的典型的双叶瓣是St.Jude Medical双叶瓣。如图1所示，该双叶瓣的两个碟片与瓣架的内壁枢轴联接。当碟片开启时，两个半圆形的碟片将瓣膜的整个血流通道分隔成三个较小的血流通道。根据离体脉动流对该双叶瓣的流速和紊流剪应力的测量可知[4、5]，两个碟片对流场的影响是显而易见的。由于两个碟片对双叶瓣出流通道的阻隔作用，在三个较小的出流通道中形成三束高速喷射流，使流场中的速度分布出现多个峰点和谷点，其中大部分的前向出流位于两个侧翼出流通道内。在侧翼出流通道中可多处测得的最高流速为103cm/s，而在较为狭窄的中央出流通道中测得的最高流速为130cm/s。此时，在流体经过的碟片和瓣架的壁面处均出现较大的脱离流区和滞流区。在脱离流区形成的旋涡使出流通道内的喷射流被进一步压缩，形成多个高紊流剪应力区。当前向流达到峰值时，对主动脉瓣可测得的最高紊流剪应力为2000dyn/cm2，对二尖瓣可测得的最高紊流剪应力为575dyn/cm2。
, 百拇医药
图 1. St.Jude Medical双叶瓣与作者研制的新型双叶瓣的两种不同的血液流动特性
另一个与瓣膜有关的因素是安装尺寸。如表1所示，我们研制的各安装直径的双叶瓣的总高度在全关闭位置为8.9mm～11.4mm，全开启位置为11.1mm～16.2mm，而St.Jude Medical双叶瓣的总高度在全关闭位置为9.3mm～12.2mm，全开启位置为10.2mm～14.8mm。因此，我们研制的新型双叶瓣不仅达到显著减少血流干扰的设计目标，而且在全启闭位置的总高度与相同安装直径的St.Jude Medical双叶瓣的偏差在10%以内，同样适宜植入心脏的主动脉瓣瓣位和二尖瓣瓣位。
表1 作者研制的双叶瓣和St.Jude Medical双叶瓣高度比较 安装直径
(mm)
全关闭时高度(mm)
, 百拇医药
全开启时高度(mm)
作者研制
的双叶瓣
St.Jude
Medical
双叶瓣
作者研制
的双叶瓣
St.Jude
Medical
双叶瓣
21
8.9
, http://www.100md.com
9.3
11.1
10.2
23
9.4
10.2
12.2
11.1
25
9.9
11.7
13.1
12.1
, 百拇医药
27
10.4
11.7
14.2
13.2
29
10.9
11.7
15.1
14.0
31
11.4
12.2
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16.2
14.8
3 讨论
机械心脏瓣膜有关的血栓形成的机理是[7]：由于受损伤的红细胞释放出的ADP物质和高剪应力的血流激活血小板，造成纤维和血栓沉积和粘附在机械心脏瓣膜这种异体材料的表面。脱离流和滞流在粘附有纤维素的异体表面延续的时间越长，也就越增强血小板的粘附性、活性和血栓形成[7～8]。当平均紊流剪应力为300dyn/cm2以上时，平均延续时间达到22ms以上就可能激活血小板[9]。紊流区和滞流区延长了血液与瓣膜材料的接触时间，使高紊流剪应力可激发血液中各凝血因子的活性，滞流还可促使血小板的释放、粘附和聚集，从而启动内源凝血系统，促进血栓形成，并可造成血栓栓塞[8]。抗凝血药物仅能防止血栓栓塞，但不能阻止血液中各种凝血因子被异体表面和高紊流剪应力等外源性凝血因素激活，抗血小板药物对外源性凝血因素的治疗作用也是有限的[10]。因此，机械心脏瓣膜对血流干扰引起的血栓形成是难以靠药物治疗防止的。
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St.Jude Medical双叶瓣的结构设计令人不满意。当碟片开启时，两个碟片将瓣膜的整个血流通道分隔成三个较小的血流通道，而血流又无法沿着阻隔在血流通道内的碟片迅速改变流动方向，势必会出现高紊流剪应力区、脱离流区和滞流区，增加了血栓形成的发生率。正是由于此种双叶瓣内产生的与天然心脏瓣膜内不同的非生理性血流，出现了诱发血栓形成的紊流、旋涡脱离流和滞流。血栓形成会导致瓣膜失功、脑血流栓塞和消化道器官血流栓塞等病症。因此，尽管目前临床应用的双叶瓣较其它的机械心脏瓣膜已有了较大的改进，尽管对植入此种双叶瓣的病人采用终生严格的抗凝治疗，与瓣膜有关的血栓栓塞和与抗凝有关的出血仍是临床出现的最主要的并发症[1～3]。
在我们研制的新型双叶瓣的结构设计中，碟片在开启过程中始终位于整个血流通道的外侧，没有任何碟片或支架将整个血流通道划分成若干个小血流通道，瓣膜的启闭特性和血液动力学性能与天然心脏瓣膜的相似，有利于显著减少瓣膜对血流的干扰，以降低血栓形成的发生率，从而可减少病人对抗凝治疗的依赖程度。
, http://www.100md.com
注：本课题获卫生部科学研究基金96-2-276资助
参考文献
[1] Mueller XM,et al.Long-term results of mitral-aortic valve operations.J Thorac Cardiovasc Surg 1998;115(6):1298-1309.
[2] Debetaz L-F,et al.St.Jude Medical valve presthesis:an analysis of long-term outcome and prognostic factors.J Thorac Cardiovasc Surg 1997;113(1):134-148.
[3] Bernal JM,et al.The CarboMedics valve:Experience with 1049 implants.Ann Thorac Surg 1998;65(1):137-143.
, 百拇医药
[4] Yoganathan AP,et al.Turbulent Shear stress measurements in the vicinity of aortic heart valve prostheses.J Biomechanics 1986;19(6):433-442.
[5] Woo Y-R,et al.In vitro pulsatile flow velocity and shear stress measurements in the vicinity of mechanical mitral heart valve prostheses.J Biomechanics 1986;19(1):39-51.
[6] 张祖仁.机械心脏瓣膜.中华人民共和国专利局发明专利公报.1997；13(14):9.
[7] Mandrusov E,et al.Separated flows in artificial organs:a cause of early thrombogenesis?ASAIO Journal 1996;42(3):M506-M513.
, 百拇医药
[8] Copeland III JG. Thromboembolism and bleeding clinical strategies. Ann Thorac Surg 1996;61(3):376-377.
[9] Ramstack JM,et al.Shear-induced activation of platelets.J Biomechanics 1979;12(1):113-125.
[10] Maugeri N,et al.Enhanced response to chemotactic activaton of polymorphonuclear leukocytes from patients with heart valve replacement.Thrombosis and Haemostasis 1997;77(1):71-74.
(1998年11月2日收稿), 百拇医药
单位：上海第二医科大学附属仁济医院 (200001)
关键词：双叶机械心脏瓣膜；血栓形成；设计构思
中国医疗器械杂志990501 提要 目前临床使用的双叶瓣的主要问题是血栓栓塞和与抗凝治疗有关的出血，其缺陷在于碟片开启时两个碟片将瓣膜的整个血流通道分隔成三个较小的血流通道。在这种受阻隔的血流通道中，产生容易诱发血栓形成的高剪应力区、紊流和滞流区。作者研制的双叶瓣在碟片开启时没有任何支架或碟片分隔瓣膜的血流通道，使血流与天然心脏瓣膜中的相类似，有利于显著减少瓣膜对血流的干扰，降低血栓形成，从而可减少病人对抗凝治疗的依赖程度。
A New Design of Bileaflet Heart Valve to Eliminate the Blood Flow Disturbance
, 百拇医药
Zhang Zuren Wang Yishan
Department of Cardiothoracic Surgery,Renji Hospital Shanghai Second Medical University
ABSTRACT The major problems of current clinically-used bileaflet heart valves are thromboembolism and hemorrhage related to anticoagulants.These bileaflet heart valves are considered as being unsatifactory,because in the open position,two leaflets divide the ring orifice of the valve into three regions.In this obstructive orifice,the high turbulent shear stresses and the region of flow separation and stagnation all give rise to the occurrence of thrombosis.In our design of bileaflet heart valve, in the open position,no structural component or leaflet divides the ring orifice of the valve.Our bileaflet heart valve has the best possibilities for creating more natural blood flow Pattern which could deccease or eliminate the blood flow disturbance so as to reduce the risk of thrombosis and the needs for anticoagulation therapy.
, 百拇医药
KEY WORDS Bileaflet heart valve Thrombosis Design idea
自1977年至今，全世界已有几十万只双叶机械心脏瓣膜(双叶瓣)，用于置换严重病变的主动脉瓣和二尖瓣，对救治严重瓣心病人发挥了巨大的作用。双叶瓣属于中心血流型，与其它类型的机械心脏瓣膜相比较，具有血液动力学性能优良、临床并发症发生率低和耐久性好的优点，如果其中一个碟片发生故障，另一个碟片仍能起部分启闭作用，不会导致患者立即死亡，是二十余年来国内外临床上最受欢迎的一种机械心脏瓣膜。但是现有的双叶瓣在血液动力学性能方面尚无法与天然心脏瓣膜的性能相比较[1]，由此带来严重的临床问题是与瓣膜有关的血栓形成，从而对换瓣病人需要终生严格的抗凝治疗。一旦抗凝治疗被延误或抗凝过甚或过弱，均可产生严重的并发症，甚至致死。据临床统计[1-3]，置换双叶瓣的病人血栓并发症高达每病人年0.5%～6.62%，与抗凝治疗有关的出血并发症高达每病人年0.7%～6.7%，已成为限制换瓣病人生活质量和长期存活率的主要因素。临床和实验室的大量研究已证实[1-5]，与双叶瓣有关的血栓形成主要是由双叶瓣伸入瓣膜血流通道内的碟片对血流干扰所引起的。因此研制具有类似天然心脏瓣膜的血液动力学性能的新型双叶瓣，以显著减少瓣膜对血流的干扰，从而降低与瓣膜有关的血栓并发症和出血并发症的发生率，是改进现有双叶瓣的重要研究方向。
, 百拇医药
1 原理和方法
为了减少双叶瓣对血流干扰而引起的血栓形成，我们研制了一种具有类似天然心脏瓣膜启闭特性的新型双叶瓣[6]，如图1所示。该新型双叶瓣的两个碟片被支承在侧壁呈波浪形的瓣架上。碟片由圆管的侧壁切割制成，碟片的周边有一个入流边、两个侧边和一个出流边。瓣架的波浪形侧壁上有二个波峰和二个波谷。两个碟片的入流边被分别支承在瓣架的波谷处，其侧边被约束在瓣架波峰内壁表面上的导向凹槽内。当碟片在瓣架内转动时，碟片以瓣架内侧的凸块为支点转动，碟片的侧边沿着瓣架内壁表面上的导向凹槽上下滑动，碟片的入流边在瓣架波谷处的凹槽内滑动。在碟片逐渐开启的过程中，碟片的整个内表面始终与瓣架的内表面组合成管状血流通道。当碟片处于全开启状态时，碟片镶在瓣架的波谷处，使圆柱状曲面的碟片与瓣架的波峰侧壁组合成最大的管状血流通道。
2 结果
新设计的双叶瓣与目前临床使用的双叶瓣对照，当碟片开启时，两者形成的血流通道的特征完全不相同，从而对与瓣膜有关的血栓形成的影响也会有完全不同的结果。
, 百拇医药
新型双叶瓣在碟片的开启过程中，整个血流通道始终是由碟片的整个内表面和瓣架的内表面组成的管状血流通道，也就是说，两个碟片始终位于整个管状血流通道的外侧，没有任何碟片或支架将整个血流通道划分成若干个较小的血流通道。这种设计构思使新型双叶瓣的血流通道、碟片启闭特性和血液动力学性能均与天然心脏瓣膜相类似，既增加了瓣膜的有效开口面积，又明显地降低了跨瓣压差、减少了紊流剪应力、缩小了流动脱离区和滞流区，对显著降低由于瓣膜对血流干扰而引起的血栓形成是有利的。 目前临床使用的典型的双叶瓣是St.Jude Medical双叶瓣。如图1所示，该双叶瓣的两个碟片与瓣架的内壁枢轴联接。当碟片开启时，两个半圆形的碟片将瓣膜的整个血流通道分隔成三个较小的血流通道。根据离体脉动流对该双叶瓣的流速和紊流剪应力的测量可知[4、5]，两个碟片对流场的影响是显而易见的。由于两个碟片对双叶瓣出流通道的阻隔作用，在三个较小的出流通道中形成三束高速喷射流，使流场中的速度分布出现多个峰点和谷点，其中大部分的前向出流位于两个侧翼出流通道内。在侧翼出流通道中可多处测得的最高流速为103cm/s，而在较为狭窄的中央出流通道中测得的最高流速为130cm/s。此时，在流体经过的碟片和瓣架的壁面处均出现较大的脱离流区和滞流区。在脱离流区形成的旋涡使出流通道内的喷射流被进一步压缩，形成多个高紊流剪应力区。当前向流达到峰值时，对主动脉瓣可测得的最高紊流剪应力为2000dyn/cm2，对二尖瓣可测得的最高紊流剪应力为575dyn/cm2。
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图 1. St.Jude Medical双叶瓣与作者研制的新型双叶瓣的两种不同的血液流动特性
另一个与瓣膜有关的因素是安装尺寸。如表1所示，我们研制的各安装直径的双叶瓣的总高度在全关闭位置为8.9mm～11.4mm，全开启位置为11.1mm～16.2mm，而St.Jude Medical双叶瓣的总高度在全关闭位置为9.3mm～12.2mm，全开启位置为10.2mm～14.8mm。因此，我们研制的新型双叶瓣不仅达到显著减少血流干扰的设计目标，而且在全启闭位置的总高度与相同安装直径的St.Jude Medical双叶瓣的偏差在10%以内，同样适宜植入心脏的主动脉瓣瓣位和二尖瓣瓣位。
表1 作者研制的双叶瓣和St.Jude Medical双叶瓣高度比较 安装直径
(mm)
全关闭时高度(mm)
, 百拇医药
全开启时高度(mm)
作者研制
的双叶瓣
St.Jude
Medical
双叶瓣
作者研制
的双叶瓣
St.Jude
Medical
双叶瓣
21
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3 讨论
机械心脏瓣膜有关的血栓形成的机理是[7]：由于受损伤的红细胞释放出的ADP物质和高剪应力的血流激活血小板，造成纤维和血栓沉积和粘附在机械心脏瓣膜这种异体材料的表面。脱离流和滞流在粘附有纤维素的异体表面延续的时间越长，也就越增强血小板的粘附性、活性和血栓形成[7～8]。当平均紊流剪应力为300dyn/cm2以上时，平均延续时间达到22ms以上就可能激活血小板[9]。紊流区和滞流区延长了血液与瓣膜材料的接触时间，使高紊流剪应力可激发血液中各凝血因子的活性，滞流还可促使血小板的释放、粘附和聚集，从而启动内源凝血系统，促进血栓形成，并可造成血栓栓塞[8]。抗凝血药物仅能防止血栓栓塞，但不能阻止血液中各种凝血因子被异体表面和高紊流剪应力等外源性凝血因素激活，抗血小板药物对外源性凝血因素的治疗作用也是有限的[10]。因此，机械心脏瓣膜对血流干扰引起的血栓形成是难以靠药物治疗防止的。
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St.Jude Medical双叶瓣的结构设计令人不满意。当碟片开启时，两个碟片将瓣膜的整个血流通道分隔成三个较小的血流通道，而血流又无法沿着阻隔在血流通道内的碟片迅速改变流动方向，势必会出现高紊流剪应力区、脱离流区和滞流区，增加了血栓形成的发生率。正是由于此种双叶瓣内产生的与天然心脏瓣膜内不同的非生理性血流，出现了诱发血栓形成的紊流、旋涡脱离流和滞流。血栓形成会导致瓣膜失功、脑血流栓塞和消化道器官血流栓塞等病症。因此，尽管目前临床应用的双叶瓣较其它的机械心脏瓣膜已有了较大的改进，尽管对植入此种双叶瓣的病人采用终生严格的抗凝治疗，与瓣膜有关的血栓栓塞和与抗凝有关的出血仍是临床出现的最主要的并发症[1～3]。
在我们研制的新型双叶瓣的结构设计中，碟片在开启过程中始终位于整个血流通道的外侧，没有任何碟片或支架将整个血流通道划分成若干个小血流通道，瓣膜的启闭特性和血液动力学性能与天然心脏瓣膜的相似，有利于显著减少瓣膜对血流的干扰，以降低血栓形成的发生率，从而可减少病人对抗凝治疗的依赖程度。
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注：本课题获卫生部科学研究基金96-2-276资助
参考文献
[1] Mueller XM,et al.Long-term results of mitral-aortic valve operations.J Thorac Cardiovasc Surg 1998;115(6):1298-1309.
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[4] Yoganathan AP,et al.Turbulent Shear stress measurements in the vicinity of aortic heart valve prostheses.J Biomechanics 1986;19(6):433-442.
[5] Woo Y-R,et al.In vitro pulsatile flow velocity and shear stress measurements in the vicinity of mechanical mitral heart valve prostheses.J Biomechanics 1986;19(1):39-51.
[6] 张祖仁.机械心脏瓣膜.中华人民共和国专利局发明专利公报.1997；13(14):9.
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[9] Ramstack JM,et al.Shear-induced activation of platelets.J Biomechanics 1979;12(1):113-125.
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