【心外器械】二尖瓣解剖及器械设计

来源:微信公众号 MiHeart 原创: Mi      时间:2019-12-23

    笔者一直觉得对二尖瓣的认识不够深入,尤其它比主动脉瓣的解剖更复杂,所以今天来尝试研究一下。(一次研究也估计很难研究透,不过总得尝试下~)

    正常的二尖瓣位于左房和左室之间,是由瓣环、两片小叶,众多腱索和两条乳头肌组成的复合体;此外,左心房和左心室也是二尖瓣功能不可或缺的部分。二尖瓣倾斜的位于心脏中,与主动脉瓣关系密切。(对其功能最有影响的是插入了瓣叶的左心房肌肉和乳头肌附着的左心室肌肉)

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图 1 正常(左)和 FMR(右)下的二尖瓣几何形状(为什么要倒着画~)

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图 2 二尖瓣前叶、后叶的组成及整体侧面观

    二尖瓣环是一个纤维肌性环,二尖瓣小叶固定于其上。正常的环面为椭圆形,呈马鞍型,优化了小叶的贴合并最大程度地减少了小叶的应力。二尖瓣环的前中部与主动脉瓣环延续,称为瓣间纤维膜/纤维幕(Mitral-aortic intervalvular fibrosa,MAIVF)。

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图3 外科视角下的二尖瓣与主动脉瓣

    此处虽然坚硬的纤维幕阻止了前叶附着点的移动,但已有研究表明,左室舒张可移位后叶,影响瓣膜小叶间的连接处(Commissure),从而引起二尖瓣返流。在纤维幕的两端分别是左、右小叶间纤维三角,纤维弹性索(Fivroelastic cords)从纤维幕延伸,穿过纤维三角,并部分围绕二尖瓣后叶,形成所谓的二尖瓣环。(注意这个小叶间三角就是影像测量时,确定二尖瓣环平面的重要参考)

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图3 小叶间三角和中央纤维体的解剖(注意主动脉-二尖瓣幕的近端就位于左右小叶间纤维三角中间)

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图4 俯视图显示小叶间三角和主动脉-二尖瓣幕(按照三点确定一个平面,以及二尖瓣本身是倾斜的来看,影像上仅通过这两个小叶间三角确定瓣环平面还是会有些误差~)

    如设计二尖瓣相关器械,很容易即发现沿着其后侧与前侧,工具需穿刺或抓握的组织与结构有很大的不同。心室肌并没有完全环绕二尖瓣瓣口,而是局限于后外侧区域;而前叶由于缺少二尖瓣环以及心肌覆盖,其组织较薄,器械很容易穿刺进入主动脉,此时需牢记主动脉瓣的左瓣叶就位于二尖瓣前叶与左房连接点的上方。后叶侧,二尖瓣环尤为突出,心肌亦如此,因此器械锚定时应穿刺心内膜层、二尖瓣环、结缔组织层,并最终进入心肌。非常重要的是,此时需保护冠状窦、冠脉和附近的心脏电传导路径不受影响。

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 图5 二尖瓣瓣叶解剖

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图6 二尖瓣周围组织(左房顶外科手术时,所见二尖瓣周围毗邻)

    用于刺穿组织的针或器械的类型不同可产生不同的力-位移,由于加大的切削力和摩擦力,较大直径的针就需要更大的力。因此,设计的二尖瓣器械中的锚固部分必须克服的最大力可能会有很大的变化。此外,穿刺组织时提高穿刺针的速度会降低最大穿刺力和组织损伤,这是由于材料的粘弹性和断裂特性,及增加了向组织中释放能量的速率。因此理想情况下,器械锚定部位的部署速度应尽可能快,同时可降低手术时间。(此处请想象一把绝世好刀,再加上一句口诀:“天下武功,唯快不破”~)

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图7 将针插入猪心脏的一般过程(1. 初始载荷变形;2. 组织破裂;3. 切割组织;4. 卸载变形。这四步产生的力主要由摩擦、切割和内部刚度所致)——注意速度不同,所需的力值变化

    然后到了心动周期过程中,二尖瓣器械还需要承受一定的心内压力。如下图,心动周期中的典型压力变化情况,左心室产生的最大压力约为120mmHg,左心房的最小压力则为8-10mmHg,这意味着当二尖瓣关闭时,锚定器械必须承受最大约110mmHg的压力差。此时可以根据人工瓣膜的额定瓣口面积,计算出器械所需承受的力。

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图8 正常心动周期过程中心内压力曲线(MO/MC:二尖瓣开/闭;AO/AC:主动脉瓣开/闭)

    此外,用于固定二尖瓣假体和锚定的心内器械会占据一定的空间,因此有可能减少有效的二尖瓣瓣口面积MVA,从而出现房室之间的压差(“Pressure difference between the upstream and downstream regions of a valve”)。成年人,血流通过二尖瓣的最大速度约为0.9m/s,正常二尖瓣瓣膜的跨瓣压差可忽略不计。如流速相同,因心内器械和人工瓣膜的存在使得MVA减小,压差就会增加。

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图9 简化的Gorlin公式表示的有效瓣口面积、压差和流速之间的关系(譬如术后二尖瓣压差可允许达到25mmHg,已知基础流速为4L/min,则二尖瓣瓣口面积可接受0.8cm2)

    美国研究者们对不同材质成形环的动物模型测试显示,在不同的左心室压力条件下,非同质的成形环(部分刚部分弹)较之刚性环,其连接处的受力降低了48%,后侧部降低了32%,而前侧部的降低不明显。非同质环与弹性环相比则未出现缝线处力值上的统计学差异。

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图10 不同材质成形环对其受力的影响

    同样是另一组美国研究者对MitraClip的动物模型测试,发现术后器械周围小叶的收缩末期应力增加,降低了瓣下组织的膈外侧环直径(Septo-lateral annular diameter,SLAD),增加了手术相关的纵向应变(Procedure-related radial strain)。(二尖瓣试验动物看来就是羊了;顺便,MitraClip的术后变化一言以蔽之:瓣叶紧了,瓣下小了,心肌伸展了)

640_12图11 术前(A和D)以及MitraClip术后(B和E 正常左室;C和F 扩大左室)的Mises应力色图

    今天的小小总结,虽然有这么多测试方式,器械在患者心内的表现仍是个谜。可以无限趋近模拟,但无法达到最终的真实。二尖瓣看来一次讲不完,以后有机会再聊。


参考文献:
1.  Yue Zhang, Vicky Y. Wang, Ashley E. Morgan, et al. Mechanical effects of MitraClip on leaflet stress and myocardial strain in functional mitral regurgitation-a finite element modeling study. PLoS ONE 14 (10): e0223472. https://doi.org/10.1371/journal. pone.0223472.
2.  Shawn L. Price, Carolyn G. Norwood, Jeffrey L. Williams, et al. Radiofrequency ablation directionally alters geometry and biomechanical compliance of mitral valve leaflets: refinement of a novel percutaneous treatment strategy. Cardiovascular Engineering and Technology, Vol. 1, No. 3,September 2010 pp. 194-201.
3.  Romain Capoulade, Nicolas Piriou, Jean-Michel Serfaty, et al. Multimodality imaging assessment of mitral valve anatomy in planning for mitral valve repair in secondary mitral regurgitation. J Thorac Dis 2017;9(Suppl 7):S640-S660.





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