4.3.1 个体化主动脉瓣几何重建
虽然自体心包主动脉瓣修复术在儿童及幼儿患者群体中的应用更有前景，但是儿童的主动脉尺寸更小，瓣叶更薄，心跳也更快，由于技术和设备的限制，在常规冠脉CTA上更难被精确捕捉和理想成像。因此，本研究采用了尺寸更大、心跳速度也相对较慢的成年人患者的主动脉根部和瓣膜进行重建。
本研究使用了两名来自复旦大学附属中山医院的患者的医学影像数据。一名患者主动脉瓣结构正常，拥有完整的医学影像资料，作为对照组验证流固耦合方法的可靠性；另一名患者诊断有主动脉瓣根狭窄，有冠脉CTA影像但缺失三维经食道超声影像，作为主动脉瓣修复术研究组。作为对照组的68岁男性患者，被诊断为二尖瓣置换术后、二尖瓣生物瓣中重度反流、三尖瓣中重度反流、心功能NYHAⅡ级、高血压，但通过其冠脉CTA、经胸二维心脏超声及TEE检查结果，可明确该患者左室流出道结构即主动脉根部结构正常。作为手术研究组的63岁成年男性患者，被诊断为主动脉瓣增厚和钙化，合并中度到重度的主动脉瓣反流和轻度狭窄。在中山医院影像科的支持下，采用东芝320排CT Aquilion One扫描系统（Canon Medical Systems，美国）并结合心电门控技术对患者进行了术前心脏冠状动脉CTA造影。CTA扫描参数为：管电压120 kV，管电流650 mA，准直64排×0.625 mm，螺距0.16∶1，显示野（FOV）250 mm，机架旋转一周时间0.35 s，重建窗宽窗位800/300，扫描部位自气管隆突下2 cm至膈下2 cm，分辨率为512像素×512像素。术中辅助造影剂以增强心室和主动脉内的显影清晰度。将CT扫描数据以DICOM格式存储。
在造影剂和高分辨率CT的帮助下，左心室内和主动脉根部血管内壁轮廓清楚，主动脉瓣在关闭状态下也清晰可辨。但是由于心脏一刻不停地跳动，瓣膜形态和血管形态也在随时发生变化，如图4-9所示。我们仍需要选取合适时刻的影像序列进行个体化主动脉瓣仿真模型的构建。
在手术过程或者尸体解剖中处于静息状态的原生瓣膜，呈现出一种三片瓣叶相互轻微交叠、自然关闭的形态（图4-10）；在瓣膜修复手术中，临床医生把新的瓣叶假体缝在瓣环上后，也往往固定在这样的状态。瓣膜两侧压力为零时呈现的自然结构形态被称为零应力状态（又称不受压状态），这个状态对瓣膜的制作和仿真都意义重大。为了更好地拟合原生瓣膜的形态和功能，商业化的生物瓣膜假体经过处理和缝合到瓣架上之后，需要被戊二醛等溶液固定在这样自由关闭的形态上，仿真模型也需要从零应力状态开始施加载荷以正确地捕捉瓣叶在整个心动周期内承受正负压力时瓣叶上叠加的应力应变状态。对持续进行往复开关的瓣膜来说，零应力状态往往指一个心动周期内跨瓣压力最小的时刻瓣膜所呈现的结构形态，也就是心舒张末期瓣膜的形态。很明显地，在图4-9中一个心动周期的各个时相内的影像中，0%和90%时相时心室体积最大，呈关闭状态的主动脉瓣清晰可见，具有典型的心室舒张末期的影像学特征。综合比较了两个大约位于相同心动周期时相的影像序列后，本研究选择了图像更为清晰的90%时刻的影像序列作为零应力状态下的主动脉瓣形态进行逆向重建。
图4-9 心电门控下不同时相的心脏CT造影（选取穿过主动脉瓣中线的冠状面影像，筛选零应力状态对应的时相数据：0%～90%是心动周期一个完整循环，可见心室从舒张到收缩再到舒张，主动脉瓣从关闭到打开再关闭的循环过程）
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图4-10 零应力状态下呈现自然关闭状态的原生主动脉瓣
主动脉根部的几何重建分为逆向重建和分析区域（region of interest，ROI）修剪两步。
患者个体化主动脉瓣的逆向重建在MIMICS 21.0完成。导入90%时相的CTA影像序列321张，手动调节Hounsfield阈值在218～1 859以增强不同组织之间的图像对比度，综合运用MIMICS Research软件中的高级心脏CT模块和手工蒙版分割工具，将左心室和主动脉根部的解剖结构准确分割，并对分割后的域做光顺（Smoothing）和包裹（Wrapping）处理，以降低CTA影像噪声对重建曲面的影响（图4-11a）。完成逆向重建的主动脉根部模型导出为stl文件，以进行更进一步的修剪处理。
Geomagic Studio 12.0被用于ROI的提取和修剪。在这一步中，主动脉根部的模型分别在主动脉侧和心室侧，被垂直于血管轴线的平面切割裁剪；冠状动脉和其他小血管被去除；心室内侧的复杂曲面也被进一步光顺简化；留下两平面之间的重点分析区域解剖结构，包括主动脉窦和瓣膜，如图4-11b所示。
图4-11 手术组患者个体化的主动脉根部模型
由于患者瓣膜的运动速度过快，现有的CTA技术依然无法完全清晰地捕捉瓣叶曲面的光滑形态。因此，本研究采用了基于重建瓣叶的stl文件，提取瓣叶脊线上的三个坐标点作为B样条曲线控制节点，再通过与主动脉窦根部的曲线做扫略的方法构建个体化的疾病瓣叶几何模型。