4.4 研究方法和结果的分析与讨论
通过浸没边界法在流固耦合计算的实践，证明了该项技术在心脏瓣膜血液动力学研究中的可操作性和可靠性。与常规结构力学或者计算流体力学数值仿真类似的，通过对现实世界台架试验或者临床环境关键参数的测量、简化和调试，即可实现仿真结果在宏观上与临床或者试验结果的良好匹配，完整捕捉瓣膜在完整心动周期内的开闭情况及流场中细微变化的血液动力学特征。在本章中基于患者个体化影像构建的主动脉瓣流固耦合数值仿真模型，成功地通过了与临床中3D-TEE采集到的相同患者主动脉瓣运动学形态比对验证，初步证明了该流固耦合计算方法及该模型的准确可靠。
运用浸没边界法进行流固耦合仿真无须再构造贴体网格，也不用在计算过程中自动或者手动控制流体域网格的自适应重构，大大提高了计算的鲁棒性，降低了计算成本。但是，经典浸没边界法的流体域网格均匀固定，没有办法精细刻画靠近结构与流体界面附近流场的速度和速度梯度，因此无法直接计算结构零件在流场中的壁面切应力情况。这为进一步研究包括瓣叶假体的血管内介入器械关于溶血、钙化等方面的问题带来了困难。因此，也有学者基于经典浸没边界法进一步优化和开发了例如浸没界面法、笛卡尔网格法、切割单元法等算法，用自动捕捉和细化流固耦合界面处液体网格的办法，提高近壁面处速度场的计算精度，以满足更细致或更复杂边界情况的流体力学研究的要求。
运用结构力学仿真软件Abaqus对自体心包主动脉瓣修复术的步骤进行虚拟手术仿真。参照标准手术操作步骤进行的主动脉瓣修复术在基于患者个体化CTA数据逆向重建的主动脉根模型上有序展开，包括裁切、弯折、缝合、固定等关键步骤都被一一模拟，仿真结果与外科手术操作缝合的瓣叶形态实现了良好的匹配。
本研究的虚拟手术实践有两重意义。首先对于仿真模型的构建而言，通过虚拟手术构建的模型几何形态往往更准确，与现实情况更为贴近。这是因为与直接正向建模各种理想化的简化条件输入不同，虚拟手术通过模拟真实手术步骤，可以把人为操作可能带来的一些非预期影响或误差也引入仿真模型的初始化模型中，并通过传递这些影响和误差到后续仿真的方式，对进一步分析这些影响和误差的重要性提供帮助。例如在本研究中，由于将平面的心包膜卷曲固定成相互交叠的瓣叶曲面形态，可能带来的材料冗余或者堆叠褶皱现象，以及这种现象对其制成的瓣膜假体后期血液动力学特性的影响是不能忽略的；但这些由于实际操作带来的瓣叶假体上的非对称、非固定、非必然的“瑕疵”，是几乎没有办法通过传统正向建模直接获得的。其次对于临床手术而言，虚拟手术技术结合计算机仿真，可以帮助医生更合理地优化现有手术方案，或者设计各类患者个性化的诊疗方案。这对优化手术方案及提高手术成功率等方面都有非常重要的现实意义。
浸没边界法和虚拟手术在本研究中的成功应用，也为未来进行更为复杂的自膨瓣、球扩瓣的血液动力学研究打下了坚实的基础。
在验证患者个体化主动脉瓣模型的基础上，进一步构建了包括正常（健康）模型和三种可能的手术模型，通过模拟现有临床中任意裁切心包膜的操作，证明了现有自体心包主动脉瓣修复术的临床即刻有效性。
瓣叶运动学形态分析、几何开口面积，以及血流速度场分析都显示，通过执行自体心包主动脉瓣修复术，把畸形的原生主动脉根部解剖结构进行修复，都可以实现主动脉瓣从运动形态到临床常监测的血液动力学特性的极大优化。修复后的主动脉瓣与疾病瓣膜相比都能有更大的几何开口面积，更饱满、一致的瓣膜开闭动作，以及更正常的主动脉瓣射流。(https://www.daowen.com)
通过细致比较还可发现，这些临床上常见的、容易实施的瓣膜运动学形态和血液动力学特性等评价指标的改善确实与瓣叶假体内胶原纤维排列方向没有显著关系，这样的结果与复旦大学附属儿科医院临床上目前的观察结果比较一致，也充分说明了进行自体心包主动脉瓣修复术后，患者的瓣膜和心脏功能应该可以得到立即的改善。
在研究中，虽然通过定性和定量的分析证明用临床上常用的血液动力学监测方法评估的自体心包主动脉瓣修复术即刻有效性与瓣叶假体内胶原纤维排列方向没有显著关系，但是本研究通过详细分析常规临床监测无法评估的瓣叶受力情况，证明匹配瓣叶假体内的胶原纤维方向对假体远期生存和长期临床效果具有重要意义：
（1）瓣膜材料的受张响应，特别是在舒张期承载极限跨瓣压力条件下的受力情况，与其自身材料各向异性的方向性非常相关。
（2）瓣叶假体与原生瓣纤维方向有良好匹配的手术模型，不仅有与正常模型十分接近的宏观血液动力学和形态学特征，同时更重要的是，其制成的瓣膜在不断往复的开闭过程中有更小的应力和应变响应。
（3）临床上裁切瓣叶时，将心包膜材料固有胶原纤维优势方向（垂直于心底心尖连线的横向）作为瓣叶假体的周向方向进行裁切，能实现心包膜瓣叶假体内纤维和原生瓣纤维方向的良好匹配。
从材料科学和组织工程学角度看，让瓣膜假体工作在更低的应力应变水平下，并让其具有同原生瓣更为接近的血液动力学特性表现，对增加瓣膜的疲劳寿命都是有积极帮助的。但在本研究中，虽然三种手术模型的瓣膜宏观运动学形态和血液动力学特征表现都比较类似，但如果加上瓣叶受力情况来评估，只有匹配了胶原纤维方向的0°手术模型才更符合理想假体的综合要求，即宏观横向分布胶原纤维的瓣膜将有更好的安全系数和疲劳寿命。随着瓣叶假体内胶原纤维偏转角度的增大，瓣叶受拉时的结构刚度被显著削弱了，特别在心舒张期瓣叶受到极端跨瓣压力收张时，应变显著增加。考虑到拉伸是瓣膜最主要的一种疲劳损伤形式之一，有理由相信应该尽可能不让自体心包缝制的主动脉瓣工作在这样的高应变情况下。
综上所述，本研究建议临床上进行自体心包主动脉瓣修复术时，应尽量大体横向地裁切心包膜以制作主动脉瓣修复术中的瓣叶，这可以帮助实现更好的临床效果和更长的瓣膜寿命；而即使遇到组织尺寸或解剖形态的困难，也应避免纵向裁切，以降低瓣膜假体在开闭过程中由于过度形变带来的材料损伤。