心脏瓣膜

本发明涉及一种具有新型抗血栓形成设计的假体心脏瓣膜。目前，全球有超过7000万人受到心脏瓣膜疾病的影响，每年报告的死亡人数超过100万。对于需要进行心脏瓣膜置换的患者，欧盟和美国的现行指南分别建议：在主动脉瓣位，对60岁以下和50岁以下的患者采用机械心脏瓣膜假体；在二尖瓣位，则对65岁以下的患者采用机械心脏瓣膜假体。然而，由于机械心脏瓣膜对血液具有显著影响，且这种影响通常表现为非生理性剪切应力水平，因此其往往会导致更高的血栓形成风险和血栓栓塞事件风险，使患者承受终身使用华法林等药物进行抗凝治疗的负担。不依从可能导致出血和死亡风险增加。因此，对具有生理性流动特征的机械心脏瓣膜的探索从未停止，所述生理性流动特征以较低的压力梯度、较低的湍动能以及较低的剪切应力水平为表征。目前作为金标准的机械心脏瓣膜是由artivion经销的on-x瓣膜，其为唯一经fda批准且抗凝治疗要求较低的机械心脏瓣膜。on-x瓣膜的设计在很大程度上依赖于流体动力学原理，例如用于减轻流动分离的扩口入口、可降低压力梯度且数值为0.62的较大长径比以及用于使尾流最小化的较大瓣叶开启角度。后续研究证实了尾流中的压力梯度、湍动能和剪切应力水平有所降低，并证明在较低抗凝治疗水平下取得了良好的临床结果。为了更进一步，已积极开发两种策略，以在机械心脏瓣膜中产生更具生理特征的流动。一种是在现有双瓣叶机械心脏瓣膜中实施被动流动控制方法，另一种是持续开发三瓣叶机械心脏瓣膜。被动流动控制方法的概念包括在机械心脏瓣膜瓣叶上设置涡流发生器，所述涡流发生器为瓣叶表面上的小型矩形结构，并以同向旋转或反向旋转的方式排列。根据模拟和二维粒子图像测速结果，作者认为，在通过减少瓣叶上的局部流动分离来降低压力梯度和剪切应力水平方面，同向旋转涡流发生器是性能最佳的设计。后续的一项工作采用直接数值模拟证实了这些发现，并认为涡流发生器引入的不稳定性会扰乱瓣叶下游的类卡门涡脱落，从而减小湍动能强度并降低剪切应力水平。在zolfaghari等人最近开展的另一项直接数值模拟研究中，通过优化前缘的形状，作者成功抑制了湍流尾流，同时揭示了由机械心脏瓣膜产生的湍流对瓣叶前缘几何形状的敏感性。另一种策略是模仿原生瓣膜形态的相对较新的三瓣叶设计，例如目前由novostiasa开发的triflo瓣膜，以及由hans-hinrich sievers开发的三瓣叶设计。近期研究表明，与包括on-x瓣膜在内的双瓣叶机械心脏瓣膜相比，三瓣叶设计的有效瓣口面积和压力梯度均得到改善，且三瓣叶机械心脏瓣膜产生的剪切应力水平较低。该机制或可由尾流中的剪切层强度降低来解释，从而使外围射流的强度远低于双瓣叶机械心脏瓣膜中的外围射流强度，并使平均速度梯度降低。

背景技术：

1、如前所述，现有技术中已知若干心脏瓣膜设计概念。

2、一种已开发的心脏瓣膜设计见于us8834911b，其中公开了具有同向旋转或反向旋转布局的涡流发生器。该文献记载，压力恢复速度更快，且尾流区域的湍流较少。

3、三瓣叶瓣膜属于另一类机械瓣膜设计，其在抗血栓形成性能方面显示出潜力。不同的专利，例如us9775708b2、us10182907b2、us20210212814a1、us2021021815a1、us20210212821a1、us10478288b2和us20040249452a1，描述了此类心脏瓣膜的一般概念。这些专利中的设计类似于具有三个瓣叶的原生主动脉瓣，并且其中提到此类设计会产生更具生理特征的流动。

4、现有技术us20210346157a1（段落57-59，图5、8）中讨论的边缘轮廓主要旨在模仿原生心脏瓣膜形态，而未明确强调其对血流动力学性能的影响。相比之下，本发明限定了一种具有波形轮廓和正弦型函数的锯齿状边缘轮廓，其专门针对降低湍动能、剪切应力和血栓形成潜势进行了优化。现有技术（us20210346157a1）未包括针对其边缘轮廓的任何基于数值或实验的流动优化。本发明明确通过先进的数值分析和实验分析推导出其锯齿状轮廓，以实现生理性流动特征。现有技术旨在用于以组织为基础的心脏瓣膜，而本技术明确将其设计扩展至机械心脏瓣膜，并且还可能应用于生物假体瓣膜。

5、现有技术us2021059819a1（段落154-205，图1-11）主张可动边缘具有非直线轮廓，但其意图是使可动边缘彼此配合，以打开或关闭血流通道（段落0156）。突出的边缘增大接触面积并确保密封性能（段落0159）。现有技术中固定边缘的近似抛物线形状仅出于对合方面的考虑。现有技术中的任何权利要求均不涉及能够改善该装置的血流动力学性能的经计算得出的特征，这使得我们的权利要求具有独特性和创新性。

6、发明目的

7、本发明的目的是为不同的心脏瓣膜提供一种抗血栓形成性能得到进一步改善的新设计，该设计优选可应用于心脏的主动脉瓣位、二尖瓣位和肺动脉瓣位的机械装置和生物装置。

技术实现思路

1、该目的通过具有权利要求1所述特征的假体心脏瓣膜来实现。

2、本发明的假体心脏瓣膜，尤其是机械心脏瓣膜，适于采用针对血流进行流动优化的设计。

3、所述机械心脏瓣膜可优选设置为其部分或全部部件由塑料材料和/或金属材料和/或合成材料通过诸如注射成型和/或机械加工和/或微铣削和/或3d打印等制造方式制成。

4、本发明的心脏瓣膜包括环形基体和相对于所述基体可动布置的至少一个瓣叶。所述心脏瓣膜具有开启状态和闭合状态。

5、根据本发明，所述瓣叶具有至少一个锯齿状边缘轮廓。所述边缘轮廓可以仅在所述瓣叶的边缘的部分长度上延伸，或在所述边缘的整个长度上延伸，所述边缘优选呈弧形。

6、对于相同的血流，与非锯齿状边缘轮廓相比，所述锯齿状边缘轮廓提供优化的流动剖面。

7、其他实施例由从属权利要求限定。

8、根据优选实施例，所述锯齿状边缘轮廓包括波形轮廓，所述波形轮廓具有由多个波峰和波谷构成的序列。波形比其他锯齿状形式（例如齿形等）产生更少的湍流。

9、更优选地，所述波形轮廓由正弦型波的组合形成，所述正弦型波优选在所述瓣叶的同一平面内延伸，并且所述组合更优选形成为具有不同振幅的正弦型波的线性组合。波的形状和周期可实现进一步的流动优化。

10、在一个优选实施例中，所述下游后缘可优选根据方程进行设计，其中，和是描述所述边缘形状的空间坐标，是所述瓣叶的半径，sin()和cos()是正弦型函数，与所述波的振幅成比例，并且与所述波的数量成比例。

11、流动优化的全部益处优选可通过基于数值分析和/或实验分析调整所述方程的参数来实现。

12、所述心脏瓣膜可设计为外科心脏瓣膜，例如机械心脏瓣膜。所述瓣叶优选可围绕枢转轴线枢转地布置，并且所述基体具有与所述边缘轮廓相对应的内壁。对于所述心脏瓣膜的总体结构构思而言，这可实现优选的紧密闭合。

13、优选地，所述心脏瓣膜的所有瓣叶均可具有所述锯齿状边缘区段，其中，所述心脏瓣膜优选设计为单瓣叶、双瓣叶或三瓣叶心脏瓣膜，以进一步优化流动。

14、优选且有利的是，锯齿状边缘轮廓是开启状态下所述心脏瓣膜的瓣叶的下游后缘侧的一部分，并且所述锯齿状边缘轮廓优选为弧状边缘的一部分。

15、如果所述心脏瓣膜具有第二边缘，且所述第二边缘位于开启状态下所述心脏瓣膜的瓣叶的上游前缘侧，则可实现甚至更好的流动条件，其中，所述第二边缘具有锯齿状（尤其是波形）和/或倒角的边缘轮廓。

16、所述边缘位于所述瓣叶的流动阴影区中，并且其对血流的影响小于上述弧状边缘。然而，所述第二边缘的锯齿结构可能不太有利于所述心脏瓣膜的紧密闭合。

17、所述第一边缘和/或所述第二边缘的边缘区段至少部分为直线形或渐缩，优选以圆弧或倒角过渡的方式渐缩至一个端部区段，其中，所述端部区段更优选沿所述边缘轮廓的整个长度突出。这是流动剖面优化与所述心脏瓣膜紧密闭合之间的良好折衷。

18、在本发明的一个优选实施例中，所述壁具有构成所述内壁表面的一部分的肋，所述肋优选呈直线延伸，并且还优选沿所述环形基体的纵向轴线朝向中心逐渐增厚。

19、在第二替代实施例中，所述壁可具有构成所述内壁表面的一部分的肋，所述肋呈弧形或螺旋形延伸，并且所述肋与所述环形基体的纵向轴线之间的角度（α）优选为0°至45°，更优选为1°至40°。这有助于血流在从心脏左心室流出时发生旋转。

20、所述壁可优选具有所述肋，所述肋的数量可优选为大于2的任意整数，并且所述肋延伸设置成彼此间距相同或不同且相对于所述瓣叶的中平面对称，这有利于进一步优化血流。

21、为了实现更适应人体的设计，本发明的心脏瓣膜可设置为生物心脏瓣膜，例如外科组织瓣膜或经导管组织瓣膜，并且优选具有三个瓣叶。

22、如果所述心脏瓣膜设置为生物假体心脏瓣膜，则可实现更高的相容性，其中，所述一个或多个瓣叶由有机材料形成，尤其由有机组织材料形成。

23、为了辅助缝合，至少组织瓣膜的圆柱形基体可由无机材料制成。

24、在一个优选实施例中，至少所述环形基体由有机材料或无机材料和/或织物制成。在一个更优选的实施例中，至少所述环形基体和/或所述瓣叶由钛和/或钛合金制成。甚至更优选地，所述钛或钛合金可部分地或优选完全地涂覆有碳涂层和/或防腐蚀涂层。