主动脉瓣

主动脉瓣被认为是研究最深入的瓣膜，因为早在列奥纳多·达·芬奇（1513年）和瓦尔萨尔瓦（1740年）就对其进行了描述，尤其是在20世纪下半叶，这种描述屡见不鲜。与此同时，过去的研究主要以描述性为主，或较少进行比较性研究。从J·齐默尔曼（1969年）的著作开始，作者提出“瓣膜功能是其结构的延续”，大多数研究开始关注形态功能。这种通过研究主动脉瓣结构来研究其功能的方法，在一定程度上是由于直接研究主动脉瓣整体生物力学存在方法论上的困难。功能解剖学研究使得确定主动脉瓣的形态功能边界、澄清术语以及更深入地研究其功能成为可能。

由于这些研究，广义上的主动脉瓣开始被认为是与主动脉和左心室相关的单一解剖和功能结构。

按照现代概念，主动脉瓣是一个漏斗状或圆柱状的容积结构，由三个窦、三个亨利氏尖瓣三角、三个半月瓣和一个纤维环组成，其近端和远端边界分别是心室-主动脉连接处和窦管连接处。

“瓣膜-主动脉复合体”这一术语不太常用。狭义上，主动脉瓣有时被理解为由三个瓣叶、三个瓣膜连合处和一个纤维环组成的锁定元件。

从一般力学的角度来看，主动脉瓣膜被认为是一个复合结构，由坚固的纤维（动力）框架和置于其上的相对较薄的壳单元（窦壁和瓣尖）组成。该框架的变形和运动是在附着于其上的壳单元产生的内力作用下发生的。反过来，框架又决定了壳单元的变形和运动。框架主要由紧密堆积的胶原纤维构成。主动脉瓣膜的这种设计决定了其功能的持久性。

瓦尔萨尔瓦窦是主动脉起始段的扩张部分，近端受相应纤维环节段和瓣叶的限制，远端受窦管连接处的限制。窦根据其分离的冠状动脉命名：右冠状动脉、左冠状动脉和非冠状动脉。窦壁比主动脉壁薄，仅由内膜和中膜组成，并略微因胶原纤维而增厚。在这种情况下，窦壁中的弹性纤维数量减少，胶原纤维从窦管到心室主动脉连接处的方向增加。致密的胶原纤维主要位于窦的外表面，并沿圆周方向排列，在连合下间隙，它们参与形成支撑瓣膜形状的瓣叶间三角形。窦的主要作用是在舒张期重新分配瓣叶和窦之间的张力，并在收缩期建立瓣叶的平衡位置。窦的底部被瓣叶间三角形分隔。

构成主动脉瓣的纤维框架是一个单一的空间结构，由主动脉根部的强韧纤维成分、瓣膜基部的纤维环、连合杆（柱）和窦管连接处组成。窦管连接处（拱形环或拱形脊）是窦和升主动脉之间的波浪形解剖连接。

心室-主动脉连接处（瓣底环）是左心室出口与主动脉之间的圆形解剖连接，主动脉为纤维肌性结构。在国外外科文献中，心室-主动脉连接处通常被称为“主动脉环”。心室-主动脉连接处平均由左心室动脉圆锥的45-47%心肌构成。

连合是相邻瓣叶与其周围近端边缘在主动脉根部远端内表面上的连接线（接触线），其远端位于窦管连接处。连合杆（柱）是连合在主动脉根部内表面上的固定部位。连合柱是纤维环三个节段的远端延伸。

亨利氏尖瓣三角是主动脉根部的纤维或纤维肌肉组成部分，位于纤维环相邻节段与其各自瓣叶之间的连线近端。从解剖学角度来看，尖瓣三角是主动脉的一部分，但从功能上讲，它们提供左心室的流出道，并且受心室而非主动脉血流动力学的影响。尖瓣三角通过允许窦体相对独立地发挥功能、将它们连接起来以及维持主动脉根部均匀的几何形状，在瓣膜的生物力学功能中发挥着重要作用。如果尖瓣三角较小或不对称，就会形成狭窄的纤维环或瓣膜扭曲，随后导致瓣叶功能障碍。这种情况可见于二尖瓣主动脉瓣。

瓣叶是瓣膜的锁定元件，其近端边缘从纤维环的半月形部分延伸，纤维环是一种致密的胶原结构。瓣叶由瓣体（主要受力部分）、对合（闭合）面和基部组成。闭合状态下相邻瓣叶的游离缘形成一个对合区，从瓣合点延伸至瓣叶中心。瓣叶对合区增厚的三角形中心部分称为阿兰齐结节。

构成主动脉瓣的瓣叶由三层（主动脉层、心室层和海绵层）组成，外侧覆盖着一层薄薄的内皮层。面向主动脉的那一层（纤维层）主要包含沿周向排列的束状和丝状胶原纤维，以及少量弹性纤维。在瓣叶游离缘的接合区，该层以独立束的形式存在。该区域的胶原束“悬挂”在连合柱之间，与主动脉壁呈约125°角。在瓣叶体部，这些束以约45°角与半椭圆形的纤维环分离，并终止于纤维环的另一侧。这种“动力”束和瓣叶边缘以“悬索桥”形式排列的方向旨在将舒张期的压力负荷从瓣叶转移到窦和形成主动脉瓣的纤维框架。

在无负荷瓣膜中，纤维束处于收缩状态，呈波浪线状，沿周向排列，彼此间距约 1 毫米。构成纤维束的胶原纤维在松弛瓣膜中也呈波浪状，波浪周期约为 20 微米。施加负荷时，这些波浪会伸直，使组织伸展。完全伸直的纤维则无法伸展。在瓣膜轻微负荷下，胶原束的褶皱很容易伸直。这些纤维束在负荷状态下和透射光下清晰可见。

利用功能解剖学方法研究了主动脉根部各成分几何比例的恒定性。具体而言，研究发现窦管连接处与瓣基部的直径比恒定，为0.8-0.9。这对于中青年个体的瓣膜-主动脉复合体而言是正确的。

随着年龄增长，主动脉壁结构会发生质性破坏，同时弹性会降低，并出现钙化。这一方面导致主动脉壁逐渐扩张，另一方面也导致弹性降低。50-60岁以上的患者，主动脉瓣的几何比例会发生变化，延展性会下降，同时瓣叶开口面积也会减小，瓣膜整体功能也会下降。在主动脉瓣植入无框架生物替代物时，应考虑患者主动脉根部与年龄相关的解剖和功能特征。

20 世纪 60 年代末，人们进行了诸如人类和哺乳动物主动脉瓣的结构比较。这些研究表明，与其他异种主动脉根部相比，猪和人瓣膜的许多解剖参数相似。具体而言，结果表明，人瓣膜的无冠状窦和左冠状窦分别是最大的和最小的。同时，猪瓣膜的右冠状窦最大，无冠状窦最小。同时，首次描述了猪和人主动脉瓣右冠状窦解剖结构的差异。随着重建整形外科和无框架生物瓣膜置换术的发展，近年来主动脉瓣的解剖学研究得以恢复。

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人主动脉瓣和猪主动脉瓣

对人类主动脉瓣与可作为潜在异种移植材料的猪主动脉瓣的结构进行了比较研究。结果表明，异种瓣膜的轮廓相对较低，并且由于其非冠状窦较小，大多数情况下（80%）不对称。人类主动脉瓣的中度不对称是由于其左冠状窦较小，且不太明显。

猪主动脉瓣与人类主动脉瓣不同，它没有纤维环，其窦状结构也不直接与瓣叶基部接壤。由于猪瓣膜没有真正的纤维环，因此猪瓣叶的半月形基部直接与瓣膜基部相连。异种窦状结构和瓣叶的基部与瓣膜基部的纤维和/或纤维肌肉部分相连。例如，猪瓣膜的非冠状瓣叶和左冠状瓣叶以分支瓣叶（纤维瓣和瓣膜小室）的形式与瓣膜的纤维基部相连。换句话说，构成猪主动脉瓣的瓣叶并不像同种异体主动脉根部那样直接与窦状结构相邻。它们之间是瓣膜基底的远端，在纵向（沿瓣膜轴线）上，左冠状窦和非冠状窦最近点的水平，其平均长度为4.6±2.2毫米，右冠状窦最近点的水平，其平均长度为8.1±2.8毫米。这是猪瓣膜与人瓣膜之间一个重要且显著的区别。

猪主动脉根部左心室主动脉锥沿主动脉轴线的肌肉性插入比同种异体主动脉根部明显得多。在猪瓣膜中，这种插入构成了右冠状动脉瓣叶及其同名窦的基底部，并在较小程度上构成了左冠状动脉瓣叶和非冠状动脉瓣叶相邻节段的基底部。在同种异体瓣膜中，这种插入主要仅为右冠状窦基底部提供支撑，在较小程度上也为左冠状窦基底部提供支撑。

在功能解剖学中，经常会用到根据主动脉内压对主动脉瓣各个部分的尺寸和几何比例进行分析。为此，研究人员会用各种硬化物质（橡胶、石蜡、硅橡胶、塑料等）填充主动脉根部，并在不同压力下通过化学或低温方法进行结构稳定。之后，研究人员会使用形态测量法对所得铸型或结构化主动脉根部进行研究。这种研究主动脉瓣的方法有助于建立其功能的某些模式。

体外和体内实验表明，主动脉根部是一个动态结构，其大部分几何参数在心动周期中会根据主动脉和左心室的压力而变化。其他研究表明，主动脉瓣的功能很大程度上取决于主动脉根部的弹性和扩张性。窦内血液的涡旋运动在主动脉瓣的开合中起着重要作用。

在利用高速电影血管摄影、电影摄影和电影放射摄影进行动物实验以及利用电影心血管摄影在健康个体中研究了主动脉瓣几何参数的动态。这些研究使我们能够相当准确地评估主动脉根部许多元素的动态，并且仅暂时估计心动周期中瓣膜形状和轮廓的动态。具体而言，结果表明窦管连接处的收缩-舒张扩张为 16-17%，并且与动脉压密切相关。窦管连接处的直径在左心室收缩压达到峰值时达到最大值，从而由于连合向外发散而促进瓣膜打开，然后在瓣膜关闭后减小。窦管连接处的直径在左心室等容舒张期末达到最小值，并在舒张期开始增大。由于连合柱和窦管连接处的柔韧性，在瓣叶闭合后，当逆向跨瓣压力梯度快速上升时，它们参与瓣叶最大应力的分布。目前已建立了数学模型来解释瓣叶在开闭过程中的运动。然而，数学建模所得数据与实验数据存在很大差异。

主动脉瓣基部的动态变化影响瓣叶或植入的无框架生物瓣的正常工作。结果表明，瓣基部（狗和羊）的周长在收缩初期达到最大值，在收缩期减小，在收缩末期最小。在舒张期，瓣膜周长增加。由于心室主动脉连接处肌肉部分（左右冠状窦之间的尖角三角以及左右冠状窦的基部）的收缩，主动脉瓣基部的尺寸也能够发生周期性的不对称变化。此外，还揭示了主动脉根部的剪切和扭转变形。扭转变形最大的部位是无冠状窦和左冠状窦之间的连合柱区域，扭转变形最小的部位是无冠状窦和右冠状窦之间的连合柱区域。植入具有半刚性基底的无框架生物假体可改变主动脉根部对扭转变形的顺应性，这将导致扭转变形转移到复合主动脉根部的窦管连接处并形成生物假体瓣叶的扭曲。

采用经食管超声心动图检查，结合计算机处理视频图像（最高可达每秒120帧），对年轻个体（平均21.6岁）主动脉瓣的正常生物力学进行了研究，并分析了主动脉瓣膜元件几何特征随心动周期时间和相位变化的动态变化。结果表明，在收缩期，瓣膜开口面积、瓣叶与瓣基部的径向夹角、瓣基部直径以及瓣叶径向长度均发生显著变化。窦管连接处直径、瓣叶游离缘周长以及窦部高度变化幅度较小。

因此，瓣叶的径向长度在心室内压力等容下降的舒张期最大，在射血减少的收缩期最小。瓣叶的径向收缩-舒张拉伸平均为 63.2±1.3%。在舒张压梯度高的舒张期，瓣叶较长；在收缩压梯度接近于零的舒张期，瓣叶在血流减少期较短。瓣叶和窦管连接处的周向收缩-舒张拉伸分别为 32.0±2.0% 和 14.1±1.4%。瓣叶相对于瓣基部的径向倾斜角平均从舒张期的 22° 变为收缩期的 93°。

主动脉瓣的瓣叶收缩运动通常分为五个时期：

1. 准备期发生在心室内压力等容增加阶段；瓣膜变直，在径向略微缩短，接合区宽度减小，角度平均增加，从22°增加到60°；
2. 瓣膜快速打开的持续时间为20-25毫秒；随着血液排出的开始，在瓣膜基部形成一反转波，该反转波沿径向迅速扩散至瓣体并进一步扩散至瓣膜自由缘；
3. 瓣膜开口的峰值出现在最大排出的第一阶段；在此期间，瓣膜的自由边缘最大程度地向窦部弯曲，瓣膜开口的形状接近圆形，并且从轮廓上看，瓣膜的形状类似于截头倒置圆锥体的形状；
4. 最大排出量第二阶段为瓣膜打开相对稳定的时期，瓣膜自由缘沿流轴伸直，瓣膜呈圆柱体形状，随后瓣膜逐渐关闭，此阶段结束时，瓣膜开口形状变为三角形；
5. 瓣膜快速关闭期与射血减少期相吻合，在瓣叶基底部形成反流波，将收缩的瓣叶沿径向拉伸，导致瓣叶首先沿对合区心室缘关闭，然后瓣叶完全关闭。

主动脉根部结构的最大变形发生在瓣膜快速开闭期间。由于主动脉瓣瓣叶形状的快速变化，瓣叶中可能产生高应力，从而导致组织发生退行性改变。

瓣膜打开和关闭的机制分别形成反转和反转波，以及在心室内压力等容增加阶段瓣膜向瓣膜底部倾斜的径向角度的增加，可以归因于主动脉根部的阻尼机制，从而减少了瓣膜的变形和应力。