基于CT成像的冠狀動(dòng)脈狹窄血流動(dòng)力學(xué)分析

摘要：目的 基于心血管患者的冠狀動(dòng)脈血管模型，通過(guò)計(jì)算和分析血管內(nèi)血液流動(dòng)的各個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，研究冠狀動(dòng)脈狹窄對(duì)心血管疾病的影響。方法 基于心血管患者冠狀動(dòng)脈造影的CT圖像，用Mimics軟件對(duì)左冠狀動(dòng)脈及其主要分支進(jìn)行三維重建；利用有限元方法，對(duì)冠狀動(dòng)脈模型進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算。假設(shè)血管壁不發(fā)生變形，血液為不可壓縮牛頓流體，在非定常速度進(jìn)口的條件下計(jì)算各血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果 冠狀動(dòng)脈狹窄（75%面積狹窄）對(duì)下游的壁面剪切力和振蕩剪切指數(shù)影響較大，并且會(huì)導(dǎo)致渦流和二次流的產(chǎn)生；在模型中裝上血管支架，使得血管狹窄消失之后，渦流和二次流基本消失，而且振蕩剪切指數(shù)明顯變小。結(jié)論 冠狀動(dòng)脈狹窄對(duì)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)有重大影響，可能是引起動(dòng)脈粥樣硬化的原因；通過(guò)CT圖像重建方法，可以診斷狹窄發(fā)生的地點(diǎn)以及嚴(yán)重性，對(duì)心血管疾病的治療有一定的輔助作用。

關(guān)鍵詞：動(dòng)脈粥樣硬化；冠狀動(dòng)脈狹窄；三維重建；CT；血流動(dòng)力學(xué)

動(dòng)脈粥樣硬化是嚴(yán)重影響人類健康的心血管疾病。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，由動(dòng)脈粥樣硬化導(dǎo)致的心腦血管疾病是造成死亡的首要原因[1]。隨著生活方式和飲食習(xí)慣發(fā)生改變，該病也逐漸成為中國(guó)居民死亡的主要原因[2]。冠狀動(dòng)脈狹窄（尤其是面積狹窄在75%以上的狹窄）會(huì)導(dǎo)致心肌供血不足，進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化等各種心血管疾病，對(duì)臨床診斷有重要意義[3-5]。冠脈支架植入技術(shù)是介入性治療心臟病的一種新方法，能將血管狹窄區(qū)有效撐開(kāi)，創(chuàng)傷小而且效果好，能大幅度降低心梗死亡率[6]。本文基于心血管患者的CT造影，利用三維圖像重建和有限元分析的方法，研究了冠狀動(dòng)脈狹窄對(duì)下游的各流體力學(xué)參數(shù)的影響，以及裝上支架以后各參數(shù)和血液流動(dòng)的變化情況，為心血管疾病的診斷和血管支架的應(yīng)用提供了一種理論方法。

1資料與方法

圖3為患者左冠狀動(dòng)脈的平均壁面剪切力，可以看出，在LAD主干的兩處狹窄處，TAWSS有一定的升高，而在狹窄下游，TAWSS要明顯降低，這種剪切力的急劇變化，有可能會(huì)形成血管斑塊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成斑塊破裂。而在LCx的第1、2級(jí)分支，LAD的第2級(jí)分支處都有狹窄，而三處的TAWSS都非常高，說(shuō)明這三處的病變相當(dāng)嚴(yán)重。相對(duì)應(yīng)的，圖4為患者左冠狀動(dòng)脈的振蕩剪切指數(shù)，可以看出，在LAD主干的兩處狹窄處，OSI都有一定的升高區(qū)域，說(shuō)明在該區(qū)域中，血管有明顯的病變發(fā)生。而在三處分支狹窄的地方，OSI都有一定的高數(shù)值區(qū)域，同樣對(duì)應(yīng)著病變的發(fā)生。圖5為患者LAD主干兩處狹窄附近的流線。可以看出，在第一個(gè)狹窄下游，出現(xiàn)了回流和渦流，在第二個(gè)狹窄下游，出現(xiàn)了二次流。在血管中出現(xiàn)的回流、渦流、二次流往往會(huì)導(dǎo)致局部流動(dòng)紊亂，并對(duì)動(dòng)脈壁產(chǎn)生極大的影響，可能會(huì)導(dǎo)致心肌供血不足以及動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生。

冠狀動(dòng)脈主干處的狹窄往往影響巨大，因此我們需要對(duì)狹窄進(jìn)行治療。一般來(lái)說(shuō)有藥物治療、外科手術(shù)和介入性治療三大類。其中，介入性治療（冠脈支架植入）因其創(chuàng)傷小、見(jiàn)效快，成為目前治療心血管狹窄的重要方法。下面，我們討論對(duì)患者主干處狹窄進(jìn)行支架植入之后，血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化情況。

2.2血管支架植入后血流的變化，見(jiàn)圖6～圖8。

裝完血管支架后，我們可以看出，LAD主干處的兩處狹窄被撐開(kāi)（圖5、6），血管恢復(fù)成應(yīng)有的寬度（內(nèi)徑）。對(duì)比圖6和圖3，我們發(fā)現(xiàn)原狹窄處的高剪切力區(qū)域消失，剪切力在局部區(qū)域急劇變化的現(xiàn)象已經(jīng)消失，說(shuō)明患者動(dòng)脈壁受到的損害得到了控制。同樣的，對(duì)比圖7和圖4，原狹窄處的高OSI分布區(qū)域已經(jīng)完全消失，說(shuō)明患者動(dòng)脈壁上受到的剪切力脈動(dòng)刺激已經(jīng)降到了比較低。而圖8中的流線也變得十分規(guī)律，回流、渦流和二次流基本消失了，不會(huì)再引起心肌供血不足。

3討論

從以上結(jié)果中可以看出，冠狀動(dòng)脈主干處的狹窄對(duì)血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響十分明顯。狹窄會(huì)導(dǎo)致壁面剪切力的升高以及局部剪切力急劇變化，會(huì)導(dǎo)致局部振蕩剪切指數(shù)的急劇升高，會(huì)導(dǎo)致狹窄下游處的回流、渦流以及二次流的產(chǎn)生。因此，我們?cè)趯?duì)心血管疾病患者進(jìn)行診斷時(shí)，可以通過(guò)CT造影和三維重建，判斷該患者冠狀動(dòng)脈狹窄的具體位置和狹窄程度，并通過(guò)有限元分析，計(jì)算該患者的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以判斷該患者血管受狹窄的影響程度大小，以及血管的哪一個(gè)具體位置可能會(huì)發(fā)生病變。而關(guān)于支架的研究表明，血管支架可以明顯改善心血管病患者狹窄處附近的血液流動(dòng)情況。該研究的意義還在于，我們可以通過(guò)模擬安裝支架的方法，計(jì)算出安裝方位、支架大小等對(duì)患者病情的影響，以便對(duì)介入性治療進(jìn)行一定的理論指導(dǎo)。

由于心臟收縮和舒張會(huì)導(dǎo)致血管壁的收縮和舒張，我們這里的剛性壁面條件就不再適用，而需要采取更加真實(shí)的動(dòng)壁面條件。因此我們下一步的工作，應(yīng)該考慮到心臟舒縮導(dǎo)致的血管壁移動(dòng)，進(jìn)行更加細(xì)致的分析，為進(jìn)一步研究冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的機(jī)理提供理論依據(jù)。

4結(jié)論

本文基于心血管患者的CT造影，利用三維圖像重建和有限元分析的方法，研究了冠狀動(dòng)脈狹窄對(duì)下游的各流體力學(xué)參數(shù)的影響，以及裝上支架以后各參數(shù)和血液流動(dòng)的變化情況。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冠狀動(dòng)脈狹窄對(duì)下游的壁面剪切力和振蕩剪切指數(shù)影響較大，并且會(huì)導(dǎo)致渦流和二次流的產(chǎn)生；在模型中裝上血管支架，使得血管狹窄消失之后，渦流和二次流基本消失，而且振蕩剪切指數(shù)明顯變小。CT造影和有限元分析結(jié)合的方法，為研究動(dòng)脈粥樣硬化的機(jī)理提供了一種理論方法，為診斷、治療血管狹窄提供了一定的技術(shù)支持。

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編輯/申磊