建立及評價適于血流儲備分數CT成像模擬的小型豬慢性冠狀動脈狹窄模型

馬 躍，侯 陽*，李東玉，劉興利，喬愛科，侯映映，王玉科，郭啟勇>

(1.中國醫科大學附屬盛京醫院放射科，2.心臟外科，3.第3心血管內科，遼寧 沈陽 110004；4.北京工業大學生命科學與生物工程學院，北京 100124；5.遼寧省人民醫院放射科，遼寧 沈陽 110016)

研究[1-5]顯示，血流儲備分數CT成像(fractional flow reserve derived from coronary computed tomography angiography， FFRCT)可實現對冠狀動脈解剖學狹窄及功能性缺血的一站式評估。建立可用于FFRCT模擬研究的慢性冠狀動脈狹窄動物模型,對于明確不同狹窄時血流動力學變化及模擬靶血管兩端邊界條件的設置具有重要意義。本研究擬采用Ameroid縮窄環制備慢性冠狀動脈狹窄模型，并通過冠狀動脈CTA監測狹窄進展，探討制備適合用于FFRCT動物模型的可行性。

1 材料與方法

1.1 研究對象 健康巴馬小型豬16頭，雌雄不限，體質量22～30 kg，平均(25.1±2.5)kg，由我院實驗動物中心提供。Ameroid 縮窄環直徑2.5 mm，外環為硬塑料。本實驗經我院醫學倫理委員會審核通過(2013PS96K)。

1.2 模型建立 將實驗豬保定于手術臺，經藥物誘導麻醉后，以氣管插管、呼吸機輔助呼吸及異氟烷吸入維持麻醉；開胸后，游離冠狀動脈左前降支(left anterior descending artery， LAD)近段或中段約0.5～1.5 cm(避開第1對角支)后植入Ameroid環，調整環的位置使其位于左心耳和肺動脈間溝；確認無活動出血后關胸、正常飼養。模型建立后第2周對模型動物進行冠狀動脈CTA，如管徑狹窄(diameter stenosis， DS)<25%則監測時間間隔為1周，如25%≤DS<50%則監測時間間隔為3天，直至DS超過50%。最后1次冠狀動脈CTA當日進行超聲檢查，2日內進行冠狀動脈造影及血流儲備分數(fractional flow reserve， FFR)測定。

1.3 影像學檢查

1.3.1 冠狀動脈CTA 采用Philips Brilliance 256 iCT，回顧性心電門控掃描。以高壓注射器經耳緣靜脈注射對比劑(碘海醇 350mgI/ml)35 ml，速率3 ml/s，跟注生理鹽水15 ml沖管。管電壓100 kV，管電流200～600 mAs，準直128×0.625 mm、重建層厚0.9 mm，采用自動閾值觸發掃描。ROI置于升主動脈。30%～80% R-R間期10%為間隔重建，選取圖像質量最佳時相進行分析，觀察Ameroid環位置和冠狀動脈狹窄程度。

圖像質量及冠狀動脈狹窄程度由2名工作經驗豐富的醫師采用盲法獨立評價，意見不統一時協商解決。冠脈CTA圖像質量以4分法評定[6]：1分，無偽影；2分，少許偽影；3分，基本滿足診斷要求；4分，無法評價。冠狀動脈狹窄程度采用目測法分為5級[7]：輕微狹窄(DS<25%)、輕度狹窄(25%≤DS<50%)、中度狹窄(50%≤DS<70%)、重度狹窄(70%≤DS<99%)及次全-完全閉塞(DS為99%～100%)。

基于冠狀動脈CTA圖建立計算流體力學模型并計算FFRCT值(由北京工業大學生物醫學工程實驗室完成)，步驟見圖1。原始CTA數據經Mimics、Geomagic、SolidWorks處理后，采用ANSYS Workbench進行有限元網格劃分，輸入端施加冠狀動脈入口流速波形，出口端施加壓力波形，心動周期按實際測量值確定。采用ANSYS提供的CFD求解器進行迭代計算，經后處理，獲得可視化壓力云圖，對FFRCT值進行計算。模擬FFRCT=最大充血態全心動周期狹窄遠端平均壓(Pd)/全期主動脈根部平均壓力(Pa)。

1.3.2 冠狀動脈血管造影 采用Siemens Axiom Aritis DTA心血管造影數字減影機。5F導管手動注入威視派克270 mgI/ml，10 ml，行左冠狀動脈造影，冠狀動脈狹窄評定程度同冠狀動脈CTA。冠狀動脈造影后，采用微量泵通過耳緣靜脈注射ATP 140 μg/(kg·min)，誘發冠狀動脈最大充血穩態，用導管Volcano S5(Volcano公司)行冠狀動脈FFR測定，5 min后重復測量，取均值。

圖1 基于冠狀動脈CTA圖像建立計算流體力學模型及FFRCT值的計算過程

1.3.3 超聲檢查 采用Philips iU22超聲診斷儀。待實驗豬全身麻醉后取左側臥位，在胸骨旁LAD入口處選取垂直于血管長軸方向測量血流速度波形并保存。

1.4 統計學分析 采用 SPSS 20.0統計分析軟件。FFRCT值與實測FFR值比較采用配對樣本t檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 建模結果 共16頭實驗豬(編號1～16)中，對15頭(編號1～4、6～16)成功將縮窄環放置于LAD近段或中段，對另1頭(編號5)開胸后即發現冠狀動脈變異、未找到LAD。成功放置縮窄環的15頭實驗豬中，1頭(編號1)死于術中心室顫動，2頭(編號2、11)死于術后早期(2周內)狹窄冠狀動脈急性痙攣所致的心肌缺血，1頭(編號6)死于術后早期(2周內)重癥肺炎，1頭(編號7)死于術后第4周冠狀動脈造影檢查時的麻醉意外。其余10頭(編號3、4、8～10、12～16)均成功建模，并存活至完成影像學檢查，成功率為62.50%(10/16)。

2.2 影像學檢查結果 對10頭成功建模實驗豬共完成冠狀動脈CTA檢查24次，圖像質量均達到診斷要

求(1分17次，2分7次)。冠狀動脈CTA顯示，術后第2周LAD均呈輕微狹窄，隨時間延長，狹窄程度逐漸加重，術后第3周9頭實驗豬狹窄>50%，術后第4周其余1頭狹窄>50%。以最后1次CTA檢查與冠狀動脈造影進行對比，兩者的狹窄程度符合率為100%(表1，圖2)。對10頭實驗豬中9頭獲得FFR值，另1頭因完全閉塞導絲未通過閉塞處，FFR值為0(表1)。

2.3 模型血流動力學模擬可靠性驗證 通過計算流體力學方法，對10頭實驗豬均成功建模并獲得FFRCT值(表1，圖2)。FFRCT值為0.65±0.27、實測FFR值為0.59±0.28，差異無統計學意義(t=-1.13，P=0.29)。

表1 實驗豬LAD冠狀動脈CTA及冠狀動脈造影檢查

注：LAD近、中段平均直徑為冠脈CTA圖像中測量實驗豬LAD近段與中段(非環處)的直徑并計算二者的平均值

圖2編號5的動物模型，實驗豬體質量23 kg，術后22天冠狀動脈CTA顯示LAD中段狹窄約80%狹窄(A)，并經冠脈造影檢查證實(B)，FFR實測值為0.62(C)，FFRCT值為0.76(D)，置縮窄環處血管腔變小、壁增厚(E) (箭示LAD中段狹窄)

3 討論

本研究將Ameroid縮窄環置于巴馬小型豬LAD近段或中段，可有效建立適用于FFRCT研究的慢性冠狀動脈狹窄模型，成功率較高。模型的冠狀動脈CTA圖像質量符合診斷及建立血流動力學模型的要求。本研究基于冠狀動脈CTA圖像得出的計算流體力學模擬指標FFRCT值與實測FFR值差異無統計學意義(t=-1.13，P=0.29)，表明模型可靠性好。

參照既往研究[8]，本研究選用小型豬作為建模對象，冠狀動脈CTA圖像質量可滿足定量分析要求。既往[9-12]研究中，通過Ameroid縮窄環建立模型時多選用左回旋支(left circumflex, LCX)，因為小型豬LCX支配的心肌有相對多的側支循環，當其發生狹窄后不易造成猝死，動物存活率較高、存活時間較長，但其缺點是位置較深不易分離，側支循環血管較多，易引起分離時出血及靶血管周圍炎性粘連，且管徑相對較小，不利于影像學觀察。本實驗采用小豬LAD建模，避免了上述缺點，提高了靶血管的CTA圖像質量，且不易形成側支循環，慢性心肌缺血模型更易形成，且小型豬LAD管徑較粗，更適用于冠狀動脈CTA觀察；同時，Ameroid縮窄環外層材料選擇塑料結構，避免CTA圖像中金屬偽影干擾。

祝曙光等[13-14]研究表明，Ameroid縮窄環建立模型時，靶血管通常在4～6周達到重度狹窄甚至閉塞。本研究旨在制作可引起心肌缺血的中、重度狹窄模型，故通過冠狀動脈CTA監測靶血管狹窄進展時，起始時間設定為第2周。同時，為避免靶血管閉塞無法進行FFR測量，根據前次血管狹窄程度為輕微或輕度狹窄，分別設定重復檢查時間間隔為1周或3天；結果表明通過CTA監測90%的靶血管被成功制成中、重度狹窄，其中存在血流動力學障礙血管占66.67%，且90%的成模時間為3周內。本研究還發現，開胸手術操作的輕柔度、術后預防感染及實驗動物的個體差異均可影響靶血管的狹窄程度及速度，其中Ameroid縮窄環與靶血管直徑的匹配度影響較為重要。本研究靶血管均選用直徑為2.5 mm的Ameroid縮窄環，其中1頭實驗豬LAD直徑為2.0 mm，明顯小于縮窄環直徑，其在第4周狹窄程度才>50%；1頭實驗豬靶血管于第3周進展為完全閉塞，可能與其直徑稍大于縮窄環直徑及個體差異有關，還需要進一步大樣本實驗來補充和完善相關數據。

本研究建模成功率較高，與術中無菌操作及術后重視預防感染有關；僅1頭實驗豬于術后13天死于重癥肺炎。有學者推薦[15]建模后連續肌注青霉素(400萬U)3天預防感染。

本研究顯示，模擬指標FFRCT值與造影實測的FFR值差異無統計學意義，進一步驗證了本研究動物模型的冠狀動脈CTA圖像符合血流動力學模擬研究的要求，可用于模擬冠狀動脈病變時血流動力學指標的研究。同時，通過模擬FFRCT值可進一步評價動物模型是否存在心肌缺血，實現對動物模型靶血管的解剖形態學及血流動力學一站式評價，使模型制作更準確、更符合研究需求。

本研究的局限性：①模擬FFRCT時，邊界條件中靶血管入口處流速為超聲實測波型，增加了建模的復雜程度，建模時間較長(約4 h)，有待進一步簡化；②樣本量較少，靶血管的狹窄程度及速度尚不能精確控制，有待進一步增大樣本研究。

總之，Ameroid縮窄環置入巴馬小型豬LAD近段或中段，并通過冠狀動脈CTA監測靶血管狹窄程度及進展，可制備出符合血流儲備分數CT成像研究的慢性冠狀動脈狹窄模型，為進一步分析冠狀動脈不同程度狹窄時血流動力學變化規律及流體力學建模邊界條件的設置奠定基礎。

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