基于冠脈CTA成像乳內動脈-前降支吻合口血流動力學數值模擬＊

黃信生，周萍，喬瑞國，李海濤，顧承雄，楊俊峰

(首都醫科大學附屬北京安貞醫院-北京市心肺血管疾病研究所心臟外科，北京 100029)

臨床上左乳內動脈是冠狀動脈旁路移植術的最佳移植血管，但是人們對左乳內動脈-前降支吻合口部位的血液動力學依然知之甚少，而這些血液動力學參數對吻合口遠期通暢性有重要意義[1-4]。目前，在人體內進行血液流動特性參數的測量存在較大困難，而應用計算流體力學方法(computational fliud dynamics，CFD)可準確得到移植血管內血流動力學特征參數，對了解吻合口狹窄的發病機制及臨床上預防與治療均具有重要意義[1-8]。隨著新型醫學成像設備(如螺旋CT等)的快速發展，血管三維重構技術得以實現，可通過重構冠狀動脈三維血管模型進行血流動力學特性分析[4-8]。因此，本研究采用CFD方法，建立吻合口三維血管模型，進行相關血流動力學參數分析，為研究吻合口的血流動力學機制，以及血流動力學參數變化與臨床的相關性提供實驗依據。

1 資料與方法

1.1 模型的建立 將在北京安貞醫院行冠狀動脈旁路移植術的患者冠脈CTA掃描數據導入到MINICS軟件中進行三維重建，經過閾值分割、布爾運算以及三維圖像分割等步驟獲得搭橋冠狀動脈三維實體模型（圖1）。然后在3D-matic中對實體模型表面進行優化，并輸出STL格式的面網格文件。

圖1 三維實體模型

在有限元劃分軟件ANSYS ICEM中導入STL文件，使用非結構四面體網格進行體網格劃分，在靠近壁面處采用三棱柱邊界層網格以提高計算精度，體網格數共計130882個(圖2a)。邊界層近壁面網格寬0.05mm，其后網格寬度以1.06倍速率增長，共 5 層（圖 2b）。

圖2 a體網格模型

圖2 b邊界層網格

1.2 邊界條件 在ANSYS CFX 17.1中進行搭橋吻合口處血液流動數值模擬。邊界條件如圖3所示：冠狀動脈和移植管均采用入口截面平均脈動速度[7]。入口速度隨時間的變化曲線如圖4所示，心動周期為0.8s。

圖3 邊界條件

數值模擬采用如下假設：血管壁為剛性、無滑移以及無滲透壁面；血液流動為非定常，絕熱的層流，自由流出口；入口速度模型如圖4所示。心動周期T=0.8s，前0.3s為心臟收縮期，0.3-0.8s為心臟舒張期，且血管中始終有血液流動。

圖4 一個心動周期內進口速度

因為生理狀態下的血液屬于一種粘彈性的懸浮介質，是非牛頓流體，因此采用Carreau模型來表達血液的非牛頓特性。資料顯示，Carreau與實驗血流環境十分接近[4-6]。

計算采用有限體積法，數值模擬基于滿足質量守恒定律和動量守恒定律，即連續方程和Navior-Stroke 方程[2，3]。

數值模擬采用商業軟件ANSYS CFX 17.1中完成計算，殘差設定為1X10-5，在計算中每個心動周期為0.8s，并均分為100個時間步(每個時間步為8ms），且滿足時間無關性要求。待血流在血管模型內充分發展2個心動周期，最后選取第3個心動周期的數據進行分析。

2 數值模擬結果

數值模擬結果分為速度場、壓力和壁面切應力。

2.1 吻合口的速度場 圖5為模型中乳內動脈的血液流動速度平均值在一個心動周期內隨時間變化的曲線。無論是收縮期還是舒張期，模型中搭橋管內的血液始終流向冠脈循環，舒張期血液流動速度值明顯大于收縮期，這與冠脈循環中舒張期心臟供血理論一致。由于血管完全阻塞，冠狀動脈與移植管的流量差使得血液快速從移植管中流向冠狀動脈，在縫合前端位置下血管中心區域出現了高速度區域，最大速度可達到1．07m/s，但縫合前端下游出現了低速度區域，最小速度低至0.07m/s。從圖6移植血管速度云圖中可看出，冠狀動脈的徑向速度并不成對稱分布，同一徑向位置有較大的速度差，縫合前端的低速度區域會出現劇烈粒子停滯，局部回流和紊流等現象，并形成了血流停滯區。

圖5 吻合口內血流的心動周期流速圖

圖6 吻合口流速云圖

2.2 壓力分布 如圖7所示為冠狀動脈軸線上壓力的時空分布，顯示了吻合口模型在一個心動周期不同時刻0.2、0.3和0.8s縱向剖面的壓力分布圖，由圖可見，在整個心動周期中，冠狀動脈軸線上的壓力隨入口流量的增減而增減。在冠狀動脈狹窄處，因血液的射流作用，速度較大而壓力較低。同理在縫合區，壓力也有一定的下降。模型中吻合口兩端的壓差比較大，吻合口前端部位的壓力等值線比較密集，說明大部分的壓降主要集中在此處。

圖7 壓力分布云圖

圖8 壓力隨心動周期時間變化曲線圖

2.3 壁面切應力 本研究展示了吻合口模型在一個心動周期內不同時刻0.12和0.24s壁面切應力分布云圖(圖7)。模型中吻合口周圍的壁面切應力分布不均勻，約為0.25～60Pa，壁面切應力隨吻合區入口速度梯度的增減而增減，高壁面切應力主要集中在前端吻合口附近。

圖9 壁面切應力分布云圖

圖10 壁面切應力心動周期內分布云圖

3 討論

目前CFD數值模擬技術在醫學相關研究中已廣泛應用，利用計算流體力學的方法對冠脈旁路移植術的血流動力學進行分析，是目前十分常見而且有效的研究方法[2，3，9，10]。 本研究采用該技術，冠狀動脈吻合口模型提取于冠脈搭橋術后CT圖像，具有個性化的解剖結構，可深刻，更接近于實際情況了解冠狀動脈搭橋縫合區的血液流動情況。本研究發現左乳內動脈-前降支吻合口部位血流動力學參數存在變化、波動，并具有明顯的區域分布特征，且與搭橋手術后再狹窄主要發生在吻合口縫合處存在臨床相關性。

大量研究表明血管再狹窄與血流動力學參數有關[2-5，10-13]。本研究數值模擬結果表明，移植血管吻合口處血液的速度并不成對稱分布，同一徑向位置有較大的速度差，特別是縫合前端的有低速度區域，存在嚴重的渦流及二次流的位置；其次壓力分布圖顯示在一個心動周期0.3s和0.6s時刻縱向剖面的壓力分布，吻合口兩端的壓差比較大，大部分的壓降主要集中在前端吻合口部位，這與吻合口縫合區下游的血管壁內膜增生，導致冠脈旁路移植術后血管再狹窄和手術失敗的臨床問題一致[1-6，11-13]。

血流動力學參數以壁面剪應力、壓力與流速等指標研究較多，它們被認為與冠狀動脈、頸動脈以及周圍大動脈的血管分叉及轉角處等形態學變化明顯處的粥樣硬化形成及狹窄密切相關[12-15]。故獲得冠狀動脈搭橋縫合區的血流動力學特性如血管壁面剪應力、回流、二次流等信息對研究橋血管通暢性的生理和病理機制具有重要意義。在動脈搭橋效果較差位置出現了低壁面剪切應力和高震蕩剪切指數，這些血液動力學參數可用來評定搭橋術吻合口療效的優劣程度[2-5，12-17]。

研究表明計算流體動力學技術在臨床影像血管模型重建上一直有很好的應用，可以準確的模擬復雜血管結構的血流狀態[7－10，16-17]。 一旦確定了縫合區病變的重要血流動力學參數，外科醫生就可以優化吻合口結構來達到最優的血流動力學，保證主動脈流來的血液能順暢地流入移植血管中，減緩近端吻合區的內膜增生和血小板的活化，進而減緩遠端吻合區內膜增生，提高冠狀動脈搭橋術的長期通暢率。吻合區血流動力學的研究將有助于改善動脈搭橋術的臨床成功率。

(感謝：王寧博士，黃斌教授，北京理工大學流體力學系，提供血流動力學分析)

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