迂曲冠狀動脈血流動力學(xué)數(shù)值模擬分析

馮明明 陳曉琴 成志國 陳廣新 郭金興

1.牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，黑龍江牡丹江 157011；2.黑龍江省牡丹江市康安醫(yī)院影像科，黑龍江牡丹江 157011；3.牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院眼一科，黑龍江牡丹江 157011

冠狀動脈迂曲是一種常見的解剖異常。隨著影像技術(shù)的進(jìn)步，其檢出率逐漸增高，越來越多的研究關(guān)注迂曲冠狀動脈與患者臨床癥狀及預(yù)后的關(guān)系，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)冠脈迂曲與頸動脈、股動脈、視網(wǎng)膜動脈迂曲有關(guān)。有學(xué)者認(rèn)為多種因素共同作用導(dǎo)致了血管迂曲的發(fā)生，然而冠狀動脈迂曲的發(fā)病、發(fā)生、發(fā)展機(jī)制至今未完全闡明[1-4]。冠狀動脈形態(tài)學(xué)的異常導(dǎo)致血流動力學(xué)參數(shù)的異常變化，造成冠狀動脈分叉病變，這一點(diǎn)得到廣泛證實(shí)。

計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）是一門近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)三者結(jié)合的對各種流體力學(xué)問題進(jìn)行分析研究的強(qiáng)大交叉科學(xué)。本文通過對患者與正常冠狀動脈的CTA影像數(shù)據(jù)三維重構(gòu)血管模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析冠狀動脈迂曲的血流動力學(xué)參數(shù)的分布特征，為臨床醫(yī)生診治冠狀動脈迂曲提供參借鑒與指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

采集冠狀動脈迂曲及正常冠脈的CTA圖像各1例，由牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院影像科提供。影像檢查設(shè)備為日本東芝Aquilion 64層螺旋CT，檢查數(shù)據(jù)采用 DICOM格式拷貝、存儲。研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審查、批準(zhǔn)，患者簽署知情同意書。

1.2 三維模型構(gòu)建

將冠狀動脈薄層橫斷面數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS軟件（Materialise公司醫(yī)學(xué)版本21.0，比利時），軟件自動生成矢狀位及冠狀位、橫斷位圖像，為了確保左冠狀動脈數(shù)據(jù)集被完整提取，閾值設(shè)置為120～1300 HU，隨后對圖像進(jìn)行3D預(yù)覽，通過蒙片編輯功能截取左冠脈及采用區(qū)域增長功能重建左冠狀動脈近段三維模型。模型以STL格式導(dǎo)出，再將其導(dǎo)入正向工程軟件3-matic，對模型進(jìn)行光滑處理后，裁剪出左冠脈的入口及出口并對模型進(jìn)行質(zhì)量診斷，達(dá)標(biāo)后進(jìn)行保存。由此得到迂曲和正常的冠狀動脈三維模型，見圖1。

圖1 正常與迂曲冠狀動脈三維模型（a為正常冠狀動脈，b為迂曲冠狀動脈）

1.3 有限元網(wǎng)格劃分

通過ANSYS FLUENT MESHING（ANSYS，美國）軟件對上一步的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。流體網(wǎng)格采用多面體六面體核心網(wǎng)格劃分、為保證計(jì)算的精度，對邊界層5層加密。

1.4 邊界條件與計(jì)算設(shè)置

在數(shù)值模擬中作出如下假設(shè)：血管壁為剛性壁；血液定義為不可壓縮的牛頓流體；雷諾數(shù)Re=285，故可將血液流動情況認(rèn)為是層流。基于上述條件，控制方程采用N·S方程。計(jì)算所用的邊界條件：①入口條件為隨時間變化的速度入口，波形曲線如圖2所示；②管壁處設(shè)定為無滑流發(fā)生，血管壁面上的速度為零；③出口設(shè)置為不存在質(zhì)量損失的自由出口。本研究中[6-7]血液黏度μ=4 g /（m·s）、血液密度ρ=1060 kg/m3，血流的數(shù)值模擬采用Fluent（ANSYS，美國）軟件完成。冠狀動脈幾何形態(tài)與出口數(shù)據(jù)見表1，出口阻力值按照壓力公式[阻力系數(shù)×（入口直徑/出口直徑）2.333]計(jì)算獲得。

表1 冠狀動脈幾何形態(tài)與出口阻力

2 結(jié)果

通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到三種血流動力學(xué)數(shù)據(jù)：時間平均壁面剪切應(yīng)力（time averaged wall shear stress，TAWSS）、時間平均壁面剪切應(yīng)力梯度（averaged wall shear stress grade，TAWSSG）、橫向壁面剪切應(yīng)力（transverse wall shear stress，TransWSS）。

2.1 TAWSS分布

WSS是血管內(nèi)膜所受到的切向作用力，而TAWSS則是在一個心動周期內(nèi)的WSS平均值。有研究發(fā)現(xiàn)過小的WSS可能引起內(nèi)皮細(xì)胞的炎性反應(yīng)和血小板的沉積，而過大的WSS則可能誘導(dǎo)血小板激活，從而損傷動脈壁[8]。在正常冠脈的近入口處、血管分叉處時間平均壁面剪切應(yīng)力稍高；而冠狀動脈迂曲模型的血管分叉處時間平均壁面剪切應(yīng)力未見明顯異常，左前降支即迂曲血管，可見時間平均壁面剪切應(yīng)力節(jié)段性升高，見圖3。

圖3 TAWSS分布云圖（a為迂曲冠狀動脈，b為正常冠狀動脈）

2.2 TAWSSG分布

TAWSSG是WSSG的平均時間值，能更好地觀測WSS數(shù)值的變化，正常冠脈近入口處及血管分叉處的時間平均壁面剪切應(yīng)力梯度稍高且數(shù)值相差不大；冠狀動脈迂曲模型的左前降支起始處時間平均壁面剪切應(yīng)力梯度最高，其余血管轉(zhuǎn)折處也有較高的時間平均壁面剪切應(yīng)力，而左回旋支及中間支數(shù)值較低，未見異常，見圖4。

圖4 TAWSSG分布云圖（a為迂曲冠狀動脈，b為正常冠狀動脈）

2.3 TransWSS分布

TransWSS，即不同方向的壁切應(yīng)力，但其本身并不能完全表征WSS的模式[9]，正常冠狀動脈模型的近入口處、血管分叉處及一側(cè)出口橫向壁面剪切應(yīng)力稍高，其余部分?jǐn)?shù)值較低大致相同。而冠脈迂曲處的橫向壁面剪切應(yīng)力數(shù)值整體偏高，見圖5。

圖5 TransWSS分布云圖（a為迂曲冠狀動脈，b為正常冠狀動脈）

3 討論

冠狀動脈迂曲的具體定義國外各個文獻(xiàn)尚有一定差異，但均是通過血管走形迂曲的數(shù)量和迂曲段與主支走行方向的夾角作為該解剖變異的評定標(biāo)準(zhǔn)[10]。根據(jù)冠狀動脈的主干如左前降支、左旋支、右冠狀動脈在心臟舒張期的不同情況分為：≥3個彎曲（與主支血管走行夾角）≥90°定義為輕度迂曲；≥3個彎曲≥90°但≤120°認(rèn)為是中度迂曲；≥3個彎曲≥120°是冠狀動脈重度迂曲（severe coronary tortuosity，SCT）[4，11-12]。由于冠狀動脈為心臟的供血血管，且走行于心臟表面，故具有特殊性，其發(fā)病機(jī)理可能與人體其他的動脈有一定差異。主要由血管的牽引力、血管壁內(nèi)壓力及冠脈的彈性回縮力這三者共同維持冠狀動脈形態(tài)的穩(wěn)定。正常情況下血管的牽引力和血管壁內(nèi)壓力延長血管，而這兩股力量的合力與一個冠脈彈性回縮的反作用力相抵消。一般情況下，牽引力、血管壁內(nèi)壓力和彈性回縮的力大小相等、方向相反，這維持了血管形態(tài)的穩(wěn)定，因此，通常情況下不論是心臟的收縮期還是舒張期，冠狀動脈的形態(tài)改變都是可逆的。冠狀動脈彈性回縮的力量基本由彈性蛋白所承擔(dān)。如果彈性蛋白發(fā)生退化、變性，或者是冠狀動脈內(nèi)的壓力發(fā)生了變化，這都將導(dǎo)致上述力的平衡被打破，血管在心臟的舒張及收縮過程中將會發(fā)生形態(tài)不可逆的形態(tài)學(xué)改變，導(dǎo)致擴(kuò)張性動脈瘤的發(fā)生或是造成冠狀動脈迂曲[4]。除此之外，有學(xué)者通過小動物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)動脈在較高的血管剪切應(yīng)力作用下可以出現(xiàn)血管壁的損傷及自我修復(fù)即發(fā)生血管重塑[13-15]。

本實(shí)驗(yàn)尚存在一定局限性：樣本量較少，只將1例輕度冠狀動脈迂曲的患者與正常冠狀動脈進(jìn)行數(shù)值模擬分析，未來希望加大樣本量，并豐富相關(guān)臨床信息。本試驗(yàn)將血管壁定義為剛性壁，然而在正常人體中血管具有一定的彈性，管壁與流動的血液會相互作用，且血管周圍存在其他組織。在本實(shí)驗(yàn)中，血液定義為不可壓縮的牛頓流體，而正常人體血液中含有各種固體小顆粒成分如紅細(xì)胞、白細(xì)胞、蛋白質(zhì)等，情況更為復(fù)雜，與此相比會有一定的血流動力學(xué)差異。

通過本實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬分析可以發(fā)現(xiàn)，迂曲的左前降支TAWSS稍高，可能增加了血管壁損傷的幾率，而TAWSSG、TransWSS數(shù)值較高，可以認(rèn)為動脈迂曲處較容易發(fā)生炎癥反應(yīng)進(jìn)而形成冠狀動脈粥樣硬化，需要進(jìn)行干預(yù)或者服用臨床藥物。

綜上所述，冠狀動脈迂曲處較容易發(fā)生動脈粥樣硬化，這也與上述學(xué)者的研究結(jié)果相符[14-15]，但不同程度迂曲的血流動力學(xué)可能存在差異，需要科研工作者繼續(xù)探索，為臨床早期干預(yù)冠脈迂曲患者提供幫助。