杜健航 伍貴富 鄭振聲 戴 剛 馮銘哲

1(廣東海洋大學工程學院，湛江 524088)2(中山大學衛(wèi)生部輔助循環(huán)重點實驗室，廣州 510080)3(廣東醫(yī)學院附屬福田醫(yī)院，深圳 518000)

增強型體外反搏對早期動脈粥樣硬化斑塊局部應力環(huán)境影響的實驗與仿真研究

杜健航1,2伍貴富2,3*鄭振聲2戴 剛2馮銘哲2

1(廣東海洋大學工程學院，湛江 524088)2(中山大學衛(wèi)生部輔助循環(huán)重點實驗室，廣州 510080)3(廣東醫(yī)學院附屬福田醫(yī)院，深圳 518000)

采用動物實驗與數值仿真相結合的方法，研究增強型體外反搏(EECP)對發(fā)生早期粥樣硬化斑塊動脈的局部應力水平的影響，評價臨床中該療法增加粥樣硬化斑塊失穩(wěn)的風險。首先以3.5月齡左右雄性豬2頭為實驗體，進行反搏前后狀態(tài)的基礎血流動力學在體測量，反搏壓介于0.025～0.04MPa；進而建立血流動力學數值仿真模型，模擬斑塊出現(xiàn)及生長過程中，EECP對其局部應力水平及應力震蕩特性的影響。模擬計算結果顯示，EECP使動脈的應力水平及應力震蕩特性均有顯著增加；早期小規(guī)模斑塊的存在令局部應力水平進一步提升，但將降低應力的震蕩水平。EECP使兩實驗體的動脈內壓峰值水平最高提升10.62%及16.18%，此時若動脈存在斑塊(H=0.2D)，其局部壁面切應力(WSS)峰值水平將分別提高135.54%及235.71%，震蕩剪切指數(OSI)達到0.083及0.069。由于反搏產生的高舒張壓明顯提升了斑塊的局部應力水平，同時反搏的“雙脈沖”作用模式使動脈的OSI水平大幅增加，我們推測其慢性作用可能會促進斑塊本身疲勞的進程，從而對斑塊的穩(wěn)定性產生不利影響；但EECP對心動周期里壁面切應力水平的提升可能對斑塊本身的發(fā)展具有抑制作用。

增強型體外反搏；斑塊破裂；壁面切應力；振蕩剪切指數

引言

增強型體外反搏(enhanced external counterpulsation, EECP)是一種無創(chuàng)的體外輔助循環(huán)手段，在臨床中被廣泛應用于治療缺血性心腦血管類疾病，被認為“為冠心病人尤其是不適合冠脈血管重建手術或傳統(tǒng)藥物療效欠佳的病人提供了一項有效的治療措施”[1-2]。EECP“從頭到尾都是力學的過程”[1]，其最根本的力學作用是提高上半身動脈血流灌流水平，同時產生與正常生理狀態(tài)截然不同的“雙脈沖”血流模式[3]。傳統(tǒng)上認為[4]，EECP對舒張期的動脈血流灌流水平及動脈內壓水平的提升，是其良好的臨床效果的血流動力學基礎。近年的基礎研究[5-6]表明，伴隨動脈灌流水平提升而產生的壁面切應力(WSS)水平的提升，將有助于誘導動脈內部一系列的生物力學響應，促進動脈內皮功能的改善，研究人員由此相信長期的EECP作用將對動脈粥樣硬化病變的發(fā)生具有積極的抑制作用。然而臨床中如果動脈本身存在一定規(guī)模的早期粥樣硬化斑塊，EECP作用導致的高舒張壓(其峰值明顯高于收縮壓峰值[3])，加上由于斑塊幾何特性而產生的應力集中現(xiàn)象，將有可能使斑塊表面局部承受畸高的應力水平。臨床中由此而關心慢性EECP作用是否會增加斑塊不穩(wěn)定、破裂的風險，但目前這方面的研究仍然是空白。

動脈粥樣硬化斑塊的失穩(wěn)、破裂是造成臨床中急性腦梗死、心肌梗死的主因之一，其研究一直是生物力學的重要課題。目前普遍認為[8-10]，斑塊破裂與以下幾方面因素有關：斑塊形態(tài)、斑塊組成的屬性、炎癥及局部應力集中。Versluis將斑塊破裂描述為一個慢性而非急性的損傷過程，認為斑塊在震蕩應力環(huán)境的長期作用下發(fā)生疲勞失效而導致強度大幅下降，進而在局部高水平應力下發(fā)生破裂[9]。

為探討EECP力學作用模式對動脈粥樣硬化斑塊局部應力環(huán)境的影響，評價慢性EECP作用(臨床中為數月到一年以上，動物實驗為3個月左右)增加斑塊失穩(wěn)的風險，本課題在動物實驗的基礎上結合數值仿真技術進行了研究。首先在動物實驗體頸動脈進行了在體的基礎血流動力學測量；進而利用流體動力學的原理和方法建立了血流動力學仿真模型；模擬計算了早期的小規(guī)模斑塊從出現(xiàn)到逐漸發(fā)展到一定水平過程中，當施加高反搏壓的EECP作用時，動脈內的局部應力水平及震蕩特性的變化，并最終探討由此而產生的對斑塊本身的影響。

1 動物實驗

雄性豬兩頭(實驗體1、2)，體重分別為41.5kg和45.5kg，麻醉處理后分別進行正常生理狀態(tài)下及EECP狀態(tài)的基礎血流動力學在體測量，測量位置為左側頸總動脈。其中流量波的測量采用雙向多普勒探測儀(Smartdop 50EX，小林電氣株式會社，日本)；動脈內壓通過Tip-transducer導管壓力傳感器系統(tǒng)測量。反搏作用壓力介于0.025～0.04MPa，采用第二代增強型體外反搏儀(EECP-MC2，佛山華文醫(yī)療儀器有限公司，中國)及專門設計的動物反搏臺和囊套，動物取右側臥位，下肢及臀部加壓(見圖1)。圖2中(a)～(d)為實驗體1的連續(xù)三心動周期測量結果，按心電曲線相鄰兩R波為一周期。

圖1 EECP動物實驗Fig. 1 Animal experiments of EECP

圖2 實驗體1血流動力學在體測量數據。(a) 基礎狀態(tài)(反搏前)；(b) 反搏壓0.025 MPa；(c) 反搏壓0.035 MPa；(d) 反搏壓0.04 MPaFig. 2 In vivo hemodynamic measurements of subject 1.(a) Normal physiological; (b)Counterpulsation pressure is 0.025 MPa;(c)Counterpulsation pressure is 0.035 MPa;(d) Counterpulsation pressure is 0.04 MPa

2 血流動力學仿真模型

將動脈看成長直圓管，動脈血流看成完全發(fā)展脈動流，則心動周期里的軸向速度剖面可以利用Womersley方法通過流量波求得。

設心動周期里測量得到的離散血液流量波為：

(1)

對流量波作離散傅里葉變換

(2)

則按womersley方法，心動周期里的軸向血流速度分布為

(4)

在上述的基礎上，可以結合有限差分法進一步求解心動周期里的WSS分布及震蕩剪切指數(OSI)。

(7)

(8)

建立如式(9)的動脈內徑模型表示斑塊產生及發(fā)展對動脈內徑的影響。利用上述的求解體系，分析斑塊出現(xiàn)及發(fā)展過程對動脈局部血流動力學環(huán)境的影響。其中D為動脈內直徑；k為表示斑塊規(guī)模的參數，本課題僅研究早期斑塊情況，取其最大值為0.2；H表示斑塊最大高度。

(9)

圖3 三周期動脈內壓峰值統(tǒng)計。(a)實驗體1；(b) 實驗體2Fig.3 Peak value of blood pressure in 3 continuous cardiac cycles.(a)Subject 1; (b) Subject 2

3 實驗及仿真計算結果分析

為更客觀地進行血流動力學分析，在測量和計算中均采用連續(xù)三心動周期進行，并取其平均值代表心動周期里血流動力學物理量的水平。

圖3中(a)和(b)為兩實驗體動脈內壓在體測量值的峰值統(tǒng)計圖。需要注意的是，正常生理狀態(tài)下(反搏壓為0)，動脈內壓峰值出現(xiàn)在收縮期，而EECP狀態(tài)下，其峰值出現(xiàn)在舒張期。

圖4中(a)～(d)為實驗體1在斑塊出現(xiàn)及生長過程中，反搏作用前后的WSS模擬計算結果，按連續(xù)三心動周期進行計算。實驗體2情況與此類似。

圖4 EECP作用及斑塊對實驗體1心動周期里WSS分布影響的數值仿真結果。(a) H=0.0D；(b)H=0.1D；(c) H=0.15D；(d)H=0.2DFig. 4 WSS distributions of subject 1 in cardiac cycles,with affection of plaques and EECP intervention. (a) H=0.0D；(b)H=0.1D；(c) H=0.15D；(d)H=0.2D

圖5(a)、(b)為隨著早期斑塊的出現(xiàn)及發(fā)展，兩實驗體反搏前后的WSS峰值仿真計算結果。

圖5 斑塊規(guī)模及EECP作用對WSS峰值影響的模擬結果。(a)實驗體1；(b)實驗體2Fig. 5 Numerical results of peak WSS levels,with affection of plaques and EECP intervention.(a) Subject 1; (b)Subject 2

圖6中(a)和(b)是EECP作用及斑塊水平對兩實驗體的心動周期OSI水平影響的仿真結果。從圖可見，在正常生理狀態(tài)(反搏壓為0)下兩實驗體的OSI值均接近于0，斑塊及其規(guī)模對OSI水平幾乎不產生影響。但EECP的介入則使OSI水平大幅提升。

圖6 EECP作用及斑塊規(guī)模對心動周期OSI水平影響的模擬結果。(a)實驗體1；(b)實驗體2Fig.6 Numerical results of OSI levels during the generation and development of the plaque and EECP intervention.(a)Subject 1; (b) Subject 2

4 討論與結論

本課題以動物實驗為基礎，通過在體的測量及血流動力學模擬仿真，分析了增強型體外反搏作用以及早期粥樣硬化斑塊出現(xiàn)對動脈局部應力環(huán)境的影響，進而評價EECP作用尤其是高反搏壓的EECP作用下動脈粥樣硬化斑塊的失穩(wěn)、破裂風險。

結果顯示，EECP作用對心動周期里的動脈內壓分布模式及水平有明顯的影響，舒張期壓力峰值大幅提升，甚至高于收縮期壓力峰值；在高反搏壓狀態(tài)下(實驗體1為0.035 MPa，實驗體2為0.04 MPa)，實驗體1、2的動脈內壓峰值分別達到(20.31±0.18) kPa及(20.23±0.15) kPa，比反搏前的基礎狀態(tài)的收縮期壓力峰值分別提高10.62%及16.18%。另外，仿真計算結果顯示EECP作用使得心動周期里的WSS水平、WSS峰值水平及OSI水平均有大幅的提升。在高反搏壓狀態(tài)下(實驗體1為0.035 MPa，實驗體2為0.04 MPa)，兩實驗體的WSS峰值分別達到(4.5±0.17)Pa和(5.0±0.1)Pa，比反搏前基礎狀態(tài)(3.32±0.11)Pa及(2.66±0.14Pa)分別提高35.54%及87.97%。OSI值則從反搏前接近0的水平上升到反搏中的峰值0.123(實驗體1，反搏壓0.035 MPa)及0.106(實驗體2，反搏壓0.04 MPa)。

仿真結果顯示在EECP狀態(tài)下，粥樣硬化斑塊的出現(xiàn)及規(guī)模也對WSS及OSI水平有明顯的影響。斑塊的規(guī)模與WSS水平及WSS峰值水平呈正相關性，而與OSI水平呈負相關性。但在正常生理狀態(tài)下，斑塊對OSI水平幾乎無任何影響，兩實驗體的OSI水平均接近于0；在高反搏壓狀態(tài)下(實驗體1為0.035 MPa，實驗體2為0.04 MPa)，當斑塊高度發(fā)展到動脈內直徑的1/5水平時，兩實驗體的WSS峰值分別為(7.82±0.29)Pa和(8.93±0.09) Pa，比斑塊出現(xiàn)前基礎狀態(tài)下分別提高135.54%及235.71%；比斑塊出現(xiàn)前同反搏壓的EECP狀態(tài)下分別提高73.78%和78.6%，但此狀態(tài)下的OSI水平分別下降了54.33%及54.52%。

早期的研究將動脈粥樣硬化斑塊破裂描述為一個急性事件，是由于作用在斑塊表面的應力超過內部纖維囊的強度而產生；然而進一步的研究顯示臨床中斑塊破裂的實際應力遠遠低于實驗中研究的斑塊破裂強度極限值，目前普遍認為這是由于斑塊本身的疲勞(fatigue)而使得其實際的破裂臨界應力值大幅下降而造成的，而動脈內部振蕩性應力環(huán)境的長期作用則是斑塊疲勞的主因[9]。

WSS與動脈內壓是兩個相互正交的力系，但由于無論是正常生理狀態(tài)還是EECP狀態(tài)下的動脈內壓水平均遠遠高于WSS水平(高反搏壓狀態(tài)下動脈舒張壓峰值超過20kPa，而WSS峰值在10Pa以內)，因此我們認為動脈內壓及其在斑塊表面的應力集中是斑塊失穩(wěn)、破裂的根本力學因素，這與文獻[8-10]的觀點是一致的。EECP的其中一個重要力學作用機制是提高動脈舒張期的血壓，這是衡量其能否發(fā)揮作用的關鍵性指標之一[11]，據研究當舒張壓峰值提高4 kPa時缺血區(qū)血流可增加29%[12]。根據本文的計算結果，在高反搏壓作用下頸動脈舒張壓峰值將比反搏前基礎狀態(tài)下的收縮壓峰值增加10%以上，其在斑塊表面的應力集中效應將使得斑塊承受一個瞬時的高水平的局部應力，認為這是在EECP療法中可能需要重視的一個問題。這方面需要建立涉及到斑塊形態(tài)學及組織特性的結構有限元模型，進行更深入的平面應變分析。

WSS水平的高低對斑塊的影響可能極為微小，Teng[10]的研究也證實WSS的分布水平與斑塊破裂間并無相關性。相反，高水平的WSS已普遍被認為有助于改善動脈內皮功能，調控粥樣硬化相關基因的表達[13]，因此EECP作用在生理范圍內對WSS水平的提高，本研究認為對斑塊本身的發(fā)展具有積極的抑制作用。

OSI是反映動脈血流動力學環(huán)境震蕩特性的指標之一，雖然目前關于OSI與動脈粥樣硬化性病變的發(fā)生是否具有關聯(lián)仍然具有爭議[15]，但由于斑塊長期處于外部震蕩性血流動力學環(huán)境容易疲勞失效進而導致破裂是一個不爭的事實[9]，由此推測作為反映血流動力學振動特性主要指標之一的OSI與斑塊疲勞過程具有相關性。EECP作用產生的雙脈沖血流模式相對于正常生理狀態(tài)的單脈沖血流模式勢必大幅提升心動周期血流動力學環(huán)境的震蕩特性，本研究關于OSI的仿真計算結果也顯示了這一現(xiàn)象，因此，我們推測慢性的EECP作用可能對斑塊本身的疲勞過程具有加速作用。

綜上所述，EECP療法的優(yōu)良臨床效果及生理學價值與其力學機制密不可分，但對于動脈粥樣硬化斑塊本身，EECP對舒張壓及OSI水平的大幅提升可能會對斑塊穩(wěn)定性產生不利影響，因此有必要在臨床中作細致的評估；另外需要說明的是，動脈粥樣硬化病變是一個涉及多年甚至幾十年的漫長的過程，本課題關于早期斑塊出現(xiàn)及發(fā)展的研究僅是一種基于流體動力學理論的仿真研究，因此結果可能與現(xiàn)實情況有所差異，需要進一步更深入的工作。

[1] 鄭振聲.體外反搏的過去現(xiàn)在和將來[J].中山大學學報(醫(yī)學科學版)，2006，27(6)：601-605.

[2] Lawson WE, Hui JC, Kennard ED,etal. Two-year outcomes in patients with mild refractory angina treated with enhanced external counterpulsation [J]. Clinical Cardiology， 2006,29(2): 69-73.

[3] 杜健航，包蕓，靳亞非.體外反搏下不同反搏壓對動脈內血流動力學環(huán)境影響的研究[J].中國生物醫(yī)學工程學報，2005，24(5)：620-623.

[4] 伍貴富，鄭振聲等.體外反搏的生物力學效應與內皮功能[J].中山大學學報(醫(yī)學科學版)，2005，26(2)：121-124.

[5] Zhang Y, He X,etal. Enhanced external counterpulsation inhibits intimal hyperplasia by modifying shear stress responsive gene expression in hypercholesterolemicpigs[J]. Circulation， 2007,116: 526-544.

[6] Casey DP, Beck DT,Nichols WW,etal. Effects of Enhanced External Counterpulsation on Arterial Stiffness and Myocardial Oxygen Demand in Patients with Chronic Angina Pectoris [J]. The American Journal of Cardiology， 2011,107(10): 1466-1472.

[7] Shimizu T, Kyo S, Morizumi S,etal. Effect of external counterpulsation on cardiac work following cardiac surgery: implications of the mechanism responsible for clinical benefits [J]. Journal of Cardiology， 2012,59:84-90.

[8] Li ZZ, Howarth S, Trivedi RA,etal. Stress analysis of carotid plaque rupture based oninvivohigh resolution MRI [J]. Journal of Biomechanics， 2006,39: 2611-2622.

[9] Versluis A, Bank JR, Douglas WH. Fatigue and plaque rupture in myocardial infarction [J]. Journal of Biomechanics， 2006,39: 339-347.

[10] Teng ZZ, Canton G, Yuan C,etal. 3D critical plaque wall stress is a better predictor of carotid plaque rupture sites than flow shear stress: aninvivoMRI-based 3D FSI study [J]. Journal of Biomechanical Engineering. 2010,132(3): 031007.

[11] 伍貴富，杜志民主編.增強型體外反搏—理論與實踐[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2012.

[12] 錢孝賢，鄭振聲.體外反搏的臨床應用進展[J].新醫(yī)學，2000，31(1)：48-49.

[13] 張焰，鄭振聲，馬虹，等.提高血流剪切應力調控粥樣硬化相關基因的表達[J].心血管研究學進展，2009，30(5)：728-731.

[14] Shimogonya Y, Ishikawa T,etal. Can temporal fluctuation in spatial wall shear stress gradient initiate a cerebral aneurysm? A proposed novel hemodynamics index, the gradient oscillatory number (GON) [J]. Journal of Biomechanics， 2009,42:550-554.

ExperimentalandSimulationStudyontheEffectsofEnhancedExternalCounterpulsationonLocalStressEnvironmentinCarotidArterywithEarlyAtheroscleroticPlaque

DU Jian-Hang1,3Wu Gui-Fu2,3*ZHENG Zhen-Sheng3DAI Gang3FENG Ming-Zhe3

1(SchoolofEngineering,GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang524088,China)2(AffiliatedFutianHospitalofGuangdongMedicalCollege,Shenzhen518000,China)3(KeyLaboratoryonAssistedCirculation;MinistryofHealth,Guangzhou510080,China)

enhanced external counterpulsation (EECP);plaque rupture; wall shear stress (WSS); oscillatory shear index (OSI)

10.3969/j.issn.0258-8021.2014.02.016

2013-06-10，錄用日期：2013-12-10

衛(wèi)生部臨床學科重點專項(254004)；廣東省科技計劃項目(2011A030300010)

R318

D

0258-8021(2014) 02-0246-06

*通信作者。E-mail: wuguifu@mail.sysu.edu.cn