徐洪增 侯陽 馬躍

?

·新技術(shù)介紹·

基于冠狀動脈CT血管造影的支架置入前后計算血流動力學(xué)技術(shù)

徐洪增 侯陽 馬躍

冠狀動脈CT血管造影； 支架置入

冠心病在國內(nèi)發(fā)病率高。經(jīng)皮冠狀動脈介入治療(percutaneous coronary intervention，PCI)呈穩(wěn)定增長趨勢，2014年達(dá)到500 946例[1]。PCI是一種治療冠狀動脈狹窄性心臟病的微創(chuàng)手術(shù)，已經(jīng)在冠心病的治療中成為常用治療方法，被認(rèn)為在高風(fēng)險的冠心病患者中可以提高患者生存率[2]，但是PCI在治療穩(wěn)定性冠心病方面仍難以把握。冠狀動脈血流處于生物力學(xué)環(huán)境中，且冠狀動脈粥樣硬化好發(fā)于特殊幾何構(gòu)型的血管部位，均提示血流動力學(xué)對動脈粥樣硬化具有重要的影響[3-4]。血管內(nèi)支架作為一種微型管狀結(jié)構(gòu)可以改變血管三維幾何結(jié)構(gòu)，改善血流動力學(xué)。探討冠狀動脈粥樣硬化狹窄塑形前后的血流動力學(xué)機(jī)制，并通過對血流動力學(xué)參數(shù)分布的分析，可為臨床治療提供理論依據(jù)。直接測量冠狀動脈內(nèi)的血流動力學(xué)效果是不理想的，但基于冠狀動脈CT血管造影(CT angiography, CTA)的支架置入前后計算血流動力學(xué)技術(shù)出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)深入研究血流動力學(xué)因素，準(zhǔn)確獲得個體化的冠狀動脈血流動力學(xué)參數(shù)，為干預(yù)粥樣硬化斑塊預(yù)后提供了重要依據(jù)。

基于冠狀動脈CTA影像的支架置入前后計算血流動力學(xué)技術(shù)共分為三步。第一步是冠狀動脈CTA圖像信息采集，應(yīng)用256層iCT(Philips公司)掃描圖像，成像數(shù)據(jù)保存為醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)格式，所選擇序列為302幀圖像，圖像像素為512×512，每層圖像分辨率為0.351 mm(圖1A)。第二步使用三維重建軟件 MIMICS(Materialise公司)進(jìn)行逆向工程圖像幾何重構(gòu)，將具有DICOM格式的冠狀動脈CTA數(shù)據(jù)導(dǎo)入，利用軟件中的圖像灰度閾值分割、三維區(qū)域增長算法等功能制作冠狀動脈狹窄模型(圖1B)。圖像編輯功能在冠狀動脈狹窄部位進(jìn)行管腔擴(kuò)張來虛擬置入支架。置入支架后血管狹窄程度由80%～90%降為30%～40%。最終生成.stl格式的三維冠狀動脈幾何模型。將三維模型文件導(dǎo)入Geomagic Studio 2013軟件模塊中，進(jìn)行網(wǎng)格文件校正裁剪，進(jìn)一步經(jīng)過Solidworks轉(zhuǎn)換為實(shí)體文件，導(dǎo)入到ANSYS workbench 16.0中。經(jīng)過網(wǎng)格劃分為下一步的有限元處理做準(zhǔn)備。網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分中的四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)。圖2A模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為300 339，網(wǎng)格單元數(shù)為1 511 487；圖2B模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為308 487，網(wǎng)格單元數(shù)為1 556 401。第三步假定血液是不可壓縮的牛頓流體并且是無滲透性的剛性血管，血液流動為定常、絕熱層流，血液黏滯系數(shù)0.0035 Pa·s，血液密度1060 kg/m3，血液流動遵循質(zhì)量、動量守恒定律：Navier-Stokes方程(1)和連續(xù)方程(2)：

(1)

Δμ=0

(2)

ρ為密度，P為壓力，T為應(yīng)力張量，μ是速度矢量，t為時間。

圖1 冠狀動脈CT血管造影圖像及三維幾何模型構(gòu)建 A:冠狀動脈CT血管造影圖像；B:冠狀動脈幾何模型構(gòu)建圖像

圖2 左冠狀動脈網(wǎng)格劃分圖像 A:冠狀動脈狹窄模型網(wǎng)格劃分；B:虛擬支架干預(yù)后網(wǎng)格劃分

模擬軟件采用ANSYS Fluent 16.0 CFD模塊，邊界條件設(shè)置：入口平面血液流速選擇典型的靜息狀態(tài)下冠狀動脈流速0.4 m/s[5]，出口選擇壓力為0 N。冠狀動脈血流在流動過程中要克服重力的影響，因此，在本技術(shù)中垂直方向的重力加速度設(shè)為-9.8 m/s2。設(shè)定上述邊界條件與計算初始條件后，ANSYS Fluent軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)二階運(yùn)算，迭代100次后，當(dāng)殘差<10-4時得到收斂的解。數(shù)值模擬過程使用自組裝刀片式服務(wù)器，計算機(jī)CPU配置為英特爾至強(qiáng)6核處理器，型號E5670，主頻2.93 GHz，12 M緩存，內(nèi)存配置為16 G。成功構(gòu)建為個體化冠狀動脈血流動力學(xué)模型后，模型計算結(jié)果包括冠狀動脈內(nèi)血液的管壁剪切力(wall shear stress, WSS)分布、壁面壓力(wall pressure,WP)、血流速度場及血流儲備分?jǐn)?shù)(fractional flow reserve，F(xiàn)FR)。

LAD，左前降支圖3 左冠狀動脈血流速度場 A:LAD冠狀動脈狹窄模型血流場；B:支架置入LAD狹窄處后血流場

圖3為左冠狀動脈管腔內(nèi)模擬的血流速度場示意圖。通過有限元分析仿真軟件的后期處理技術(shù)可以獲取直觀準(zhǔn)確的瞬態(tài)速度流線，而在體有創(chuàng)介入手術(shù)及動物模型實(shí)驗難以獲取這些血流動力學(xué)參數(shù)。后處理軟件根據(jù)運(yùn)算自動生成速度標(biāo)尺為0～1 m/s，顏色階梯代表血流速度大小，藍(lán)色趨向于低速，紅色趨向于高速。血液沿左前降支(LAD)血管近端向遠(yuǎn)端流動過程中，在支架置入前的管腔狹窄處血流速度快，形成了一個高尖的噴射樣血流速度場，其高峰流速達(dá)0.62 m/s，這個血流場嚴(yán)重影響了下游的血流，使得LAD遠(yuǎn)端血流大大減少。支架置入后，在冠狀動脈相同的入口條件下，冠狀動脈狹窄處最大血流速度降為0.36 m/s，同時LAD遠(yuǎn)端血流明顯增多。

圖4為血管壁面壓力分布示意圖。不同壓力以不同色階表示，藍(lán)色代表低壓力值，紅色代表高壓力值。壁面壓力沿血液流動方向逐漸降低，在血管狹窄鄰近區(qū)域出現(xiàn)高低不均一，在血管狹窄處壁面壓力明顯下降。支架置入后，原有血管狹窄處壁面壓力相應(yīng)提高，其沿著LAD遠(yuǎn)端走行處也相應(yīng)下降，但趨于緩和?；诠跔顒用}CTA計算出的FFR定義為冠狀動脈狹窄遠(yuǎn)端壓力(Pd)與冠狀動脈狹窄近端壓力(Pa)的比值，即FFR=Pd/Pa。

LAD,左前降支；WP，壁面壓力圖4 左冠狀動脈WP場 A:LAD冠狀動脈狹窄模型WP分布；B:支架置入LAD狹窄處后WP分布

WSS，管壁剪切力；LAD，左前降支圖5 左冠狀動脈WSS場 A:LAD冠狀動脈狹窄模型WSS分布；B:支架置入LAD狹窄處后WSS分布

WSS對動脈粥樣硬化斑塊具有重要的作用，高的WSS能夠啟動斑塊破裂，低的WSS促進(jìn)斑塊生長。支架置入前后的WSS分布如圖5所示，壓力數(shù)值為相對值，不同顏色圖像代表不同WSS的大小，藍(lán)色為低壓力值，紅色為高壓力值。在臨近血管狹窄處WSS高低不均，總體趨于增高，最大狹窄處有最大WSS為10 Pa，而在支架置入干預(yù)后的血管外側(cè)壁均出現(xiàn)不規(guī)則的深藍(lán)色低WSS 分布，原有血管狹窄處最大WSS為3.4 Pa。這表明支架置入可以明顯降低WSS。有研究表明，在正常的LAD模型中，一個心動周期平均WSS在12 Pa以下，相對于正常的LAD，只有嚴(yán)重狹窄(>75%)斑塊病變能夠明顯影響WSS[6]。

本技術(shù)的優(yōu)勢：(1)冠心病不恰當(dāng)介入治療會改變冠狀動脈內(nèi)的局部血流動力學(xué)狀況，干擾心肌內(nèi)血液的正常流動，從而引起血栓、動脈內(nèi)膜增生、粥樣硬化及冠狀動脈內(nèi)再狹窄的發(fā)生[7]。冠狀動脈血管內(nèi)支架置入術(shù)中，支架尺寸和置入方式的選擇以及支架的準(zhǔn)確定位對于手術(shù)是否成功十分關(guān)鍵。本技術(shù)在冠狀動脈三維模型上，無需額外的有創(chuàng)干預(yù)，模擬支架對冠狀動脈血管重塑可以改善冠狀動脈的血流動力學(xué)參數(shù)，得到有效血管的血流模式、渦流、剪切力等血流動力學(xué)參數(shù)的三維空間分布。(2)個體化設(shè)計虛擬支架，可對支架置入后的治療效果進(jìn)行直觀的預(yù)評估，干預(yù)冠狀動脈對血流動力學(xué)影響具有更深入的理解。有助于術(shù)者精確地選擇支架的類型及大小，而不是簡單地依靠粗略的測量或術(shù)者經(jīng)驗，從而降低手術(shù)時間、曝光量、減少不必要的支架置入。

本技術(shù)的局限性：(1)在高分辨率CTA數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)字三維建模軟件重建冠狀動脈的幾何模型，通過CFD技術(shù)分析了支架置入前后局部血流動力學(xué)的特性。受限于圖像分辨率、計算量等因素，只有少數(shù)的研究基于臨床實(shí)際患者數(shù)據(jù)構(gòu)建冠狀動脈個體化幾何模型[8]。雖然血管內(nèi)超聲或光學(xué)相干斷層成像等影像設(shè)備具有高的橫斷面分辨率，近年來有研究應(yīng)用于冠狀動脈CFD模型，但是其三維重構(gòu)難度大，且三維分辨率精度不夠[9-10]。(2)血流動力學(xué)模擬結(jié)果與CFD軟件求解時設(shè)定的入口壓力、入口速度、出口壓力、流速等邊界條件密切相關(guān)。本技術(shù)未考慮心臟運(yùn)動及血管彈性方面對血流的影響[11]。(3)流體性質(zhì)方面也基于一些簡化的假設(shè)，如血流為穩(wěn)態(tài)、牛頓流體，管壁為剛性等，進(jìn)一步的研究可以采用更接近患者實(shí)際的生理參數(shù)作為邊界條件進(jìn)行建模評估。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展及與臨床醫(yī)學(xué)更為廣泛的結(jié)合，以CFD技術(shù)為代表的無創(chuàng)數(shù)值模擬技術(shù)將成為探索冠狀動脈粥樣硬化斑塊形成機(jī)制及干預(yù)粥樣硬化斑塊轉(zhuǎn)歸的有效手段，對動脈粥樣硬化的預(yù)警、診斷及選擇最佳治療方式起到重要的指導(dǎo)作用。

本技術(shù)的應(yīng)用體會：通過對冠狀動脈塑性實(shí)現(xiàn)從血流動力學(xué)角度預(yù)測個體冠狀動脈血管內(nèi)支架置入后的血流動力學(xué)改變，為冠狀動脈虛擬支架置入帶來新方法，幫助醫(yī)師評估支架對冠狀動脈局部血流動力學(xué)的影響。本研究表明基于冠狀動脈CTA的虛擬支架置入對預(yù)測冠狀動脈血流動力學(xué)的模型可行，并且可能在臨床有創(chuàng)介入冠狀動脈支架置入前提供優(yōu)化治療策略。

[1] 陳偉偉，高潤霖, 劉力生, 等.《中國心血管病報告2015》概要. 中國循環(huán)雜志，2016，31(6): 521-528.

[2] 中華醫(yī)學(xué)會心血管病學(xué)分會介入心臟病學(xué)組, 中國醫(yī)師協(xié)會心血管內(nèi)科醫(yī)師分會血栓防治專業(yè)委員會, 中華心血管病雜志編輯委員會.中國經(jīng)皮冠狀動脈介入治療指南(2016). 中華心血管病雜志，2016，44(5)：382-400.

[3] Warboys CM, Amini N, de Luca A,et.al.The role of blood flow in determining the sites of atherosclerotic plaques. F1000 Med Rep，2011,3:5

[4] Cheng C, Tempel D, van Haperen R,et al. Atherosclerotic lesion size and vulnerability are determined by patterns of fluid shear stress. Circulation，2006，113(23)：2744-2753.

[5] Johnston BM, Johnston PR, Corney S,et.al. Non-Newtonian blood flow in human right coronary arteries: steady state simulations. J Biomech，2004，37(5): 709-720.

[6] Su B, Huo Y, Kassab GS, et al. Numerical investigation of blood flow in three-dimensional porcine left anterior descending artery with various stenoses. Comput Biol Med，2014，47:130-138.

[7] Kim KH, Doh JH, Koo BK, et al. (2014) A novel noninvasive technology for treatment planning using virtual coronary stenting and computed tomography-derived computed fractional flow reserve. JACC Cardiovasc Interv，2014， 7(1): 72-78.

[8] Foin N, Torii R, Mortier P, et al., Kissing balloon or sequential dilation of the side branch and main vessel for provisional stenting of bifurcations: lessons from micro-computed tomography and computational simulations. JACC Cardiovasc Interv，2012，5(1): 47-56.

[9] Chiastra C, Montin E, Burzotta F, et.al.Coronary stenting: From optical coherence tomography to fluid dynamic simulations. IEEE International Conference on Bioinformatics & Bioengineering， 2013，7789(1)：1-4.

[10] Ellwein LM, Otake H, Gundert TJ, et al. Optical coherence tomography for patient-specific 3D artery reconstruction and evaluation of wall shear stress in a left circumflex coronary artery. Cardiovascular Engineering and Technology,2011,2(3): 212-227.

[11] Li G, Hu R, Gao F. Numerical simulation of coronary artery stenosis before and after stenting. Journal of Medical & Biological Engineering, 2015,35(4):1-7.

10.3969/j.issn.1004-8812.2017.04.014

遼寧省博士啟動基金資助(20160119)

110004 遼寧沈陽，中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院影像科(徐洪增、侯陽、馬躍);中國醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院心內(nèi)科(徐洪增)

侯陽，Email：houyang1973@163.com

R541.4

2016-11-22)