潘連強(qiáng) 藺嫦燕

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院 北京市心肺血管疾病研究所，北京 100029)

引言

冠脈支架置入術(shù)主要過程是通過球囊膨脹擴(kuò)張支架，使狹窄血管達(dá)到目標(biāo)直徑。隨后，球囊卸載抽出，支架回彈并服役在血管病變處，以支撐血管和恢復(fù)血流。因?yàn)樵谂R床上評估術(shù)式的優(yōu)劣比較困難并且價(jià)格昂貴，所以支架虛擬置入的數(shù)值模擬成為評估術(shù)式設(shè)計(jì)和優(yōu)劣的有力工具。

冠脈支架虛擬置入術(shù)的第一步是建立血管和支架的耦合模型，并進(jìn)行離散化處理；第二步是對系統(tǒng)的不同組成部分(血液、生物組織、球囊、支架等)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)關(guān)系的定義，然后定義支架置入過程中冠脈的邊界條件和外部載荷；最后一步是對支架與血管壁或血流的相互作用以及數(shù)值模擬所涉及的組織結(jié)構(gòu)、流體動力學(xué)或藥物輸送量進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)值模擬[1]。重建模型法是數(shù)值模擬冠脈介入治療的基本組成部分。數(shù)值模擬方法可以建立在綜合生物學(xué)與生物醫(yī)學(xué)知識和先進(jìn)的建模范例上，以模擬個(gè)體化生理結(jié)構(gòu)與支架裝置的相互作用。它可以重建患者的個(gè)體化模型，并考慮到個(gè)體之間的差異性，從而模擬支架置入術(shù)并預(yù)測治療結(jié)果[2]。

早期研究冠脈支架虛擬置入術(shù)的數(shù)值模型大多為簡化的理想化幾何形狀，對這些簡化的結(jié)構(gòu)或流體動力學(xué)模型的總結(jié)研究可以在早期的文獻(xiàn)中查到[3-4]。研究者們根據(jù)需要研究的問題，可以方便地重建出針對所需解決問題的理想化模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得出研究結(jié)果[5]。為個(gè)體化與復(fù)雜問題的研究奠定了理論基礎(chǔ)。人體血管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冠脈結(jié)構(gòu)因人而異，病變位置、程度、和類型也不相同?；趥€(gè)體解剖結(jié)構(gòu)所重建的冠脈病變模型進(jìn)行數(shù)值模擬，可以獲得相對個(gè)體而言更為真實(shí)的術(shù)式模擬，從而對個(gè)體所進(jìn)行的術(shù)式進(jìn)行分析與優(yōu)化。此綜述將從模型的三維重建出發(fā)，總結(jié)模型的重建對冠脈虛擬置入技術(shù)的影響。著重從球囊模型、血管壁模型與分叉模型這三個(gè)方面進(jìn)行綜述。

1 球囊模型

最近大多數(shù)冠脈支架虛擬置入研究中，支架與動脈壁相互作用模型考慮了球囊的存在。應(yīng)用虛擬置入的球囊，其幾何模型結(jié)構(gòu)的精確設(shè)置是模擬支架擴(kuò)張的關(guān)鍵選擇。

為了驗(yàn)證球囊模型在支架虛擬置入中是不可或缺的，曾有人分別在支架內(nèi)表面、理想化圓筒形球囊和三褶球囊上施加壓力，模擬支架擴(kuò)張的結(jié)果研究[6-7]。結(jié)果顯示，支架膨脹類型極大地影響了支架置入時(shí)引起的動脈壁的應(yīng)力模式，使用三褶球囊模型擴(kuò)張與制造商的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有更好的定性和定量的一致性。Zahedmanesh等[8]基于患者血管造影圖像三維重建冠狀動脈模型，對3種方案進(jìn)行研究：第一種是直接在支架內(nèi)表面施加16個(gè)大氣壓；第二種是使用三褶球囊在球囊內(nèi)表面施加16個(gè)大氣壓；第三種是支架內(nèi)表面施加30個(gè)大氣壓，通過控制支架直徑的變化，使支架完全膨脹至與使用球囊模型擴(kuò)張所獲得的直徑相同。球囊模型對于支架變形和支架應(yīng)力的精確模擬至關(guān)重要，優(yōu)于在支架內(nèi)表面施加壓力的模擬。雖然通過控制支架的擴(kuò)張直徑可以達(dá)到最終的模擬效果，但不能模擬支架擴(kuò)張期間的應(yīng)力變化。

球囊的褶皺數(shù)越多，對稱性越好，擴(kuò)張得越均勻?qū)ΨQ。Mortier等模擬不同褶數(shù)的球囊擴(kuò)張支架，發(fā)現(xiàn)六褶球囊-支架系統(tǒng)相較三褶的擴(kuò)張更加均勻、對稱[9]。Ragkousis等[10]還研究模擬在近端與遠(yuǎn)端支架擴(kuò)張直徑相差大約1.3 mm時(shí)與1.5 mm時(shí)，使用十二褶的球囊擴(kuò)張具有更好的效果；在近遠(yuǎn)端擴(kuò)張直徑相差0.7 mm時(shí)，使用六褶的球囊擴(kuò)張具有更好的效果。在支架置入系統(tǒng)的建模中，如果擴(kuò)張近遠(yuǎn)端有較大直徑的變化時(shí)，必須通過增加球囊的折疊數(shù)來確保球囊能夠均勻膨脹。Martin等認(rèn)為，錐形末端與導(dǎo)管的連接可以有效降低中間窄兩端寬的“狗骨頭”現(xiàn)象，并且可以限制支架在模擬中的軸向縮短[11]。

因此，目前普遍接受的結(jié)果是，需要球囊模型來更精準(zhǔn)地模擬支架置入期間支架-動脈相互作用。球囊的褶皺形式和連接錐形末端等幾何特征是必不可少的，其對于觀察支架對冠脈力學(xué)環(huán)境的影響、支架擴(kuò)張的瞬態(tài)行為及最終的定位和后期優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2 血管壁模型

血管壁模型是支架置入模型的重要組成部分。血管壁的組成(包括不同動脈層)的定義通?；贖olzapfel等進(jìn)行的研究[12]。Holzapfel等對來自13顆心臟的55個(gè)人類左前降支冠狀動脈進(jìn)行研究，外膜層、中膜層和內(nèi)膜層分別占動脈壁總厚度的0.40±0.03、0.36±0.03和0.27±0.02(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)。研究者首先對軸向和圓周方向三層動脈帶的被動拉伸力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。其次，他們使用特定的本構(gòu)規(guī)律描述了每個(gè)組織的力學(xué)特征，其研究結(jié)果被認(rèn)為是冠狀動脈模型的標(biāo)準(zhǔn)。

冠狀動脈病理特點(diǎn)是存在動脈粥樣硬化斑塊，斑塊的存在和組成極大地影響了動脈壁的力學(xué)行為，從而影響了模擬計(jì)算的結(jié)果和支架介入治療效果。斑塊的組成成分所表現(xiàn)出的力學(xué)性能對支架置入后管腔的大小有很大的影響[13]。通常，用于模擬動脈粥樣硬化斑塊的本構(gòu)關(guān)系是基于Loree等在1994年提出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)每種斑塊類型(多細(xì)胞、少細(xì)胞和鈣化)的力學(xué)特征有很大的差別[14]。一些數(shù)值研究把斑塊簡單地作為各向同性超彈性[15-16]或超彈塑性[17]本構(gòu)模型，但實(shí)際上斑塊非常復(fù)雜，沒有特定的形態(tài)與本構(gòu)關(guān)系。

Xu等[18]重建曲率半徑為30 mm的冠脈簡化模型，把冠脈壁分成外膜、中膜和內(nèi)模3層，并在管腔內(nèi)膜上建立簡化不對稱斑塊，研究血管動態(tài)彎曲對支架長期力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，血管動態(tài)彎曲下的應(yīng)力主要集中發(fā)生在支架彎曲連接處，最大應(yīng)力位于支架中間段的彎曲部分；支架在血管動態(tài)彎曲的作用下更易發(fā)生斷裂，預(yù)測的斷裂位置位于支架彎曲連接處。這些結(jié)果與臨床文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)一致。Iannaccone等[19]運(yùn)用虛擬置入技術(shù)建立了理想分叉模型，其中冠脈壁使用了分層結(jié)構(gòu)；分別討論了脂質(zhì)斑塊、纖維斑塊、在主分支處有4 mm半環(huán)形鈣化的脂質(zhì)斑塊和在主分支處有4 mm環(huán)形鈣化的脂質(zhì)斑塊這4種斑塊對側(cè)支的不利影響。研究發(fā)現(xiàn)鈣化斑塊的存在，通過誘發(fā)管腔形成橢圓形截面并減小管腔面積，極大地影響了分支開口的形狀和尺寸的變化。Chiastra等[20]進(jìn)行了兩例個(gè)體化患者的模擬，使用CT血管造影和光學(xué)相干斷層掃描(OCT)圖像融合技術(shù)重建患者支架前和支架后即刻的個(gè)體化冠脈分叉模型。假設(shè)與管腔中心線之間距離小于健康管腔半徑的區(qū)域?yàn)榘邏K區(qū)域，然后通過OCT影像判斷軟斑塊和硬斑塊區(qū)域，重建了支架-斑塊-血管耦合模型，模擬復(fù)制了完整的手術(shù)過程。冠脈模擬結(jié)果與術(shù)后患者影像具有較高的一致性，面積的最大差異為20.4%。低平均壁面剪切力(TAWSS)主要集中在冠脈支架段前端和分叉對面區(qū)域處，兩個(gè)使用較厚支架的患者中低TAWSS更為顯著。貼壁不良主要集中在分叉位置處。Imani等[21]建立了理想的支架-斑塊-血管耦合模型研究支架的虛擬置入，使用有限元法通過分析兩種支架的徑向回彈率、狗骨頭率和血管壁面的米塞斯應(yīng)力等力學(xué)性能，表明在冠脈支架的虛擬置入中考慮斑塊的存在具有重要作用。

冠脈支架虛擬置入中，冠脈的三維模型應(yīng)根據(jù)患者病變血管盡可能真實(shí)地重建出個(gè)體化模型。冠脈壁的材料本構(gòu)關(guān)系直接影響其應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)。根據(jù)血管的本構(gòu)關(guān)系具有典型的分層結(jié)構(gòu)，冠脈壁主要包括3個(gè)部分，分別是外膜層、中膜層和內(nèi)膜層，各層的細(xì)胞種類不同，對應(yīng)力刺激的反應(yīng)也不相同；此外，根據(jù)冠脈患病程度，血管壁中所含斑塊類型和大小是不可忽略的。斑塊組成成分復(fù)雜，力學(xué)性質(zhì)差異性顯著，特別是鈣化和非鈣化斑塊，可能導(dǎo)致在支架過程中具有復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變場。

3 分叉模型

最近，諸如冠脈分叉等復(fù)雜幾何形狀支架置入也很受重視。歐洲分叉病變俱樂部專家達(dá)成共識[22-23]，指出冠狀動脈分叉占所有經(jīng)皮冠狀動脈介入治療(PCI)的15%～20%，復(fù)雜冠狀動脈病變?nèi)绶植娌∽兊闹委熑匀皇墙槿胄呐K病學(xué)中的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，因?yàn)榕c非復(fù)雜病變相比，成功率較低和再狹窄率較高。有研究在冠脈分叉幾何置入一個(gè)或兩個(gè)支架，驗(yàn)證了基于患者醫(yī)學(xué)圖像重建的個(gè)體化模型進(jìn)行的冠脈支架虛擬置入研究是可行的[24]。

Arokiaraj等設(shè)計(jì)了一種新型支架用于治療冠狀動脈分叉病變[25]。用直徑為3.2 mm的近端、2.3 mm的側(cè)支和2.7 mm的遠(yuǎn)端血管創(chuàng)建了血管分叉模型，設(shè)計(jì)了一種在血管分叉處支架由3條直的梁連接的新型支架，并通過有限元分析法對其性能進(jìn)行了分析。雖然該研究主要注重新技術(shù)的應(yīng)用，但分叉處的應(yīng)力和應(yīng)變顯著小于用于治療分叉病變的現(xiàn)有支架技術(shù)的應(yīng)力和應(yīng)變，為治療冠狀動脈分支病變提供了一種潛在治療方法。 Mortier等[26]通過對球囊對吻擴(kuò)張術(shù)的改進(jìn)研究來更好地理解和優(yōu)化主血管必要時(shí)支架方法。研究中創(chuàng)建了3個(gè)不同的冠脈狹窄分叉模型，應(yīng)用有限元模擬了分支支架在3個(gè)模型中部署和擴(kuò)張過程，用以評估兩種球囊對吻擴(kuò)張術(shù)式：對照組和改進(jìn)組。在對照組中，兩個(gè)球囊同時(shí)充氣和放氣；在改進(jìn)組中，側(cè)支球囊首先充氣，然后部分放氣，最后是主支球囊充氣。研究顯示，改進(jìn)組與對照組相比具有較小的管腔狹窄率，減少橢圓形支架變形，并且優(yōu)化了側(cè)支通路。Mortier等[27]通過計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)成像與血管內(nèi)超聲(IVUS)成像相融合，重建了患者左主干血管分叉部分的三維幾何模型。將支架置入分叉病變的主支后，采用近端優(yōu)化技術(shù)，使用短球囊對主干處支架進(jìn)行后擴(kuò)張以消除主干處支架的貼壁不良現(xiàn)象。這項(xiàng)概念驗(yàn)證研究證明，這種針對分支支架置入患者個(gè)體化模型是可行的，并且為冠脈左主干分叉支架技術(shù)和充分的后擴(kuò)張對血液流動模式的積極影響提供了獨(dú)特的見解。Chiastra等[28]基于CT血管造影和常規(guī)冠狀動脈造影(CCA)圖像重建了兩例患者的左前降支冠狀動脈分叉模型，模擬了臨床上支架置入的完整過程，分別置入一個(gè)和兩個(gè)支架，使用有限元進(jìn)行計(jì)算分析。對于兩例數(shù)值模擬研究得出時(shí)間平均壁面剪切應(yīng)力(TAWSS)和相對停留時(shí)間(RRT)的結(jié)果表明，更為容易發(fā)生再狹窄風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域位于支架梁、血管分叉和雙支架的支架重疊區(qū)域。研究證實(shí)了虛擬研究患者個(gè)體化冠狀動脈分叉幾何模型的血液動力學(xué)的可行性。將來可以將此研究中提出的局部血液動力學(xué)研究與藥物釋放分析相結(jié)合，應(yīng)用到患者個(gè)體化虛擬模型中將有助于更好地預(yù)測支架內(nèi)再狹窄的風(fēng)險(xiǎn)。Chen等[29]模擬研究了雙分支支架對已知影響再狹窄和血栓形成的血液動力學(xué)參數(shù)的影響。創(chuàng)建了雙支架在分叉病變和非牛頓血液模擬中的三維計(jì)算模型，然后對這些模型進(jìn)行有限元計(jì)算求解。對側(cè)支置入較長和較短的支架與臨床支架置入術(shù)進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)支架位于分叉血管的開口處具有較低壁面剪切應(yīng)力(WSS)，但是壁面剪切應(yīng)力梯度(WSSG)和振蕩剪切指數(shù)(OSI)有所增加。雙分支支架較長側(cè)支架對血管內(nèi)皮WSS、WSSG和OSI影響最大，與較短側(cè)支架相比低WSS區(qū)域多達(dá)50%。模擬還證明了由分支支架突出到靠近主干的主流場引起的流動障礙，這可能對支架血栓形成有影響。模擬預(yù)測了側(cè)支支架置入術(shù)的負(fù)性血液動力學(xué)作用相當(dāng)于或低于臨床支架置入術(shù)，其在較長的側(cè)支支架中更加明顯，與臨床試驗(yàn)結(jié)果相一致。

隨著醫(yī)學(xué)和科技的發(fā)展，在今后對復(fù)雜病變的模擬研究將會更為常見和深入，對支架在分叉病變虛擬置入中的力學(xué)參數(shù)更加精確地分析。其中，計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)是優(yōu)化分析PCI結(jié)果中的常用研究工具，可提供流場的詳細(xì)信息，能夠準(zhǔn)確有效地模擬支架內(nèi)血流情況，評估支架性能，預(yù)測支架對再狹窄的影響，對分析支架內(nèi)血流動力學(xué)變化有重要的指導(dǎo)意義。

4 總結(jié)與展望

支架置入已經(jīng)廣泛應(yīng)用于冠心病的治療。但是目前支架置入方案主要依賴于臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，而患者間差異性增加了選擇的復(fù)雜程度?；谟邢拊椒ǖ墓诿}支架虛擬置入技術(shù)可以根據(jù)患者個(gè)體化數(shù)據(jù)，建立患者個(gè)體化動脈模型，真實(shí)模擬支架置入過程，以求達(dá)到更加真實(shí)的模擬，從而獲得的數(shù)據(jù)更加接近臨床數(shù)據(jù)，預(yù)測不同方案的預(yù)后以及可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)因素，輔助醫(yī)生制定最佳手術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)支架置入的“精準(zhǔn)醫(yī)療”，具有重要的臨床意義。

為了虛擬置入和術(shù)前模擬具有更加可靠的臨床應(yīng)用價(jià)值，還需要對這些數(shù)值模擬研究的預(yù)測能力進(jìn)行進(jìn)一步的臨床驗(yàn)證。筆者認(rèn)為在接下來的支架虛擬置入的研究中，最佳的方案是：球囊與支架模型需要完全依據(jù)介入治療中所使用球囊-支架系統(tǒng)進(jìn)行有限元模型的重建；冠脈模型需要根據(jù)患者病變血管進(jìn)行個(gè)體化建模，并且需要注重血管分層結(jié)構(gòu)、分離出斑塊結(jié)構(gòu)和區(qū)分斑塊的性質(zhì)，盡可能真實(shí)地重建出血管模型；整個(gè)虛擬置入過程遵照醫(yī)師提供的實(shí)際臨床案例步驟進(jìn)行，真實(shí)還原支架置入過程。同時(shí)冠脈支架虛擬置入技術(shù)還存在模型的重建、有限元分析和后期的數(shù)據(jù)處理所需時(shí)間較長等問題，相信隨著介入心臟病專家、生物醫(yī)學(xué)工程師和其他領(lǐng)域的科學(xué)家的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)的共同合作與努力，模擬研究所需時(shí)間會大大縮減，冠脈支架的虛擬置入會更好地應(yīng)用到臨床研究中。