基于CT成像的冠狀動脈狹窄血流動力學分析

摘要：目的 基于心血管患者的冠狀動脈血管模型，通過計算和分析血管內血液流動的各個動力學參數，研究冠狀動脈狹窄對心血管疾病的影響。方法 基于心血管患者冠狀動脈造影的CT圖像，用Mimics軟件對左冠狀動脈及其主要分支進行三維重建；利用有限元方法，對冠狀動脈模型進行流體力學計算。假設血管壁不發生變形，血液為不可壓縮牛頓流體，在非定常速度進口的條件下計算各血流動力學參數的變化規律。結果 冠狀動脈狹窄（75%面積狹窄）對下游的壁面剪切力和振蕩剪切指數影響較大，并且會導致渦流和二次流的產生；在模型中裝上血管支架，使得血管狹窄消失之后，渦流和二次流基本消失，而且振蕩剪切指數明顯變小。結論 冠狀動脈狹窄對血流動力學參數有重大影響，可能是引起動脈粥樣硬化的原因；通過CT圖像重建方法，可以診斷狹窄發生的地點以及嚴重性，對心血管疾病的治療有一定的輔助作用。

關鍵詞：動脈粥樣硬化；冠狀動脈狹窄；三維重建；CT；血流動力學

動脈粥樣硬化是嚴重影響人類健康的心血管疾病。在西方發達國家，由動脈粥樣硬化導致的心腦血管疾病是造成死亡的首要原因[1]。隨著生活方式和飲食習慣發生改變，該病也逐漸成為中國居民死亡的主要原因[2]。冠狀動脈狹窄（尤其是面積狹窄在75%以上的狹窄）會導致心肌供血不足，進而導致動脈粥樣硬化等各種心血管疾病，對臨床診斷有重要意義[3-5]。冠脈支架植入技術是介入性治療心臟病的一種新方法，能將血管狹窄區有效撐開，創傷小而且效果好，能大幅度降低心梗死亡率[6]。本文基于心血管患者的CT造影，利用三維圖像重建和有限元分析的方法，研究了冠狀動脈狹窄對下游的各流體力學參數的影響，以及裝上支架以后各參數和血液流動的變化情況，為心血管疾病的診斷和血管支架的應用提供了一種理論方法。

1資料與方法

圖3為患者左冠狀動脈的平均壁面剪切力，可以看出，在LAD主干的兩處狹窄處，TAWSS有一定的升高，而在狹窄下游，TAWSS要明顯降低，這種剪切力的急劇變化，有可能會形成血管斑塊，嚴重時會造成斑塊破裂。而在LCx的第1、2級分支，LAD的第2級分支處都有狹窄，而三處的TAWSS都非常高，說明這三處的病變相當嚴重。相對應的，圖4為患者左冠狀動脈的振蕩剪切指數，可以看出，在LAD主干的兩處狹窄處，OSI都有一定的升高區域，說明在該區域中，血管有明顯的病變發生。而在三處分支狹窄的地方，OSI都有一定的高數值區域，同樣對應著病變的發生。圖5為患者LAD主干兩處狹窄附近的流線。可以看出，在第一個狹窄下游，出現了回流和渦流，在第二個狹窄下游，出現了二次流。在血管中出現的回流、渦流、二次流往往會導致局部流動紊亂，并對動脈壁產生極大的影響，可能會導致心肌供血不足以及動脈粥樣硬化的發生。

冠狀動脈主干處的狹窄往往影響巨大，因此我們需要對狹窄進行治療。一般來說有藥物治療、外科手術和介入性治療三大類。其中，介入性治療（冠脈支架植入）因其創傷小、見效快，成為目前治療心血管狹窄的重要方法。下面，我們討論對患者主干處狹窄進行支架植入之后，血流動力學參數的變化情況。

2.2血管支架植入后血流的變化，見圖6～圖8。

裝完血管支架后，我們可以看出，LAD主干處的兩處狹窄被撐開（圖5、6），血管恢復成應有的寬度（內徑）。對比圖6和圖3，我們發現原狹窄處的高剪切力區域消失，剪切力在局部區域急劇變化的現象已經消失，說明患者動脈壁受到的損害得到了控制。同樣的，對比圖7和圖4，原狹窄處的高OSI分布區域已經完全消失，說明患者動脈壁上受到的剪切力脈動刺激已經降到了比較低。而圖8中的流線也變得十分規律，回流、渦流和二次流基本消失了，不會再引起心肌供血不足。

3討論

從以上結果中可以看出，冠狀動脈主干處的狹窄對血液動力學參數的影響十分明顯。狹窄會導致壁面剪切力的升高以及局部剪切力急劇變化，會導致局部振蕩剪切指數的急劇升高，會導致狹窄下游處的回流、渦流以及二次流的產生。因此，我們在對心血管疾病患者進行診斷時，可以通過CT造影和三維重建，判斷該患者冠狀動脈狹窄的具體位置和狹窄程度，并通過有限元分析，計算該患者的血流動力學參數，以判斷該患者血管受狹窄的影響程度大小，以及血管的哪一個具體位置可能會發生病變。而關于支架的研究表明，血管支架可以明顯改善心血管病患者狹窄處附近的血液流動情況。該研究的意義還在于，我們可以通過模擬安裝支架的方法，計算出安裝方位、支架大小等對患者病情的影響，以便對介入性治療進行一定的理論指導。

由于心臟收縮和舒張會導致血管壁的收縮和舒張，我們這里的剛性壁面條件就不再適用，而需要采取更加真實的動壁面條件。因此我們下一步的工作，應該考慮到心臟舒縮導致的血管壁移動，進行更加細致的分析，為進一步研究冠狀動脈粥樣硬化的機理提供理論依據。

4結論

本文基于心血管患者的CT造影，利用三維圖像重建和有限元分析的方法，研究了冠狀動脈狹窄對下游的各流體力學參數的影響，以及裝上支架以后各參數和血液流動的變化情況。分析結果發現，冠狀動脈狹窄對下游的壁面剪切力和振蕩剪切指數影響較大，并且會導致渦流和二次流的產生；在模型中裝上血管支架，使得血管狹窄消失之后，渦流和二次流基本消失，而且振蕩剪切指數明顯變小。CT造影和有限元分析結合的方法，為研究動脈粥樣硬化的機理提供了一種理論方法，為診斷、治療血管狹窄提供了一定的技術支持。

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編輯/申磊