冠狀動脈CT血管造影結合計算流體力學方法評估冠狀動脈血流動力學變化的價值

我國冠心病(coronary atherosclerotic heart disease,CAD)發病率、死亡率每年呈上升趨勢。因此冠心病的早期篩查和診斷尤為重要。國內外學者研究證明,血流動力學改變是導致冠脈受損的重要因素之一[1-2]。臨床工作中,無創評價冠脈的常用方法是CT血管造影(computed tomography angiography,CTA),其對冠脈狹窄的解剖學評價準確性很高[3],但是不能提供血流動力學信息。冠脈CTA圖像結合計算流體力學(computational fluid dynamics CFD)方法可以從血流動力學角度個體化分析復雜形態血管受損的過程[4],從而更好地評價血管的功能狀態。尤其對于冠脈中度狹窄(50%～70%)的病人,管腔狹窄與心肌缺血不匹配可以達到57%[5],如何基于病人冠脈CTA圖像個性化定量分析冠脈狹窄發生前后的血流動力學變化過程,從而更好地評價冠脈斑塊的好發部位、病變冠脈是否導致心肌缺血,同時利用血流動力學的結果制定準確的治療策略,一直是臨床醫生經常面臨和需要解決的問題。鑒于此,本文基于1例左前降支中段中度狹窄病人的冠脈CTA圖像,利用流體力學仿真技術模擬狹窄發生前后冠脈的血流動力學參數變化,并與核素負荷靜息心肌灌注顯像(myocardial perfusion imaging,MPI)結果進行對照,評價血流動力學改變在斑塊的發生、發展以及是否可以判斷心肌缺血中的作用,為大樣本臨床研究的進一步展開進行可行性探索,報道如下。

1 材料與方法

1.1 研究對象 選取2017年2月我院初診懷疑為冠心病的1例病人為研究對象,接受冠脈CTA檢查和心電門控負荷靜息MPI檢查, 兩種檢查均在7 d內完成。該病人在所有檢查前簽署知情同意書。

1.2 方法 (1)冠脈CTA檢查:首先監測病人心率,心率為65次/min。采用荷蘭Philips Brilliance 64層CT機,心電門控心臟增強掃描模式,以5 mL/s的速度注射碘海醇(370 mg/mL)70 mL,注射完畢后以相同速度追加50 mL生理鹽水,應用對比劑跟蹤技術啟動掃描。將該病人冠脈CTA的容積數據傳至富士醫用三維影像后處理工作站觀察,然后使用多平面重建(multiple planar reconstruction,MPR)、最大密度投影法(maximum intensity projection, MIP)、曲面重建(curved planar reconstruction,CPR)和容積再現技術(volume rendering,VR)進行重建,選擇軸位及有意義的重建圖像激光打印。

(2)核素心肌灌注顯像:病人接受兩日法心電門控負荷靜息MPI檢查,其中心肌灌注顯像結果采用17節段5分半定量分析方法。計算狹窄冠脈所匹配的心肌異常灌注區靜息總積分(summed rest score，SRS)、負荷總積分(summed stress score，SSS) 以及灌注積分差(summed difference score，SDS)(負荷總積分-靜息總積分)。其中SDS提示心肌缺血性改變的程度和范圍。左室前壁、前間隔、心尖部和前外側壁心肌缺血定義為左前降支(LAD)病變所致;后外側壁心肌缺血定義為左回旋支(LCX)病變所致;后間隔、下后壁心肌缺血定義為右冠脈(RCA)病變所致。

(3)冠脈血流動力學模型的建立和參數的計算:通過網絡自由軟件(http://www.ablesw.com/3d-doctor/),將冠脈CTA薄層軸位圖像數據以標準的DICOM格式導入專用計算機進行三維重建。從臨床中得到的是狹窄發生后的圖像,通過計算機影像手段可以獲得狹窄發生前的圖像。根據冠脈的三維形狀,生成計算流體力學網格,網格的最小尺寸<0.08 mm。計算流體力學的求解器,是在開源的流體力學程序Openfoam(https://www.openfoam.com/)基礎上二次開發得到的。該求解器的可靠性在之前的工作中得到了驗證[6]。計算為穩態,左冠脈血流100 mL/min,進口壓力95 mmHg,收斂精度為10-6。可以得到中度狹窄發生前后冠脈的血流速度、管壁切應力(wall shear stress,WSS)、管壁壓力(wall pressure,WP)、壓力階差以及血流儲備分數(fractional flow reserve,FFR)。

1.3 圖像分析 通過Synapse PACS系統調取該病人冠脈CTA圖像與MPI圖像,分析冠脈管腔狹窄程度,同時計算異常灌注區心肌SSS(SSS≥4定義為異常灌注區)以及SDS。

2 結果

2.1 病人基本情況 女性,63歲,冠脈CTA顯示左前降支狹窄程度為57%(圖1A-B),其余冠脈分支無狹窄。核素負荷靜息MPI顯示前室間隔為可逆性心肌缺血區,其SSS為9,SDS為8(圖1C)。

2.2 LAD中段狹窄發生前后形態學參數 最小管腔直徑分別為 3.7 mm和1.6 mm;最小管腔面積分別為4.8 mm2和2.3 mm2;斑塊長度分別為0 mm和10.08 mm。見表1。

2.3 LAD中段狹窄發生前后血流動力學參數 最大血流速度為0.2 m/s和1.0 m/s;管壁最大切應力為4.8 Pa和15 Pa;管壁壓力為93 mmHg和65 mmHg;壓力階差為2 mmHg和30 mmHg;FFR-CT為0.98和0.68。見表1和圖2。

表1 LAD中段狹窄發生前后的形態學和血流動力學參數

注:A-B為CTA曲面重建和VR冠脈樹圖像顯示LAD中段管腔中度狹窄;C為核素負荷靜息MPI顯示前室間隔為可逆性心肌缺血區,LAD中段為有功能意義狹窄的冠脈節段(白色箭頭所示)圖1 病人接受冠脈CTA和核素負荷靜息MPI的檢查結果

注:A:模擬狹窄發生前局部血流速度為0.2 m/s;B:狹窄發生后局部最高血流速度為1.0 m/s;C:模擬狹窄發生前局部最大WSS 4.8 Pa;D:顯示斑塊形成后造成管腔狹窄, WSS最大達到15 Pa;E:模擬狹窄發生前局部壓力93 mmHg;F:狹窄發生后壓力明顯減小,局部壓力為65 mmHg;G:模擬狹窄發生前FFRCT為0.98;H:狹窄發生后FFRCT為0.68圖2 冠脈CTA結合CFD方法計算LAD中段狹窄發生前后的血流動力學參數

3 討論

如何定量評價臨界病變(中度狹窄)冠脈血流動力學變化是本研究的首要問題。根據流體力學模擬的計算,可以得出狹窄發生前后冠脈內的血液流速場、壁面壓力、流動壓力階差、壁面切應力和血流儲備分數等關鍵參數。

我們的研究發現LAD狹窄發生前局部管腔中心向外周血流速度逐漸降低,這種血流速度場,可增加血液中的脂蛋白、淋巴細胞和單核細胞等成分與血管內皮細胞接觸,導致內皮細胞基因表達譜出現相應變化,促進動脈粥樣硬化病變的形成[7]。狹窄發生后血流速度場顯示狹窄周圍的血流速度加快,最窄處局部血流速度為狹窄前5倍,這種血流速度場會使狹窄下游的血流明顯減低。

冠脈管壁和動脈粥樣硬化斑塊都同時承受兩種機械力,WSS和WP。WSS是影響斑塊發生、發展以及演變的重要血流動力學參數,這一點已被多個研究證實[8-11]。WSS在維護血管內皮功能方面有重要作用,其數值與局部血液黏度和血流速度相關。血管內皮細胞可以感知WSS的變化并反過來影響正常內皮細胞的功能,導致動脈粥樣硬化的發生和進展。大量文獻都證明,在血管結構明顯變化的區域容易產生低WSS值,局部低WSS處易發生脂質沉積最終發生動脈粥樣硬化,導致器官供血不足[1-2,4,7-11]。我們的計算結果表明LAD狹窄發生前局部WSS分布不均勻,血管分叉相對的外側壁局部WSS較低,提示為斑塊好發區域。通過對比分析狹窄發生前后的計算結果,該病人的偏心斑塊位于狹窄前WSS比較低的區域,本例研究也證實低WSS為斑塊發生的原因之一,可以通過對低WSS區域的檢測作為預測斑塊易發部位的證據,為預防和治療動脈粥樣硬化提供了一種新方法。

當斑塊所承受的壓力超過自身的彈性強度就有可能發生破裂,因此血管壁和斑塊局部承受的WP和WSS對于全面評價冠脈斑塊的好發部位和斑塊進展有重要作用。我們的計算結果表明,狹窄區域WP明顯大于WSS,因此管壁壓力可能在斑塊破裂方面起到比較重要的作用。

我們的計算結果顯示,血流經過狹窄處能量損失增加,壓力下降明顯,狹窄發生后FFRCT值為0.68,LAD中段為有功能意義狹窄冠脈節段,與核素負荷靜息MPI顯示前室間隔為可逆性心肌缺血區相吻合。MPI是ACC/AHA/ASNC指南中明確診斷心肌缺血的檢查手段[12]。以往臨床工作中,MPI聯合冠脈CTA檢查可以在無創情況下既能了解冠脈病變的解剖學變化, 又能了解局部心肌的實際供血情況,但是對于多支冠脈病變導致的心肌缺血,MIP很難明確罪犯血管的節段,這樣會導致治療的盲目性,同時二者聯合應用會增加受試者的輻射劑量和醫療消費。有創的FFR可以在生理條件下測量,但是不能測量所有的冠脈血管,只能測量冠脈造影顯示有明顯狹窄的節段,這種測量方法會導致診斷的誤差。

多個研究證實,基于冠脈CTA的無創血流儲備分數FFR-CT,與有創FFR測量結果有很強的的一致性(FFR<0.75定義為有功能意義狹窄節段)[13-15]。與傳統冠脈CTA相比可以明顯提高識別心肌缺血的效能,可以多支血管多部位計算測量,準確定位罪犯血管的節段,減少再血管化治療過程中的輻射劑量和盲目性,為病人個性化診斷治療策略的制定提供了準確的信息。對于不能耐受或不愿進行冠脈造影檢查的病人可以提供一種良好的替代選擇,尤其對于血管重建術后病人的復查更是一種良好的選擇。

本研究使用的流體力學計算體系穩定，運算速度較快,總體計算時間為3 h,明顯短于目前的文獻報道(5～6 h)[16]。在不增加醫療消費、病人輻射劑量和造影劑用量的前提下,通過對比狹窄發生前后左前降支的形態學和血流動力學參數,可以發現血流動力學變化在動脈粥樣硬化中的作用,拓寬了CTA的診斷價值。一次掃描完成冠脈解剖學和功能學的雙重評價。通過WSS的變化可以預測斑塊的發生和部位,FFR-CT的計算結果可以明確斑塊的臨床結局并指導臨床醫生制定個性化的治療策略。冠狀動脈CTA結合CFD方法對于冠心病預警和個性化管理冠心病病人有著廣泛的應用前景。