迂曲冠狀動脈血流動力學數值模擬分析

馮明明 陳曉琴 成志國 陳廣新 郭金興

1.牡丹江醫學院醫學影像學院，黑龍江牡丹江 157011；2.黑龍江省牡丹江市康安醫院影像科，黑龍江牡丹江 157011；3.牡丹江醫學院附屬紅旗醫院眼一科，黑龍江牡丹江 157011

冠狀動脈迂曲是一種常見的解剖異常。隨著影像技術的進步，其檢出率逐漸增高，越來越多的研究關注迂曲冠狀動脈與患者臨床癥狀及預后的關系，多項研究發現冠脈迂曲與頸動脈、股動脈、視網膜動脈迂曲有關。有學者認為多種因素共同作用導致了血管迂曲的發生，然而冠狀動脈迂曲的發病、發生、發展機制至今未完全闡明[1-4]。冠狀動脈形態學的異常導致血流動力學參數的異常變化，造成冠狀動脈分叉病變，這一點得到廣泛證實。

計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）是一門近代流體力學、數值數學以及計算機三者結合的對各種流體力學問題進行分析研究的強大交叉科學。本文通過對患者與正常冠狀動脈的CTA影像數據三維重構血管模型進行數值模擬，分析冠狀動脈迂曲的血流動力學參數的分布特征，為臨床醫生診治冠狀動脈迂曲提供參借鑒與指導。

1 資料與方法

1.1 一般資料

采集冠狀動脈迂曲及正常冠脈的CTA圖像各1例，由牡丹江醫學院附屬紅旗醫院影像科提供。影像檢查設備為日本東芝Aquilion 64層螺旋CT，檢查數據采用 DICOM格式拷貝、存儲。研究經醫院醫學倫理委員會審查、批準，患者簽署知情同意書。

1.2 三維模型構建

將冠狀動脈薄層橫斷面數據導入MIMICS軟件（Materialise公司醫學版本21.0，比利時），軟件自動生成矢狀位及冠狀位、橫斷位圖像，為了確保左冠狀動脈數據集被完整提取，閾值設置為120～1300 HU，隨后對圖像進行3D預覽，通過蒙片編輯功能截取左冠脈及采用區域增長功能重建左冠狀動脈近段三維模型。模型以STL格式導出，再將其導入正向工程軟件3-matic，對模型進行光滑處理后，裁剪出左冠脈的入口及出口并對模型進行質量診斷，達標后進行保存。由此得到迂曲和正常的冠狀動脈三維模型，見圖1。

圖1 正常與迂曲冠狀動脈三維模型（a為正常冠狀動脈，b為迂曲冠狀動脈）

1.3 有限元網格劃分

通過ANSYS FLUENT MESHING（ANSYS，美國）軟件對上一步的模型進行網格劃分。流體網格采用多面體六面體核心網格劃分、為保證計算的精度，對邊界層5層加密。

1.4 邊界條件與計算設置

在數值模擬中作出如下假設：血管壁為剛性壁；血液定義為不可壓縮的牛頓流體；雷諾數Re=285，故可將血液流動情況認為是層流。基于上述條件，控制方程采用N·S方程。計算所用的邊界條件：①入口條件為隨時間變化的速度入口，波形曲線如圖2所示；②管壁處設定為無滑流發生，血管壁面上的速度為零；③出口設置為不存在質量損失的自由出口。本研究中[6-7]血液黏度μ=4 g /（m·s）、血液密度ρ=1060 kg/m3，血流的數值模擬采用Fluent（ANSYS，美國）軟件完成。冠狀動脈幾何形態與出口數據見表1，出口阻力值按照壓力公式[阻力系數×（入口直徑/出口直徑）2.333]計算獲得。

表1 冠狀動脈幾何形態與出口阻力

2 結果

通過數值模擬計算，得到三種血流動力學數據：時間平均壁面剪切應力（time averaged wall shear stress，TAWSS）、時間平均壁面剪切應力梯度（averaged wall shear stress grade，TAWSSG）、橫向壁面剪切應力（transverse wall shear stress，TransWSS）。

2.1 TAWSS分布

WSS是血管內膜所受到的切向作用力，而TAWSS則是在一個心動周期內的WSS平均值。有研究發現過小的WSS可能引起內皮細胞的炎性反應和血小板的沉積，而過大的WSS則可能誘導血小板激活，從而損傷動脈壁[8]。在正常冠脈的近入口處、血管分叉處時間平均壁面剪切應力稍高；而冠狀動脈迂曲模型的血管分叉處時間平均壁面剪切應力未見明顯異常，左前降支即迂曲血管，可見時間平均壁面剪切應力節段性升高，見圖3。

圖3 TAWSS分布云圖（a為迂曲冠狀動脈，b為正常冠狀動脈）

2.2 TAWSSG分布

TAWSSG是WSSG的平均時間值，能更好地觀測WSS數值的變化，正常冠脈近入口處及血管分叉處的時間平均壁面剪切應力梯度稍高且數值相差不大；冠狀動脈迂曲模型的左前降支起始處時間平均壁面剪切應力梯度最高，其余血管轉折處也有較高的時間平均壁面剪切應力，而左回旋支及中間支數值較低，未見異常，見圖4。

圖4 TAWSSG分布云圖（a為迂曲冠狀動脈，b為正常冠狀動脈）

2.3 TransWSS分布

TransWSS，即不同方向的壁切應力，但其本身并不能完全表征WSS的模式[9]，正常冠狀動脈模型的近入口處、血管分叉處及一側出口橫向壁面剪切應力稍高，其余部分數值較低大致相同。而冠脈迂曲處的橫向壁面剪切應力數值整體偏高，見圖5。

圖5 TransWSS分布云圖（a為迂曲冠狀動脈，b為正常冠狀動脈）

3 討論

冠狀動脈迂曲的具體定義國外各個文獻尚有一定差異，但均是通過血管走形迂曲的數量和迂曲段與主支走行方向的夾角作為該解剖變異的評定標準[10]。根據冠狀動脈的主干如左前降支、左旋支、右冠狀動脈在心臟舒張期的不同情況分為：≥3個彎曲（與主支血管走行夾角）≥90°定義為輕度迂曲；≥3個彎曲≥90°但≤120°認為是中度迂曲；≥3個彎曲≥120°是冠狀動脈重度迂曲（severe coronary tortuosity，SCT）[4，11-12]。由于冠狀動脈為心臟的供血血管，且走行于心臟表面，故具有特殊性，其發病機理可能與人體其他的動脈有一定差異。主要由血管的牽引力、血管壁內壓力及冠脈的彈性回縮力這三者共同維持冠狀動脈形態的穩定。正常情況下血管的牽引力和血管壁內壓力延長血管，而這兩股力量的合力與一個冠脈彈性回縮的反作用力相抵消。一般情況下，牽引力、血管壁內壓力和彈性回縮的力大小相等、方向相反，這維持了血管形態的穩定，因此，通常情況下不論是心臟的收縮期還是舒張期，冠狀動脈的形態改變都是可逆的。冠狀動脈彈性回縮的力量基本由彈性蛋白所承擔。如果彈性蛋白發生退化、變性，或者是冠狀動脈內的壓力發生了變化，這都將導致上述力的平衡被打破，血管在心臟的舒張及收縮過程中將會發生形態不可逆的形態學改變，導致擴張性動脈瘤的發生或是造成冠狀動脈迂曲[4]。除此之外，有學者通過小動物實驗發現動脈在較高的血管剪切應力作用下可以出現血管壁的損傷及自我修復即發生血管重塑[13-15]。

本實驗尚存在一定局限性：樣本量較少，只將1例輕度冠狀動脈迂曲的患者與正常冠狀動脈進行數值模擬分析，未來希望加大樣本量，并豐富相關臨床信息。本試驗將血管壁定義為剛性壁，然而在正常人體中血管具有一定的彈性，管壁與流動的血液會相互作用，且血管周圍存在其他組織。在本實驗中，血液定義為不可壓縮的牛頓流體，而正常人體血液中含有各種固體小顆粒成分如紅細胞、白細胞、蛋白質等，情況更為復雜，與此相比會有一定的血流動力學差異。

通過本實驗數值模擬分析可以發現，迂曲的左前降支TAWSS稍高，可能增加了血管壁損傷的幾率，而TAWSSG、TransWSS數值較高，可以認為動脈迂曲處較容易發生炎癥反應進而形成冠狀動脈粥樣硬化，需要進行干預或者服用臨床藥物。

綜上所述，冠狀動脈迂曲處較容易發生動脈粥樣硬化，這也與上述學者的研究結果相符[14-15]，但不同程度迂曲的血流動力學可能存在差異，需要科研工作者繼續探索，為臨床早期干預冠脈迂曲患者提供幫助。