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摘 要： 心血管疾病是全球范圍內致壽命損失的主要原因[1]。根據《中國心血管病報告2017》的數據，我國心血管疾病現患病人數為2.9億，心血管疾病死亡率仍居首位[2]。隨著人口數量增長及老齡化，動脈粥樣硬化性心血管疾病(ASCVD)的死亡仍在增長，主要包括缺血性心臟病
心血管疾病是全球范圍內致壽命損失的主要原因[1]。根據《中國心血管病報告2017》的數據，我國心血管疾病現患病人數為2.9億，心血管疾病死亡率仍居首位[2]。隨著人口數量增長及老齡化，動脈粥樣硬化性心血管疾病(ASCVD)的死亡仍在增長，主要包括缺血性心臟病及腦血管疾病，已成為全球公共衛生優先考慮的問題[3]。
動脈粥樣硬化依賴于復雜的血流模式[4]。近年來隨著計算流體力學(CFD)技術的發展，一些流體力學參數如，壁面剪應力[WSS] 、震蕩剪切指數(OSI)、壁面壓力(WP)等與斑塊的形成、發展密切相關。
1 計算流體力學主要步驟
隨著醫學影像技術的發展，MRA、CTA、DSA等可清晰顯示病變血管的位置及程度[5]。通過將上述影像資料導入逆向工程軟件如MIMICS、Geomagic studio等構建三維結構的血管，此三維結構的生物圖形主要是由多個大小不等的三角片網格組成，可有效還原病變血管的形態學特征。通過 MIMICS生成目標血管動脈中心線，然后通過編輯中心線可剪切獲得目標血管的三維圖形。通過將上述三維圖像以STL 格式保存導入網格優化軟件對其進行網格優化處理，生成大小近似、網格較密集的結構。3-matic軟件是MIMICS軟件優化網格的配套系統，通過將初始三維網格圖形導入Mesh進行更加細密的優化，亦可進一步生成體網格結構便于計算流體力學軟件ANSYS系統計算相關流體力學參數。優化后的網格需要進一步導入ANSYS系統，再次通過Mesh優化網格生成四面體。一般目標血管的四面體數從幾萬至幾十萬不等。由于計算精度的需要，四面體數越高，最后獲得的流體力學數據越接近真實。而后通過ANSYS系統設置血管邊界條件，如出口、入口、管壁厚度等[6]。一些血流的基本資料如，密度、粘度、速度等需要導入ANSYS系統[7]，最后通過ANSYS系統軟件獲得流體力學數據如，WSS、OSI、WP等。
2 生物力學指標與動脈粥樣硬化進展的關聯
力學因素對人類的心血管系統的生理病理過程的作用是最直接和最明顯的。心臟泵出的血液對血管系統產生兩種主要力量：與血管壁平行的血液流動的摩擦力，即壁面剪應力，以及拉伸血管壁的血壓，即壁面壓力。動脈粥樣硬化斑塊的進展受到作用于血管壁機械力(徑向、周向和縱向力)或作用于血管內皮表面的剪應力的影響[4]。 2.1 壁面剪應力 在生物力學，應力(stress)被定義為單位表面積的作用力[8]。對于心血管研究領域，WSS是一種影響著動脈粥樣硬化自然史的重要應力。WSS的大小受到腔的幾何形狀、血流速度和血漿粘度的影響，其單位為多種可互換的單位(例如1Pa=1N/m2 =10 dynes/cm2 )。靜脈系統血流剪應力一般為(1~6)dynes/cm2 ，動脈系統一般為(10~70)dynes/cm2 。在體內，動脈低的WSS被定義為<1 Pa，而只有極低的幅度(如10-2 Pa)與動脈粥樣硬化發展和血液凝固有關[8]。體內研究證明：抗動脈粥樣硬化的平穩血流產生的剪應力大小高于10 dynes/cm2 ，促動脈粥樣硬化的擾動血流產生的剪應力大小低于4 dynes/cm2 ，因此目前體外研究多采用12~15 dynes/cm2 的剪應力作為生理大小的剪應力，3~5 dynes/cm2 的剪應力作為病理大小的剪應力[9]。WSS 依賴于解剖位置，在遠端血管或動脈側分支中常觀察到其最高值，其對預先存在的動脈幾何形狀敏感，在血管壁外曲部高，內曲部低。當血流速度恒定時，在動脈粥樣硬化最狹窄處，WSS大大增高，由于局部管腔橫斷面狹窄血流即會變得加速。內皮剪應力隨著年齡的增長而減少，伴隨著隨后的動脈粥樣硬化斑塊的進一步發展[11]。剪應力影響內皮細胞炎癥反應，高剪應力有利于維持內皮屏障(抗凝、抗炎、抗氧化)的生理特性;相比之下，低剪應力引起內皮細胞死亡，降低了炎癥細胞在內皮細胞表面滾動的速度，促進血小板和巨噬細胞粘附于動脈壁上，有利于動脈粥樣硬化斑塊的形成，這些機制主要針對MAPK和NFκB通路 [4,12,13]。以上效應很可能是由內皮細胞中特定的非編碼RNA 及mRNA的表達調節而成[14,15]。最近一項基于OCT和計算流體力學的冠脈短期隨訪研究顯示：在6個月的時間內，盡管給予降低膽固醇的治療，低內皮剪應力仍與高風險表型的斑塊進展密切相關[16]。此外，擾動的血流很可能與低的WSS 相關，擾動的血流被動脈分叉和血管曲率影響，在狹窄斑塊的下游是典型的。在體內，WSS可通過計算流體力學模擬所估計。當血流為雙向和軸向錯流時，會產生震蕩剪應力(OSS)。一個心動周期內，可以用來描述WSS向量方向性上變化的參數是震蕩剪應指數(OSI)。OSI是一個介于(0，0.5)之間的無量綱數值，表示在整個心動周期內壁面剪應力方向的變化程度，其值越大就證明壁面剪應力方向變化越劇烈[17]。目前體外力學模型及臨床研究均認為，流區低水平剪應力(<4 dynes/cm2 )促進粥樣硬化的發生及斑塊形成[18]，而某一范圍(10~70 dynes/cm2 )的高水平剪應力則會對抗動脈粥樣的發生[19,20]。
2.2 壁面壓力 血液對血管壁面的垂直壓力稱壁面壓力[21]。由血液流動在一個心動周期內不同時刻的血管壁面壓力分布是有差異的，收縮期的血管壁面壓力比舒張期的血管壁面壓力具有更大的量值和變化幅度。在收縮早期(速度上升期), 血管壁面壓力從近心端向遠心端逐漸降低，從t= 0.1 s，降主動脈遠心端的壓力開始超過升主動脈近心端的壓力。此后血管壁面壓力從近心端向遠心端逐漸增大;在舒張期后半段升、降主動脈血管壁面壓力慢慢恢復到差不多一樣。在升主動脈和降主動脈處的血管壁面壓力內、外側基本相同，而主動脈弓的血管壁面壓力在整個收縮期過程中，外側壁的壓力明顯地高于內側壁的壓力。在舒張期胸主動脈的血管壁面壓力分布內、外側壁沒有明顯的差別。低壁面壓力區域為動脈粥樣硬化斑塊的好發部位。
3 應用計算流體力學對動脈粥樣硬化性心血管疾病研究進展
除了年齡、高血壓、吸煙、高脂血癥等因素影響心血管疾病外，由于獨特的局部流動模式和隨后內皮剪應力的環境，病變血管處流體力學特征改變與動脈硬化斑塊的形成密切相關。從而通過計算流體動力學進行詳細評估局部內皮剪應力，而有望有效地治療和最終預防動脈粥樣硬化。
3.1 應用計算流體力對動脈分叉病變的研究 盡管整個動脈系統暴露于某些危險因素如，高血壓、糖尿病、高血脂等，但斑塊的形成具有幾何傾向如，主動脈弓內曲、靠近動脈分叉處的點。尸檢標本提示頸動脈分叉處是頸部血管病變部位的首選部位，該處會產生復雜的血流結構，包括流量分離與再循環，從而導致低WSS與OSI[22]。一項涉及50 名年輕人的研究發現，頸動脈分叉處的面積比與頸動脈球部迂曲的相互作用可有效預測頸動脈球部的WSS分布[22];而且體外實驗證實低WSS與OSI對頸動脈分叉處最大內膜增厚區域及斑塊形成的初始階段具有密切聯系[22]。另一項研究納入228例無癥狀型頸動脈粥樣硬化患者，隨訪1147.56± 224.84 d，通過MRA獲取斑塊的形態學特征，導入MIMICS軟件及ANSYS系統計算流體力學參數發現局部血液湍流的出現促進動脈粥樣硬化的形成，低WSS與斑塊的形成存在密切聯系[24]。在血管分叉處，血流形態發生變化，正常層流狀態的血流速度拋物線發生偏移而產生低WSS的區域[25]。局部較快的血流、低WP、高WSS與斑塊破裂相關。通過對冠狀動脈左主干分叉分析發現，左主干-前降支迂曲是出現低WSS的有效預測因子，而左主干-回旋支迂曲、分叉角度、面積比無法有效預測WSS[26]。也有研究證實前降支-回旋支角度、低WSS與OSI之間存在聯系[22]。在左主干斑塊多發于外側壁，位于分叉處的早期斑塊與高WSS相關，一項比較合理的解釋是在分叉區域積極有效的血管重塑是有限的，導致在疾病早期就已經出現管腔狹窄與WSS升高[27]。
3.2 應用計算流體力學對動脈硬化斑塊的研究 一項研究納入13位冠心病患者的31處斑塊，將斑塊分為四部分：斑塊上游、帽部、肩部、斑塊下游，分析斑塊局部WSS及應變值，發現斑塊上游、帽部、肩部的WSS處于較高水平而斑塊下游的WSS明顯較低，斑塊的應變值也與WSS分布類似[28]。提示斑塊下游與斑塊其他位置相比較硬。WSS分布亦與冠脈斑塊破裂相關，主要位于斑塊肩部上游區域，破裂區域的WSS比平均WSS高約59%[29]。一項涉及55位穩定型心絞痛、不穩定型心絞痛、心肌梗死患者的橫斷面研究發現局部斑塊應變值在這三類人群中的應變值點逐漸升高[30]。
3.3 應用計算流體力學對動脈瘤破裂風險的研究 動脈瘤形態學及局部流體力學改變已經被證實與動脈瘤破裂相關。一項研究納入119例顱內動脈瘤患者(30例破裂，81例未破裂)，逆向生成三維圖形，導入ANSYS系統分析動脈瘤的形態學參數及流體力學參數[31]。發現動脈瘤流體力學模型(61%)擁有復雜的血流模式;相反，多數未破裂的動脈瘤(75%)模型內呈現出單一的血流模式。動脈瘤破裂與 WSS、OSI密切相關，可作為獨立性預測因子，其中動脈瘤內WSS每增加一個單位破裂風險增加2.08倍，OSI每增加一個單位動脈瘤破裂風險增加17.4倍。低WSS與高OSI可上調內皮細胞粘附因子表達，增加血管通透性，促進動脈粥樣硬化及炎性細胞滲透。這些流體力學條件通過觸發動脈粥樣硬化及炎癥途徑使動脈瘤壁退化，最終破裂。
3.4 應用計算流體力學對大腦中動脈血管狹窄的研究 大腦中動脈是顱內血管狹窄及卒中的高發部位[32]。中動脈M1段具有平直不受其他彎曲、轉折等幾何因素的影響，且亦多發顱內動脈硬化及狹窄。大腦中動脈的血流動力學在狹窄段明顯改變，與顱內動脈粥樣硬化斑塊形成和發展密切相關。沈雷等[32]的研究通過收集10例癥狀性單側大腦中動脈 M1段局限性狹窄患者的DSA圖像，測量M1段狹窄程度，通過逆向三維重構軟件獲取M1段三維圖形，用Geomagic studio 除去主干分叉及凸起，導入ANSYS系統，計算獲得狹窄處與遠端血管的WSS、OSI等，發現狹窄段WSS明顯高于遠端正常段，狹窄段血流速度快于遠端正常段，狹窄處OSI低于遠端正常段。通過建立M1段流固耦合仿真模型發現血管內介入治療前后M1段狹窄部流體力學數據明顯改變，WSS較治療前明顯降低[34]。
相關期刊推薦：《中國心血管病研究》Chinese Journal of Cardiovascular Review(月刊)2003年創刊，是中央級全國性醫學學術期刊。主要報道心血管病領域的科研成果和臨床心血管病內、外科診療經驗為主要內容，突出科學性、先進性、可讀性和實用性。有投稿需求的作者，可以直接與期刊天空在線編輯聯系。
4 小結
心血管流體力學正成為研究冠心病、腦卒中疾病發生與進展的主要方向，可使我們更加深入了解動脈粥樣硬化斑塊的形成與進展。WSS、WP、OSI等動脈局部血流動力學參數與心腦血管疾病存在密切聯系。結合其他心腦血管疾病高危預測因子可有效預測及篩選高危人群，為預防心血管疾病不良事件的發生提供依據。
