發(fā)布時(shí)間：2019-10-28所屬分類：醫(yī)學(xué)職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 心血管疾病是全球范圍內(nèi)致壽命損失的主要原因[1]。根據(jù)《中國(guó)心血管病報(bào)告2017》的數(shù)據(jù)，我國(guó)心血管疾病現(xiàn)患病人數(shù)為2.9億，心血管疾病死亡率仍居首位[2]。隨著人口數(shù)量增長(zhǎng)及老齡化，動(dòng)脈粥樣硬化性心血管疾病(ASCVD)的死亡仍在增長(zhǎng)，主要包括缺血性心臟病
心血管疾病是全球范圍內(nèi)致壽命損失的主要原因[1]。根據(jù)《中國(guó)心血管病報(bào)告2017》的數(shù)據(jù)，我國(guó)心血管疾病現(xiàn)患病人數(shù)為2.9億，心血管疾病死亡率仍居首位[2]。隨著人口數(shù)量增長(zhǎng)及老齡化，動(dòng)脈粥樣硬化性心血管疾病(ASCVD)的死亡仍在增長(zhǎng)，主要包括缺血性心臟病及腦血管疾病，已成為全球公共衛(wèi)生優(yōu)先考慮的問題[3]。
動(dòng)脈粥樣硬化依賴于復(fù)雜的血流模式[4]。近年來隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展，一些流體力學(xué)參數(shù)如，壁面剪應(yīng)力[WSS] 、震蕩剪切指數(shù)(OSI)、壁面壓力(WP)等與斑塊的形成、發(fā)展密切相關(guān)。
1 計(jì)算流體力學(xué)主要步驟
隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)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(dǎo)入逆向工程軟件如MIMICS、Geomagic studio等構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)的血管，此三維結(jié)構(gòu)的生物圖形主要是由多個(gè)大小不等的三角片網(wǎng)格組成，可有效還原病變血管的形態(tài)學(xué)特征。通過 MIMICS生成目標(biāo)血管動(dòng)脈中心線，然后通過編輯中心線可剪切獲得目標(biāo)血管的三維圖形。通過將上述三維圖像以STL 格式保存導(dǎo)入網(wǎng)格優(yōu)化軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化處理，生成大小近似、網(wǎng)格較密集的結(jié)構(gòu)。3-matic軟件是MIMICS軟件優(yōu)化網(wǎng)格的配套系統(tǒng)，通過將初始三維網(wǎng)格圖形導(dǎo)入Mesh進(jìn)行更加細(xì)密的優(yōu)化，亦可進(jìn)一步生成體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)便于計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS系統(tǒng)計(jì)算相關(guān)流體力學(xué)參數(shù)。優(yōu)化后的網(wǎng)格需要進(jìn)一步導(dǎo)入ANSYS系統(tǒng)，再次通過Mesh優(yōu)化網(wǎng)格生成四面體。一般目標(biāo)血管的四面體數(shù)從幾萬至幾十萬不等。由于計(jì)算精度的需要，四面體數(shù)越高，最后獲得的流體力學(xué)數(shù)據(jù)越接近真實(shí)。而后通過ANSYS系統(tǒng)設(shè)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(dǎo)入ANSYS系統(tǒng)[7]，最后通過ANSYS系統(tǒng)軟件獲得流體力學(xué)數(shù)據(jù)如，WSS、OSI、WP等。
2 生物力學(xué)指標(biāo)與動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展的關(guān)聯(lián)
力學(xué)因素對(duì)人類的心血管系統(tǒng)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(duì)血管系統(tǒng)產(chǎn)生兩種主要力量：與血管壁平行的血液流動(dòng)的摩擦力，即壁面剪應(yīng)力，以及拉伸血管壁的血壓，即壁面壓力。動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的進(jìn)展受到作用于血管壁機(jī)械力(徑向、周向和縱向力)或作用于血管內(nèi)皮表面的剪應(yīng)力的影響[4]。 2.1 壁面剪應(yīng)力 在生物力學(xué)，應(yīng)力(stress)被定義為單位表面積的作用力[8]。對(duì)于心血管研究領(lǐng)域，WSS是一種影響著動(dòng)脈粥樣硬化自然史的重要應(yīng)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(tǒng)血流剪應(yīng)力一般為(1~6)dynes/cm2 ，動(dòng)脈系統(tǒng)一般為(10~70)dynes/cm2 。在體內(nèi)，動(dòng)脈低的WSS被定義為<1 Pa，而只有極低的幅度(如10-2 Pa)與動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展和血液凝固有關(guān)[8]。體內(nèi)研究證明：抗動(dòng)脈粥樣硬化的平穩(wěn)血流產(chǎn)生的剪應(yīng)力大小高于10 dynes/cm2 ，促動(dòng)脈粥樣硬化的擾動(dòng)血流產(chǎn)生的剪應(yīng)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(yīng)力作為生理大小的剪應(yīng)力，3~5 dynes/cm2 的剪應(yīng)力作為病理大小的剪應(yīng)力[9]。WSS 依賴于解剖位置，在遠(yuǎn)端血管或動(dòng)脈側(cè)分支中常觀察到其最高值，其對(duì)預(yù)先存在的動(dòng)脈幾何形狀敏感，在血管壁外曲部高，內(nèi)曲部低。當(dāng)血流速度恒定時(shí)，在動(dòng)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(huì)變得加速。內(nèi)皮剪應(yīng)力隨著年齡的增長(zhǎng)而減少，伴隨著隨后的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的進(jìn)一步發(fā)展[11]。剪應(yīng)力影響內(nèi)皮細(xì)胞炎癥反應(yīng)，高剪應(yīng)力有利于維持內(nèi)皮屏障(抗凝、抗炎、抗氧化)的生理特性;相比之下，低剪應(yīng)力引起內(nèi)皮細(xì)胞死亡，降低了炎癥細(xì)胞在內(nèi)皮細(xì)胞表面滾動(dòng)的速度，促進(jìn)血小板和巨噬細(xì)胞粘附于動(dòng)脈壁上，有利于動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成，這些機(jī)制主要針對(duì)MAPK和NFκB通路 [4,12,13]。以上效應(yīng)很可能是由內(nèi)皮細(xì)胞中特定的非編碼RNA 及mRNA的表達(dá)調(diào)節(jié)而成[14,15]。最近一項(xiàng)基于OCT和計(jì)算流體力學(xué)的冠脈短期隨訪研究顯示：在6個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，盡管給予降低膽固醇的治療，低內(nèi)皮剪應(yīng)力仍與高風(fēng)險(xiǎn)表型的斑塊進(jìn)展密切相關(guān)[16]。此外，擾動(dòng)的血流很可能與低的WSS 相關(guān)，擾動(dòng)的血流被動(dòng)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(nèi)，WSS可通過計(jì)算流體力學(xué)模擬所估計(jì)。當(dāng)血流為雙向和軸向錯(cuò)流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震蕩剪應(yīng)力(OSS)。一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)，可以用來描述WSS向量方向性上變化的參數(shù)是震蕩剪應(yīng)指數(shù)(OSI)。OSI是一個(gè)介于(0，0.5)之間的無量綱數(shù)值，表示在整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)壁面剪應(yīng)力方向的變化程度，其值越大就證明壁面剪應(yīng)力方向變化越劇烈[17]。目前體外力學(xué)模型及臨床研究均認(rèn)為，流區(qū)低水平剪應(yīng)力(<4 dynes/cm2 )促進(jìn)粥樣硬化的發(fā)生及斑塊形成[18]，而某一范圍(10~70 dynes/cm2 )的高水平剪應(yīng)力則會(huì)對(duì)抗動(dòng)脈粥樣的發(fā)生[19,20]。
2.2 壁面壓力 血液對(duì)血管壁面的垂直壓力稱壁面壓力[21]。由血液流動(dòng)在一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)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(yuǎn)心端逐漸降低，從t= 0.1 s，降主動(dòng)脈遠(yuǎn)心端的壓力開始超過升主動(dòng)脈近心端的壓力。此后血管壁面壓力從近心端向遠(yuǎn)心端逐漸增大;在舒張期后半段升、降主動(dòng)脈血管壁面壓力慢慢恢復(fù)到差不多一樣。在升主動(dòng)脈和降主動(dòng)脈處的血管壁面壓力內(nèi)、外側(cè)基本相同，而主動(dòng)脈弓的血管壁面壓力在整個(gè)收縮期過程中，外側(cè)壁的壓力明顯地高于內(nèi)側(cè)壁的壓力。在舒張期胸主動(dòng)脈的血管壁面壓力分布內(nèi)、外側(cè)壁沒有明顯的差別。低壁面壓力區(qū)域?yàn)閯?dòng)脈粥樣硬化斑塊的好發(fā)部位。
3 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化性心血管疾病研究進(jìn)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(dú)特的局部流動(dòng)模式和隨后內(nèi)皮剪應(yīng)力的環(huán)境，病變血管處流體力學(xué)特征改變與動(dòng)脈硬化斑塊的形成密切相關(guān)。從而通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估局部?jī)?nèi)皮剪應(yīng)力，而有望有效地治療和最終預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化。
3.1 應(yīng)用計(jì)算流體力對(duì)動(dòng)脈分叉病變的研究 盡管整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)暴露于某些危險(xiǎn)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(dòng)脈弓內(nèi)曲、靠近動(dòng)脈分叉處的點(diǎn)。尸檢標(biāo)本提示頸動(dòng)脈分叉處是頸部血管病變部位的首選部位，該處會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的血流結(jié)構(gòu)，包括流量分離與再循環(huán)，從而導(dǎo)致低WSS與OSI[22]。一項(xiàng)涉及50 名年輕人的研究發(fā)現(xiàn)，頸動(dòng)脈分叉處的面積比與頸動(dòng)脈球部迂曲的相互作用可有效預(yù)測(cè)頸動(dòng)脈球部的WSS分布[22];而且體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)低WSS與OSI對(duì)頸動(dòng)脈分叉處最大內(nèi)膜增厚區(qū)域及斑塊形成的初始階段具有密切聯(lián)系[22]。另一項(xiàng)研究納入228例無癥狀型頸動(dòng)脈粥樣硬化患者，隨訪1147.56± 224.84 d，通過MRA獲取斑塊的形態(tài)學(xué)特征，導(dǎo)入MIMICS軟件及ANSYS系統(tǒng)計(jì)算流體力學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn)局部血液湍流的出現(xiàn)促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的形成，低WSS與斑塊的形成存在密切聯(lián)系[24]。在血管分叉處，血流形態(tài)發(fā)生變化，正常層流狀態(tài)的血流速度拋物線發(fā)生偏移而產(chǎn)生低WSS的區(qū)域[25]。局部較快的血流、低WP、高WSS與斑塊破裂相關(guān)。通過對(duì)冠狀動(dòng)脈左主干分叉分析發(fā)現(xiàn)，左主干-前降支迂曲是出現(xiàn)低WSS的有效預(yù)測(cè)因子，而左主干-回旋支迂曲、分叉角度、面積比無法有效預(yù)測(cè)WSS[26]。也有研究證實(shí)前降支-回旋支角度、低WSS與OSI之間存在聯(lián)系[22]。在左主干斑塊多發(fā)于外側(cè)壁，位于分叉處的早期斑塊與高WSS相關(guān)，一項(xiàng)比較合理的解釋是在分叉區(qū)域積極有效的血管重塑是有限的，導(dǎo)致在疾病早期就已經(jīng)出現(xiàn)管腔狹窄與WSS升高[27]。
3.2 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)動(dòng)脈硬化斑塊的研究 一項(xiàng)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(yīng)變值，發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(guān)，主要位于斑塊肩部上游區(qū)域，破裂區(qū)域的WSS比平均WSS高約59%[29]。一項(xiàng)涉及55位穩(wěn)定型心絞痛、不穩(wěn)定型心絞痛、心肌梗死患者的橫斷面研究發(fā)現(xiàn)局部斑塊應(yīng)變值在這三類人群中的應(yīng)變值點(diǎn)逐漸升高[30]。
3.3 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)動(dòng)脈瘤破裂風(fēng)險(xiǎn)的研究 動(dòng)脈瘤形態(tài)學(xué)及局部流體力學(xué)改變已經(jīng)被證實(shí)與動(dòng)脈瘤破裂相關(guān)。一項(xiàng)研究納入119例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者(30例破裂，81例未破裂)，逆向生成三維圖形，導(dǎo)入ANSYS系統(tǒng)分析動(dòng)脈瘤的形態(tài)學(xué)參數(shù)及流體力學(xué)參數(shù)[31]。發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈瘤流體力學(xué)模型(61%)擁有復(fù)雜的血流模式;相反，多數(shù)未破裂的動(dòng)脈瘤(75%)模型內(nèi)呈現(xiàn)出單一的血流模式。動(dòng)脈瘤破裂與 WSS、OSI密切相關(guān)，可作為獨(dú)立性預(yù)測(cè)因子，其中動(dòng)脈瘤內(nèi)WSS每增加一個(gè)單位破裂風(fēng)險(xiǎn)增加2.08倍，OSI每增加一個(gè)單位動(dòng)脈瘤破裂風(fēng)險(xiǎn)增加17.4倍。低WSS與高OSI可上調(diào)內(nèi)皮細(xì)胞粘附因子表達(dá)，增加血管通透性，促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化及炎性細(xì)胞滲透。這些流體力學(xué)條件通過觸發(fā)動(dòng)脈粥樣硬化及炎癥途徑使動(dòng)脈瘤壁退化，最終破裂。
3.4 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)大腦中動(dòng)脈血管狹窄的研究 大腦中動(dòng)脈是顱內(nèi)血管狹窄及卒中的高發(fā)部位[32]。中動(dòng)脈M1段具有平直不受其他彎曲、轉(zhuǎn)折等幾何因素的影響，且亦多發(fā)顱內(nèi)動(dòng)脈硬化及狹窄。大腦中動(dòng)脈的血流動(dòng)力學(xué)在狹窄段明顯改變，與顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成和發(fā)展密切相關(guān)。沈雷等[32]的研究通過收集10例癥狀性單側(cè)大腦中動(dòng)脈 M1段局限性狹窄患者的DSA圖像，測(cè)量M1段狹窄程度，通過逆向三維重構(gòu)軟件獲取M1段三維圖形，用Geomagic studio 除去主干分叉及凸起，導(dǎo)入ANSYS系統(tǒng)，計(jì)算獲得狹窄處與遠(yuǎn)端血管的WSS、OSI等，發(fā)現(xiàn)狹窄段WSS明顯高于遠(yuǎn)端正常段，狹窄段血流速度快于遠(yuǎn)端正常段，狹窄處OSI低于遠(yuǎn)端正常段。通過建立M1段流固耦合仿真模型發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)介入治療前后M1段狹窄部流體力學(xué)數(shù)據(jù)明顯改變，WSS較治療前明顯降低[34]。
相關(guān)期刊推薦：《中國(guó)心血管病研究》Chinese Journal of Cardiovascular Review(月刊)2003年創(chuàng)刊，是中央級(jí)全國(guó)性醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)期刊。主要報(bào)道心血管病領(lǐng)域的科研成果和臨床心血管病內(nèi)、外科診療經(jīng)驗(yàn)為主要內(nèi)容，突出科學(xué)性、先進(jìn)性、可讀性和實(shí)用性。有投稿需求的作者，可以直接與期刊天空在線編輯聯(lián)系。
4 小結(jié)
心血管流體力學(xué)正成為研究冠心病、腦卒中疾病發(fā)生與進(jìn)展的主要方向，可使我們更加深入了解動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成與進(jìn)展。WSS、WP、OSI等動(dòng)脈局部血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)與心腦血管疾病存在密切聯(lián)系。結(jié)合其他心腦血管疾病高危預(yù)測(cè)因子可有效預(yù)測(cè)及篩選高危人群，為預(yù)防心血管疾病不良事件的發(fā)生提供依據(jù)。
