冠状动脉的数值模拟分析及在支架介入的应用研究

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　　摘  要： 本研究基于心脏活体冠脉 CTA 原始影像数据，采用医学影像交互式控制系统软件的最新冠状动脉分割算法，重构冠状动脉的个体化血管模型，应用计算流体力学技术对冠状动脉前降支及其分支进行血流动力学数值模拟分析。探讨了斑块对血流动力学参数的影响，进而研究了冠状动脉粥样硬化的形成、冠状动脉狭窄或梗死的发生和发展的特点与机制。该研究为临床的研究与治疗提供理论依据，同时可用于指导冠状动脉狭窄及梗死患者支架介入治疗的术前设计。
　　关键词： 冠状动脉;血流动力学;数值模拟;支架介入
　　中图分类号： TP319    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.023
　　本文著录格式：隋国庆，张培新，杨国柱，等. 冠状动脉的数值模拟分析及在支架介入的应用研究[J]. 软件，2020，41（01）：110113
　　【Abstract】： Based on the original CTA image data of living coronary arteries， this study used the latest coronary artery segmentation algorithm of medical image interactive control system software to reconstruct the individualized coronary artery model， and applied computational fluid dynamics technology to conduct hemodynamic numerical simulation analysis of the anterior descending coronary artery and its branches. The effect of plaque on hemodynamic parameters was discussed， and the formation of coronary atherosclerosis， the occurrence and development of coronary artery stenosis or infarction were studied. This study provides a theoretical basis for clinical research and treatment， and can be used to guide the preoperative design of stent intervention in coronary artery stenosis and infarction.
　　【Key words】： Carotid artery; Numerical simulation; Haemodynamics; Stent intervention
　　0  引言
　　动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）是以大、中动脉内膜粥样硬化损伤为特征的血管病变，是心血管疾病发病的基本病因之一[1]。其形成主要与遗传基因、高血压、高脂血症、糖尿病、吸烟及精神压力等相关[2]。不同动脉 AS 的发生率有很大差异，AS 主要生成于大动脉及动脉分支处，其部位有明显的血流变化[3]。斑块形成在解剖学上有明显倾向性，与某种有选择定位作用的致病因素相关联。异常血液流动致动脉应力改变在AS形成过程中起着重要作用[4-5]。由于目前医学技术的局限性，无论是间接或者直接方式在人体冠状动脉测量血流动力学参数都存在很大的困难[4-5]。因此，基于医学影像技术，通过计算机技术建立人体冠状动脉的三维模型，对其进行血流动力学仿真分析，有重要的临床价值。借助目前广泛应用的三维重建技术，把患者身体上的特定部位，通过CT或核磁共振技术采集的各种数据经过软件的计算，呈现出被扫描部位的三维影像，可以更方便的观察我们感兴趣的区域[6]。
　　多数临床医学影像医生对冠状动脉的狭窄或梗死的诊断与介入治疗是以对CTA平扫图像的阅读为依据的[7]。然而平扫图很难提供准确的血管狭窄位置及物理特征与参数，更不能提供血流动力学参数及血管壁的力学参数，因此，很难准确的选择与之匹配的球囊支架的型号与弹性特征。本课题研究。本研究不仅可以探索冠状动脉狭窄或梗死形成和发展的血流动力学机制，而且可以提供冠状动脉狭窄或梗死血流动力学各项参数的检测和分析方法。本课题通过对冠状动脉狭窄或梗死的仿真模型设计，可对狭窄或梗死进行精确定位与形态评估，为合理选择适当长度、直径及弹性的支架，将球囊支架释放到合理的位置提供介入术前指导。
　　本研究基于真实患者的冠状动脉CTA影像，采用医学影像交互式控制系统软件（MIMICS 21.0，比利时MATERIALISE公司）的最新冠状动脉分割算法，重构冠状动脉的个体化血管模型，应用计算流体力学技术对冠状动脉前降支及其分支进行血流动力学数值模拟分析，探讨斑块对血流动力学参数的影响，进而探讨冠状动脉粥样硬化的形成、冠状动脉狭窄或梗死的发生和发展的特点发展的机制，为临床的研究、治疗提供理论依据，从而可以有效地指导冠状动脉狭窄及梗死患者支架介入疗法的术前设计。
　　1  材料与方法
　　1.1  实验数据采集及实验设备
　　CTA影像数据：采集牡丹江医学院附属红旗医院患者冠状动脉CTA影像DICOM格式（医学图像存储与通讯的标准格式）数据2例（左冠状动脉健康、狭窄各1例），本研究感兴趣区域（Region of Interest）如圖1所示。 　　本实验采用DELL图形工作站及医学影像交互式控制系统（MIMICS 21.0）、3D建模软件（3-matic 13.0）和有限元分析软件（ANSYS 18）。
　　1.2  实验方法
　　1.2.1  冠状动脉三维模型重建
　　应用医学影像交互式控制系统软件（MIMICS）导入冠状动脉CTA影像数据，MIMICS自动计算、生成显示出断层序列的冠状面、矢状面、横断面的图像。通过MIMICS的视窗调整，使冠状动脉断层序列最合适的显示出来，通过ADVANCED SEGMENT分割工具自动分割出冠状动脉、血管腔和斑块。应用Coronary Segmentation工具分割出ROI区域（如图2），使用MIMICS的Calculate Part工具三维重建，最终获得冠状动脉的ROI三维模型（如图3）。
　　1.2.2  冠状动脉模型血流动力学仿真计算
　　利用3-matic对获取的冠状动脉（正常、狭窄）三维模型进行模型、切割出入口、修复、平滑并初步划分面网格，并以.stl格式导出。应用ANSYS ICEM软件对冠状动脉.stl格式三维模型进行四面体网格划分、根据血流运行方向命名血管的出入口。正常、狭窄冠状动脉的网格单元类型与数量如表一。网格类型都为四面体单元，边界层为5层。血管出入口按照实际学流方向定义。将血流设定为牛顿流体、层流，设置血液密度为1056kg/m3，粘度为0.0035Pa·s，设定动脉壁为刚性，血液和血管壁面无滑动及渗透。入口速度为脉动曲线，如图4所示，出口给予压力出口，设为0。血流遵守质量守恒和动量守恒定律，连续方程（式1）和控制方程（式中ρ为血液密度，u为血流速度，p为动脉内流场压力），使用Ansys Fluent进行计算，时间步长为0.01s，共计算200步。
　　2  结果
　　2.1  冠状动脉血流分布
　　血流分布模拟实验结果见图5，血液在沿前降支近端向远端流动过程中，血流速度官腔中心较快，靠近管壁较慢。狭窄冠状动脉由于斑块的存在，分叉处血流分布较正常冠状动脉血流分布紊乱，前降支开口处斑块造成狭窄区域出现缓慢的血流及反向湍流。
　　
　　2.2  冠状动脉压力分布
　　冠状动脉压力分布模拟实验结果见图6，其狭窄左冠状动脉分叉部位压力相较于正常冠状动脉分叉部位的管壁压力较大。由于血液中的致动脉硬化成分（脂蛋白和单核细胞等）倾向于被动地由高压区向低压区运动，而且压力变化越明显的区域，这些成分的聚集越显著。另一方面，压力对血管内皮也产生影响，不稳定的压力变化使在内皮下的致动脉粥样硬化物质重新分布，产生聚集[8-10]。
　　
　　3  讨论
　　3.1  基于CTA的冠状动脉三维重建
　　冠状动脉三维重建方法有很多，但目前MIMICS专门进行冠状动脉三维重建的高级工具具有其他算法无法比拟的优势：1.可根据阈值直接分割、提取出斑块蒙板;2.通过冠状动脉三维重建，可直接识别出狭窄区域;3.提取的冠状动脉最大程度的符合真实结构。
　　3.2  血流速度场
　　血流方向的改变可造成涡流或者湍流的形成，而血液沿血管走行过程中遇到的管腔横径变化是造成血流速度改变的重要原因[10-11]。上述血流不稳定的情况不仅造成有效血流量减少、动能损失增多，而且影响血管内皮细胞的生理过程，如促进血管内皮细胞的增殖和凋亡及内皮细胞对脂质的摄取，增强炎症反应[12]。同时，血流方向及流速的变化造成壁面压力的相应改变，也构成血管壁粥样硬化病变的基础[13]。
　　3.3  壁面压力
　　研究表明，低壁面压力与血管壁增厚密切相关，并且低壁面压力区域更易形成动脉粥样硬化[14]。这可能是由于血液中的致动脉硬化成分（脂蛋白和单核细胞等）倾向于被动地由高压区向低压区运动，而且压力变化越明显的区域，这些成分的聚集越显著，另一方面，压力对血管内皮也产生影响，不稳定的压力变化使在内皮下的致动脉粥样硬化物质重新分布，产生聚集[15]。
　　3.4  冠状动脉数值模拟分析
　　血管中血液的流动问题是生理学、医学、生物力学、生物医学工程学等多門学科共同的重要研究课题，随着流体力学和计算机技术的发展，数值分析、计算流体动力学和有限元分析等技术越来越多地应用到研究血液流体动力学中，为阐明一些血管疾病的发生和发展提供了新的思路和方法。血管是人体感受血液流动变化最迅速的器官，血液在血管中流动时会产生一系列作用于血管的应力，其大小、方向、频率随血流的变化而变化。血液流动过程中对血管产生的作用可分解为两个主要的向量：一是垂直于管壁的代表压力的向量，即壁面压力，二是作用血管表面与管壁平行的因血液的粘滞性而产生的摩擦力，即壁面切应力[17-18]。这些力学因素对动脉粥样硬化的病因、变化、转归等有重要意义。
　　本项研究利用用计算机三维重建技术和有限元方法对冠状动脉狭窄或梗死相关的血流动力学问题进行数值模拟，研究冠状动脉狭窄或梗死在形成和发展过程中的流体力学、血管壁生理及生物力学性能方面的变化规律，以及这些变化之间的相互作用与冠状动脉狭窄或梗死的发生和发展，指导冠状动脉狭窄或梗死的球囊支架介入。
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