植入V形支架的降主動脈血流動力學(xué)觀察

楊金有，王艷，劉靜，俞航，洪洋

(1中國醫(yī)科大學(xué)物理與生物物理學(xué)教研室，沈陽 110001；2沈陽師范大學(xué)軟件學(xué)院；3中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院)

植入V形支架的降主動脈血流動力學(xué)觀察

楊金有1，王艷2，劉靜3，俞航1，洪洋1

(1中國醫(yī)科大學(xué)物理與生物物理學(xué)教研室，沈陽 110001；2沈陽師范大學(xué)軟件學(xué)院；3中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院)

摘要：目的觀察植入V形支架并已經(jīng)擴(kuò)張穩(wěn)定的人體降主動脈處的血流動力學(xué)指標(biāo)，探討支架植入的多少與遠(yuǎn)端支架處出現(xiàn)血管再狹窄的關(guān)系。方法獲取1例動脈瘤患者覆膜V形支架植入術(shù)后復(fù)查的增強(qiáng)CT圖像數(shù)據(jù)，以Dicom格式輸入醫(yī)學(xué)圖像后處理軟件，應(yīng)用逆向工程方法三維重構(gòu)主動脈血管和V形血管支架，在設(shè)定邊界條件和初始條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS模擬軟件經(jīng)多次迭代計(jì)算，獲得血管壁面切應(yīng)力、壁面振蕩切應(yīng)力和支架橫截面血流速度矢量等相關(guān)血流動力學(xué)參數(shù)。結(jié)果由近及遠(yuǎn)，支架處的壁面切應(yīng)力最大值逐漸降低，分別為3.56、3.26和2.48 Pa，而壁面振蕩剪切指數(shù)平均值則相反，分別為0.002 140、0.005 677和0.010 852。在心動收縮峰值期(0.08 s)，3個支架橫截面處的血流速度均較大，方向多變并對支架有較大沖擊，而在心動收縮末期和舒張期血流速度減緩，但與支架相接觸處血流速度仍較高，并在舒張期出現(xiàn)明顯的渦流。結(jié)論 支架植入越多，降主動脈遠(yuǎn)端處支架的壁面切應(yīng)力值越低，壁面振蕩剪切指數(shù)值越高，且支架橫截面的血流速度矢量越復(fù)雜，出現(xiàn)血管再狹窄的概率越大。

關(guān)鍵詞：支架；再狹窄；壁面切應(yīng)力；計(jì)算流體力學(xué)；血流動力學(xué)

隨著人們生活水平的提高和工作節(jié)奏的加快，患心腦血管疾病的幾率也越來越高，而動脈粥樣硬化引起動脈血管狹窄則是心腦血管疾病的主要表現(xiàn)[1]。瑞士的Sigwart等[2]在1986年完成首列冠狀動脈支架植入術(shù)后，應(yīng)用支架進(jìn)行心腦血管疾病治療便得到了飛速發(fā)展。相對于其他治療方法，血管支架介入治療具有見效快、對人體創(chuàng)傷小、住院時(shí)間短等優(yōu)勢。但支架植入血管后，病變血管極易出現(xiàn)再狹窄。藥物涂層支架和生物可降解血管支架的應(yīng)用降低了術(shù)后支架再狹窄率，但支架內(nèi)再狹窄問題仍是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3]。支架作為異物植入血管后，將改變血管內(nèi)原有的血流動力學(xué)環(huán)境，引起血管局部細(xì)胞和組織的不良反應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)血管再狹窄問題。因此，本研究以支架植入術(shù)后回訪患者采集到的CT影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重構(gòu)了降主動脈及支架的三維模型，并應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法模擬分析了支架植入穩(wěn)定后的血流動力學(xué)情況，為支架植入后血管再狹窄問題的深入研究提供幫助。

1資料與方法

1.1臨床資料患者男，53歲，因患動脈瘤于中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院行覆膜V形支架植入術(shù)，術(shù)后2周復(fù)查心臟增強(qiáng)CT，患者支架擴(kuò)張穩(wěn)定。

1.2血管壁面切應(yīng)力、壁面振蕩切應(yīng)力和支架橫截面血流速度矢量計(jì)算方法將患者增強(qiáng)CT圖像數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)入到醫(yī)學(xué)圖像后處理軟件Mimics中，應(yīng)用逆向工程方法[4]進(jìn)行降主動脈血管及支架的三維模型重構(gòu)。如圖1所示，第一排共有8個V字結(jié)構(gòu)，其V字夾角為39°；第二、三排支架共有5個V字結(jié)構(gòu)，其V字夾角為58°。將平滑處理過的降主動脈及支架三維模型導(dǎo)入到ANSYS-ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在保證網(wǎng)格數(shù)量質(zhì)量，并考慮計(jì)算機(jī)硬件能力的情況下確定血管部分劃分的四面體網(wǎng)格為943 746個單元，196 543個節(jié)點(diǎn)；支架部分劃分的四面體網(wǎng)格為108 349個單元，26 540個節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS-CFX的前處理進(jìn)行邊界條件和初始條件設(shè)置，見圖1。①入口條件：主動脈的入口設(shè)為瞬時(shí)血流速度[5]。②出口條件：假設(shè)出口血流已經(jīng)穩(wěn)定，各出口相對壓力設(shè)為零。③壁面條件設(shè)定：將血管設(shè)為血液流動區(qū)域，支架已經(jīng)擴(kuò)張穩(wěn)定并已嵌入到血管壁設(shè)為固體區(qū)域。血管壁設(shè)為剛性且無滑移[5,6]。支架設(shè)為不可壓縮的各向同性的鋼材料且固定無滑移。將血液設(shè)為不可壓縮的非牛頓流體[7～9]，血液密度ρ=1.06×103kg/m3，非牛頓血液模型為Generalised Power Law Model[3]。計(jì)算類型為非穩(wěn)定瞬態(tài)計(jì)算，取正常人的心動周期(T=0.8 s，時(shí)間步長為0.01 s)。數(shù)值模擬中所用的控制方程為三維非定常流動的Navier-stokes方程[9]。應(yīng)用ANSYS15.0中的CFX模塊，在采用上述邊界條件、初始條件和物理模型后求解Navier-stokes方程。然后將軟件模擬計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出到CFX-post中進(jìn)行后處理及分析。

2結(jié)果

2.1血管壁面切應(yīng)力各興趣點(diǎn)的壁面切應(yīng)力分布隨心動周期發(fā)生變化，但其峰值出現(xiàn)滯后于心動收縮峰值期(特征時(shí)刻點(diǎn)0.08 s)，并且最小值也是在心動收縮末期(特征時(shí)刻點(diǎn)0.24 s)后約0.04 s出現(xiàn)。而從整體分布可以發(fā)現(xiàn)，第1個支架處興趣點(diǎn)的壁面切應(yīng)力平均值略高于第2個支架處興趣點(diǎn)的壁面切應(yīng)力平均值，而第3個支架處興趣點(diǎn)的壁面切應(yīng)力平均值最低，呈現(xiàn)出沿著血液流動方向，隨著支架增多特征區(qū)域的壁面切應(yīng)力值反而降低。在特征時(shí)刻點(diǎn)0.08 s時(shí)，Position1為3.2 Pa，Position2為2.99 Pa，Position3為2.41 Pa。而Position1的最大值(0.1 s時(shí))為3.56 Pa，Position2的最大值(0.1 s時(shí))為3.26 Pa，Position3的最大值(0.09 s時(shí))為2.48 Pa。詳見插頁Ⅱ圖6、7。

2.2血管壁面振蕩剪切指數(shù)3個支架處各個興趣點(diǎn)的振蕩剪切指數(shù)均表現(xiàn)出較低狀態(tài)，其中Position 3、Position 2、Position 1平均值依次為0.010 852、0.005 677、0.002 140。詳見表1。

2.3支架橫截面血流速度矢量在心動收縮峰值期(0.08 s)，3個支架橫截面處的血流速度均較大，血流方向多變并對支架有較大沖擊。而在心動收縮末期和舒張期血流速度減緩，但與支架相接觸處血流速度仍較高，并在舒張期出現(xiàn)明顯的渦流。詳見圖2。

注：A-1～A-3為橫截面1～3在心動周期0.08 s時(shí)刻的圖像；B-1～B-3為橫截面1～3在心動周期0.24 s時(shí)刻圖像；C-1～C-3為橫截面1～3在心動周期0.50 s時(shí)刻圖像。

圖2每個支架處選取的橫斷面位置的速度矢量圖

3討論

血液在大血管中流動時(shí)通?？梢钥闯墒桥ｎD流體[7]，本研究為詳細(xì)考察支架對血液流動影響，所以將血液設(shè)成不可壓縮的非牛頓流體模型。通過分析以上血流動力學(xué)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：①盡管出現(xiàn)最大值的時(shí)刻略有區(qū)別，但支架處各特征點(diǎn)的壁面切應(yīng)力值沿著降主動脈由近端到遠(yuǎn)端的方向逐漸降低，這些結(jié)果與文獻(xiàn)[10]報(bào)道的結(jié)果相近。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測，遠(yuǎn)端支架越多，V形支架彎曲處內(nèi)側(cè)的壁面切應(yīng)力值就可能越低，這種較低的壁面切應(yīng)力很容易破壞血液流動的穩(wěn)定狀態(tài)，增加血細(xì)胞的滯留時(shí)間。②3個支架處興趣點(diǎn)振蕩剪切指數(shù)的平均值沿著降主動脈由近端到遠(yuǎn)端的方向逐漸增大。這表明第3個支架處的血流方向變化更明顯，血流與1、2支架相比較更加復(fù)雜。這預(yù)示著遠(yuǎn)端血管支架處血流變化相對劇烈，這種劇烈變化則容易造成血管壁內(nèi)皮細(xì)胞的疲勞而產(chǎn)生和加速病變[11]。③在心動收縮峰值期，支架橫截面方向的血流速度矢量均呈現(xiàn)出較大量值，而第3支架處的血流速度矢量量值變化更加明顯。而在心動收縮末期和舒張期，支架橫截面方向的血流速度矢量減小，但還是可以發(fā)現(xiàn)第3個支架較其他支架的血流速度矢量大。這種隨著支架增多，沿支架橫截面方向血流速度矢量增大的情況，將增加血細(xì)胞與支架的相互作用。并且渦流的出現(xiàn)增大了血細(xì)胞在支架內(nèi)側(cè)沉積附著的幾率，增加了支架處血管再狹窄出現(xiàn)的概率。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，沿著血流方向，支架植入的越多，遠(yuǎn)端處的支架對血流的干擾越明顯，血管再狹窄出現(xiàn)的概率越大。

本研究通過模擬植入人體降主動脈并且已經(jīng)擴(kuò)張穩(wěn)定的V形支架處的血流，分析支架對血管內(nèi)血液流動的影響，發(fā)現(xiàn)支架植入的越多，遠(yuǎn)端處支架出現(xiàn)血管再狹窄的概率越大。這為支架植入后血管再狹窄問題的進(jìn)一步研究提供幫助。同時(shí)本研究僅采集到V形支架置入后穩(wěn)定的人體模型，所以沒有對其他型號的支架進(jìn)行分析，這也將是筆者要進(jìn)一步考慮和研究的。

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Observation of hemodynamics in human descending aorta after V-shaped stent implantation

YANGJin-you1,WANGYan,LIUJing,YUHang,HONGYang

( 1DepartmentofPhysicsandBiophysics,ChinaMedicalUniversity,Shenyang110001,China)

Abstract:ObjectiveTo observe the hemodynamic parameters of the descending aorta with expanded V-shaped stent implantation, and to investigate the relationships between the stent number and vascular restenosis in the distal stents. MethodsThe enhanced CT image of the descending aorta with the V-shaped stents implanted was input into the medical image processing software with Dicom format, and the three-dimensional reconstruction model of aortic and stent was reconstructed by reverse engineering methods. On the basis of setting the boundary condition and initial condition, the vascular wall shear stress, wall oscillation shear stress, stent cross section flow velocity vector and other related hemodynamic parameters were obtained with the application of ANSYS simulation software after several times of iterative calculation. ResultsFrom the near to the distant, the wall shear stress values on the different positions were 3.56 Pa, 3.26Pa and 3.26 Pa, and the average values of oscillating shear index were 0.002 140, 0.005 677 and 0.010 852, respectively. In the systolic peak period (0.08 s), the blood flow velocities of the cross sections of three stents were larger with changeable directions and had a great impact on the stent. While in the end-systolic and diastolic period, the flow velocity was slow down, but the flow velocity was still high in the contact point, and the eddy current was obvious in the diastolic phase. ConclusionWith the stent increases, the wall shear stress value of the descending aorta decreases in the distal end but the wall oscillatory shear index value increases, meanwhile, the blood flow velocity vector of the stent cross section becomes more complex, and the risk of vascular restenosis increases.

Key words:stents; restenosis; wall shear stress; computational fluid dynamics; hemodynamics

(收稿日期：2014-11-17)

通信作者簡介：洪洋(1955-)，女，教授，主要研究方向?yàn)樾?、腦、肺及血管生物物理學(xué)。E-mail：ydhongyang@163.com

作者簡介：第一楊金有(1980-)，男，副教授，主要心研究方向?yàn)槟X及血管動力學(xué)。E-mail：goldyjy@gmail.com

基金項(xiàng)目：遼寧省科技研究項(xiàng)目(L2010563)。

中圖分類號：R318.01；R543.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-266X(2015)07-0011-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2015.07.004