冠脉支架虚拟置入技术的研究现状

潘连强 蔺嫦燕

(首都医科大学附属北京安贞医院 北京市心肺血管疾病研究所，北京 100029)

引言

冠脉支架置入术主要过程是通过球囊膨胀扩张支架，使狭窄血管达到目标直径。随后，球囊卸载抽出，支架回弹并服役在血管病变处，以支撑血管和恢复血流。因为在临床上评估术式的优劣比较困难并且价格昂贵，所以支架虚拟置入的数值模拟成为评估术式设计和优劣的有力工具。

冠脉支架虚拟置入术的第一步是建立血管和支架的耦合模型，并进行离散化处理；第二步是对系统的不同组成部分(血液、生物组织、球囊、支架等)进行适当的本构关系的定义，然后定义支架置入过程中冠脉的边界条件和外部载荷；最后一步是对支架与血管壁或血流的相互作用以及数值模拟所涉及的组织结构、流体动力学或药物输送量进行适当的数值模拟[1]。重建模型法是数值模拟冠脉介入治疗的基本组成部分。数值模拟方法可以建立在综合生物学与生物医学知识和先进的建模范例上，以模拟个体化生理结构与支架装置的相互作用。它可以重建患者的个体化模型，并考虑到个体之间的差异性，从而模拟支架置入术并预测治疗结果[2]。

早期研究冠脉支架虚拟置入术的数值模型大多为简化的理想化几何形状，对这些简化的结构或流体动力学模型的总结研究可以在早期的文献中查到[3-4]。研究者们根据需要研究的问题，可以方便地重建出针对所需解决问题的理想化模型，进行数值模拟，从而得出研究结果[5]。为个体化与复杂问题的研究奠定了理论基础。人体血管结构复杂，冠脉结构因人而异，病变位置、程度、和类型也不相同。基于个体解剖结构所重建的冠脉病变模型进行数值模拟，可以获得相对个体而言更为真实的术式模拟，从而对个体所进行的术式进行分析与优化。此综述将从模型的三维重建出发，总结模型的重建对冠脉虚拟置入技术的影响。着重从球囊模型、血管壁模型与分叉模型这三个方面进行综述。

1 球囊模型

最近大多数冠脉支架虚拟置入研究中，支架与动脉壁相互作用模型考虑了球囊的存在。应用虚拟置入的球囊，其几何模型结构的精确设置是模拟支架扩张的关键选择。

为了验证球囊模型在支架虚拟置入中是不可或缺的，曾有人分别在支架内表面、理想化圆筒形球囊和三褶球囊上施加压力，模拟支架扩张的结果研究[6-7]。结果显示，支架膨胀类型极大地影响了支架置入时引起的动脉壁的应力模式，使用三褶球囊模型扩张与制造商的数据和实验结果有更好的定性和定量的一致性。Zahedmanesh等[8]基于患者血管造影图像三维重建冠状动脉模型，对3种方案进行研究：第一种是直接在支架内表面施加16个大气压；第二种是使用三褶球囊在球囊内表面施加16个大气压；第三种是支架内表面施加30个大气压，通过控制支架直径的变化，使支架完全膨胀至与使用球囊模型扩张所获得的直径相同。球囊模型对于支架变形和支架应力的精确模拟至关重要，优于在支架内表面施加压力的模拟。虽然通过控制支架的扩张直径可以达到最终的模拟效果，但不能模拟支架扩张期间的应力变化。

球囊的褶皱数越多，对称性越好，扩张得越均匀对称。Mortier等模拟不同褶数的球囊扩张支架，发现六褶球囊-支架系统相较三褶的扩张更加均匀、对称[9]。Ragkousis等[10]还研究模拟在近端与远端支架扩张直径相差大约1.3 mm时与1.5 mm时，使用十二褶的球囊扩张具有更好的效果；在近远端扩张直径相差0.7 mm时，使用六褶的球囊扩张具有更好的效果。在支架置入系统的建模中，如果扩张近远端有较大直径的变化时，必须通过增加球囊的折叠数来确保球囊能够均匀膨胀。Martin等认为，锥形末端与导管的连接可以有效降低中间窄两端宽的“狗骨头”现象，并且可以限制支架在模拟中的轴向缩短[11]。

因此，目前普遍接受的结果是，需要球囊模型来更精准地模拟支架置入期间支架-动脉相互作用。球囊的褶皱形式和连接锥形末端等几何特征是必不可少的，其对于观察支架对冠脉力学环境的影响、支架扩张的瞬态行为及最终的定位和后期优化设计至关重要。

2 血管壁模型

血管壁模型是支架置入模型的重要组成部分。血管壁的组成(包括不同动脉层)的定义通常基于Holzapfel等进行的研究[12]。Holzapfel等对来自13颗心脏的55个人类左前降支冠状动脉进行研究，外膜层、中膜层和内膜层分别占动脉壁总厚度的0.40±0.03、0.36±0.03和0.27±0.02(平均值±标准差)。研究者首先对轴向和圆周方向三层动脉带的被动拉伸力学性质进行了实验研究。其次，他们使用特定的本构规律描述了每个组织的力学特征，其研究结果被认为是冠状动脉模型的标准。

冠状动脉病理特点是存在动脉粥样硬化斑块，斑块的存在和组成极大地影响了动脉壁的力学行为，从而影响了模拟计算的结果和支架介入治疗效果。斑块的组成成分所表现出的力学性能对支架置入后管腔的大小有很大的影响[13]。通常，用于模拟动脉粥样硬化斑块的本构关系是基于Loree等在1994年提出的实验数据，他们发现每种斑块类型(多细胞、少细胞和钙化)的力学特征有很大的差别[14]。一些数值研究把斑块简单地作为各向同性超弹性[15-16]或超弹塑性[17]本构模型，但实际上斑块非常复杂，没有特定的形态与本构关系。

Xu等[18]重建曲率半径为30 mm的冠脉简化模型，把冠脉壁分成外膜、中膜和内模3层，并在管腔内膜上建立简化不对称斑块，研究血管动态弯曲对支架长期力学性能的影响。结果显示，血管动态弯曲下的应力主要集中发生在支架弯曲连接处，最大应力位于支架中间段的弯曲部分；支架在血管动态弯曲的作用下更易发生断裂，预测的断裂位置位于支架弯曲连接处。这些结果与临床文献报道的数据一致。Iannaccone等[19]运用虚拟置入技术建立了理想分叉模型，其中冠脉壁使用了分层结构；分别讨论了脂质斑块、纤维斑块、在主分支处有4 mm半环形钙化的脂质斑块和在主分支处有4 mm环形钙化的脂质斑块这4种斑块对侧支的不利影响。研究发现钙化斑块的存在，通过诱发管腔形成椭圆形截面并减小管腔面积，极大地影响了分支开口的形状和尺寸的变化。Chiastra等[20]进行了两例个体化患者的模拟，使用CT血管造影和光学相干断层扫描(OCT)图像融合技术重建患者支架前和支架后即刻的个体化冠脉分叉模型。假设与管腔中心线之间距离小于健康管腔半径的区域为斑块区域，然后通过OCT影像判断软斑块和硬斑块区域，重建了支架-斑块-血管耦合模型，模拟复制了完整的手术过程。冠脉模拟结果与术后患者影像具有较高的一致性，面积的最大差异为20.4%。低平均壁面剪切力(TAWSS)主要集中在冠脉支架段前端和分叉对面区域处，两个使用较厚支架的患者中低TAWSS更为显著。贴壁不良主要集中在分叉位置处。Imani等[21]建立了理想的支架-斑块-血管耦合模型研究支架的虚拟置入，使用有限元法通过分析两种支架的径向回弹率、狗骨头率和血管壁面的米塞斯应力等力学性能，表明在冠脉支架的虚拟置入中考虑斑块的存在具有重要作用。

冠脉支架虚拟置入中，冠脉的三维模型应根据患者病变血管尽可能真实地重建出个体化模型。冠脉壁的材料本构关系直接影响其应力应变的响应。根据血管的本构关系具有典型的分层结构，冠脉壁主要包括3个部分，分别是外膜层、中膜层和内膜层，各层的细胞种类不同，对应力刺激的反应也不相同；此外，根据冠脉患病程度，血管壁中所含斑块类型和大小是不可忽略的。斑块组成成分复杂，力学性质差异性显著，特别是钙化和非钙化斑块，可能导致在支架过程中具有复杂的应力应变场。

3 分叉模型

最近，诸如冠脉分叉等复杂几何形状支架置入也很受重视。欧洲分叉病变俱乐部专家达成共识[22-23]，指出冠状动脉分叉占所有经皮冠状动脉介入治疗(PCI)的15%～20%，复杂冠状动脉病变如分叉病变的治疗仍然是介入心脏病学中的一个具有挑战性的领域，因为与非复杂病变相比，成功率较低和再狭窄率较高。有研究在冠脉分叉几何置入一个或两个支架，验证了基于患者医学图像重建的个体化模型进行的冠脉支架虚拟置入研究是可行的[24]。

Arokiaraj等设计了一种新型支架用于治疗冠状动脉分叉病变[25]。用直径为3.2 mm的近端、2.3 mm的侧支和2.7 mm的远端血管创建了血管分叉模型，设计了一种在血管分叉处支架由3条直的梁连接的新型支架，并通过有限元分析法对其性能进行了分析。虽然该研究主要注重新技术的应用，但分叉处的应力和应变显著小于用于治疗分叉病变的现有支架技术的应力和应变，为治疗冠状动脉分支病变提供了一种潜在治疗方法。 Mortier等[26]通过对球囊对吻扩张术的改进研究来更好地理解和优化主血管必要时支架方法。研究中创建了3个不同的冠脉狭窄分叉模型，应用有限元模拟了分支支架在3个模型中部署和扩张过程，用以评估两种球囊对吻扩张术式：对照组和改进组。在对照组中，两个球囊同时充气和放气；在改进组中，侧支球囊首先充气，然后部分放气，最后是主支球囊充气。研究显示，改进组与对照组相比具有较小的管腔狭窄率，减少椭圆形支架变形，并且优化了侧支通路。Mortier等[27]通过计算机断层扫描(CT)成像与血管内超声(IVUS)成像相融合，重建了患者左主干血管分叉部分的三维几何模型。将支架置入分叉病变的主支后，采用近端优化技术，使用短球囊对主干处支架进行后扩张以消除主干处支架的贴壁不良现象。这项概念验证研究证明，这种针对分支支架置入患者个体化模型是可行的，并且为冠脉左主干分叉支架技术和充分的后扩张对血液流动模式的积极影响提供了独特的见解。Chiastra等[28]基于CT血管造影和常规冠状动脉造影(CCA)图像重建了两例患者的左前降支冠状动脉分叉模型，模拟了临床上支架置入的完整过程，分别置入一个和两个支架，使用有限元进行计算分析。对于两例数值模拟研究得出时间平均壁面剪切应力(TAWSS)和相对停留时间(RRT)的结果表明，更为容易发生再狭窄风险的区域位于支架梁、血管分叉和双支架的支架重叠区域。研究证实了虚拟研究患者个体化冠状动脉分叉几何模型的血液动力学的可行性。将来可以将此研究中提出的局部血液动力学研究与药物释放分析相结合，应用到患者个体化虚拟模型中将有助于更好地预测支架内再狭窄的风险。Chen等[29]模拟研究了双分支支架对已知影响再狭窄和血栓形成的血液动力学参数的影响。创建了双支架在分叉病变和非牛顿血液模拟中的三维计算模型，然后对这些模型进行有限元计算求解。对侧支置入较长和较短的支架与临床支架置入术进行了比较。发现支架位于分叉血管的开口处具有较低壁面剪切应力(WSS)，但是壁面剪切应力梯度(WSSG)和振荡剪切指数(OSI)有所增加。双分支支架较长侧支架对血管内皮WSS、WSSG和OSI影响最大，与较短侧支架相比低WSS区域多达50%。模拟还证明了由分支支架突出到靠近主干的主流场引起的流动障碍，这可能对支架血栓形成有影响。模拟预测了侧支支架置入术的负性血液动力学作用相当于或低于临床支架置入术，其在较长的侧支支架中更加明显，与临床试验结果相一致。

随着医学和科技的发展，在今后对复杂病变的模拟研究将会更为常见和深入，对支架在分叉病变虚拟置入中的力学参数更加精确地分析。其中，计算流体动力学(CFD)是优化分析PCI结果中的常用研究工具，可提供流场的详细信息，能够准确有效地模拟支架内血流情况，评估支架性能，预测支架对再狭窄的影响，对分析支架内血流动力学变化有重要的指导意义。

4 总结与展望

支架置入已经广泛应用于冠心病的治疗。但是目前支架置入方案主要依赖于临床医生的经验，而患者间差异性增加了选择的复杂程度。基于有限元方法的冠脉支架虚拟置入技术可以根据患者个体化数据，建立患者个体化动脉模型，真实模拟支架置入过程，以求达到更加真实的模拟，从而获得的数据更加接近临床数据，预测不同方案的预后以及可能出现的危险因素，辅助医生制定最佳手术方案，实现支架置入的“精准医疗”，具有重要的临床意义。

为了虚拟置入和术前模拟具有更加可靠的临床应用价值，还需要对这些数值模拟研究的预测能力进行进一步的临床验证。笔者认为在接下来的支架虚拟置入的研究中，最佳的方案是：球囊与支架模型需要完全依据介入治疗中所使用球囊-支架系统进行有限元模型的重建；冠脉模型需要根据患者病变血管进行个体化建模，并且需要注重血管分层结构、分离出斑块结构和区分斑块的性质，尽可能真实地重建出血管模型；整个虚拟置入过程遵照医师提供的实际临床案例步骤进行，真实还原支架置入过程。同时冠脉支架虚拟置入技术还存在模型的重建、有限元分析和后期的数据处理所需时间较长等问题，相信随着介入心脏病专家、生物医学工程师和其他领域的科学家的多学科团队的共同合作与努力，模拟研究所需时间会大大缩减，冠脉支架的虚拟置入会更好地应用到临床研究中。