冠状动脉分叉角度对血液流体力学及斑块形成分布的影响

王楠楠,冯继玲,王义亮

(太原理工大学 机械工程学院，太原 030024)

1 引 言

心血管病占城乡居民死亡原因的首位，而冠状动脉粥样硬化是心血管病最主要的起因[1-2]，对于冠状动脉粥样硬化起因的研究已经刻不容缓。众所周知[3-4]，血管几何形状对血液流动有着重要的作用，如弯曲、截面形状、平面度及分叉角度。分叉角度在临床上[5]可以预测粥样硬化的形成与发展，冠状动脉的临床结果分析表明左冠状动脉的发病率最高[6]。Gastonet al[7]等人研究认为斑块容易生长在分叉脊附近和分叉对侧。血液流速、壁面压强和壁面剪切力在斑块的形成发展过程中起着非常重要的作用[8-9]。虽然Chaichana[10]等人通过建立理想模型和实际模型进行过血流仿真，但是所选患者模型较少，没有控制模型之间的变量，因此实验结果可信度不高。为了全面清楚地获得分叉角度和动脉粥样硬化发生率之间的关系，本研究通过建立多组理想模型和实际模型进行研究，并对其力学特性做出全面分析。

本研究为冠脉粥样硬化的临床诊断和治疗提供了理论指导。

2 材料和方法

2.1 原始数据采集

所有CT数据均来源于山西省人民医院CT室。

2.2 理想模型建立

冠状动脉分叉几何数据在3D图像生成及编辑处理软件MIMICS17.0中测量。选取表1中左冠脉分叉为91.2°的实体测量结果作为理想模型的几何参数，应用UG8.0构建图1(a)中五组轴对称(分叉角度关于主支轴线对称)的光滑理想模型，角度参数分别为60°，75°，90°，105°，120°[11]；模型主支长度为7 mm，两个分支长度分别为15 mm，模型截面尺寸变化情况与实际血管相一致，分叉角度作为所有理想模型的唯一变量。为了避免出口处回流导致血液流动不充分，冠脉出入口分别延长十倍直径的流动长度。

2.3 实际模型构建

将DICOM格式的CT数据在MIMICS 17.0 (Materialise Inc.)中打开，通过阈值设定，区域增长，3D运算、图像分割提取出感兴趣的区域；将MCS格式的文件导入到正向工程软件3-matic (Materialise Inc.)中进行光顺处理，划分表面网格、体网格将血管实体化，从而建立图1(b)中九组患者实际模型。为保证实验结果更具可靠性，本研究所选患者左冠脉血管将平面度和弯曲度的差异控制在一个相对较小的范围之内。

2.4 网格划分

应用前处理软件ICEM CFD14.0进行几何诊断、修复去除无效单元；拓扑修正；应用四面体网划分血管模型。考虑到壁面剪切力为主要影响因素，所以将血管壁划分为4层网格以确保研究结果的可靠性。表1为网格划分结果。

2.5 有限元仿真

本研究[9]设定入口速度和出口压力均按图2所示随心脏脉动周期变化。定义血液材料属性：血液黏性系数为0.0035 Pa·s，血液密度为1055 kg/m3[10,12]；数值模拟采用如下假设：冠脉血管无渗透性，管壁为刚性；血液为不可压缩的牛顿流体；血液流动为绝热层流。血液流动遵守质量和动量守恒定律。即连续方程和Navier-Stokes方程：

(▽·V)=0

方程中P为压力矢量，V为速度矢量，ρ、μ分别指流体密度、黏度。

图1 不同分叉角度左冠脉模型

Fig1Leftcoronaryarterymodelswithdifferentbifurcationangles

图2速度入口和压力出口分布图(红线代表速度，蓝线代表压强)

Fig2Waveformofvelocityinletandpressureoutlet(Theredlinerepresentsspeed,andthebluelinerepresentspressure)

3 结果

当试验进行到心动收缩期末期(0.4 s)时，速度和压力均达到最大值，选取该时间点进行试验研究。作出所有模型速度、壁面压强、壁面剪切力分布云图。

3.1 速度场

血液速度场见图3、6，靠近血管轴线的流速大，而靠近血管壁的地方存在沿血流方向的绿色条状低速区域。左冠脉入口速度较高，分叉脊附近出现了绿色低速区，且低速区域随着分叉角度增大呈现扩大趋势。

表1 不同模型结构尺寸及网格划分情况

3.2 壁面压强(WP)

图4表示左冠脉中压强在心脏收缩末期的分布，压强沿着血流方向呈现递减趋势，但在分叉脊附近存在明显的黄色高压强区域；表2很清楚地反映了压强分布之间的规律：黄色高压区域的最高压强和其高压面积随着分叉角度增大明显扩大。图7反映出患者实际血管模型在血液流场中压强的分布，分叉脊附近出现了高压强，表3、图9精确地表现出分叉脊附近壁面压强和分叉角度呈现正相关性。

图3 理想模型速度分布云图(m/s)

3.3 壁面剪切应力(WSS)

低剪切应力是形成斑块的最主要原因。图5展现出血液流动过程中剪切力的分布情况。血管壁面剪切受血管形状的影响，血管内的瞬态血流造成剪切力分布的不均匀性。分叉脊附近血管壁存在深蓝色的低剪切应力，图5、表2表明低剪切力最低值随角度增大逐渐降低，范围则逐渐扩大；分叉对侧的低剪切应力值及其分布跟分叉角度之间没有必然联系。其他区域(两个分支的蓝色低剪切力区域)跟分叉大小变化没有关系，其是受到血管弯曲[13]和狭窄变形[14]的影响，本研究暂不考虑。与理想模型结果相比较，由于实际血管模型几何结构的不可控性，图8患者实际模型的剪切力不存在明显的分布规律。分叉脊附近血管壁存在蓝色低剪切应力区域；以分叉角度90°为界，后四组模型低剪切应力区域面积明显大于前五组模型。而大角度的四组结果则没那么明显，表明分叉脊附近的低剪切力区域范围随着角度增大整体呈现扩大趋势。由表3和图10可知该区域的最低剪切力跟角度增长呈现负相关性；而分叉对侧低剪切力区域数值基本没有变化，维持在0.449 Pa。患者模型分析结果更接近实际情况，但是由于局部结构特征，分叉对侧弯曲处弯曲半径不同，各分支半径大小，平面度，弯曲度的影响，模型之间的结果差异性较大。

图4 理想模型压强分布云图(Pa)

图5 理想模型壁面剪切力分布云图(Pa)

表2不同分叉角度理想血管模型压强和壁面剪切力分布云图(Pa)

Table2Pressureandwallshearforcedistributionsofidealvascularmodelsatdifferentbifurcationangles(Pa)

不同分叉角度模型 60°75°90° 105° 120°分叉脊附近压强峰值16020.849 16022.738 16022.9516023.89116024.773分叉内侧最低剪切力1.50885 1.2933 1.2933 1.2933 1.07775分叉对侧弯曲处最低剪切力1.2933 1.29331.29331.50885 1.50885分叉对侧最低剪切力 0.43110.4311 0.43110.4311 0.4311分叉脊附近最低剪切力 0.4311 0.43110.21550 0

图6不同分叉角度患者实际血管模型速度分布云图(m/s)

Fig6Velocityprofilesofpatient-specificmodelswithdifferentbifurcationangles(m/s)

图7不同分叉角度患者实际血管模型壁面压强分布云图(Pa)

Fig7WPprofilesofpatient-specificmodelswithdifferentbifurcationangles(Pa)

图8不同分叉角度患者实际血管模型壁面剪切力分布云图(Pa)

Fig8WSSprofilesofpatient-specificmodelswithdifferentbifurcationangles(Pa)

表3不同分叉角度患者实际血管模型压强和壁面剪切力分布云图(Pa)

Table3Thedistributionsofactualpatient-specificmodelpressureandwallshearforceindifferentbifurcationangles(Pa)

不同分叉角度模型(°) 分叉脊附近压强 分叉脊附近壁面剪切力 分叉外侧壁面剪切力 45.816015.76 0.6750.44960.116027.926 0.4500.44971.916020.786 0.2240.22484.316030.375 0.1820.44991.216032.803 0.2080.44998.616029.641 0.2180.224103.816027.1550.1690.224118.616029.8790.0760.449120.216017.627 0.0440.449

4 讨论

研究[8,10]认为动脉粥样硬化与左冠状动脉分叉角度之间存在一定的关系，即分叉角度越大，发生粥样硬化的几率越高。血液的动力学特性对于粥样硬化起关键作用[3-4,15]。而动力学特性与血管的结构密切相关，斑块多形成于血流不稳定区域，例如分叉处，弯曲处[16-17]。低剪切应力被证明是粥样硬化最主要的因素，所以本研究只讨论低剪切力区域，即左冠脉分叉脊附近和分叉对侧血管壁。Chatzizisis[18]等人认为低剪切应力对于血管内皮细胞具有连续的机械效应，导致血管壁内皮细胞的损伤产生大量的“成栓微粒”，在特种酶的作用下凝聚成栓。血液流动的过程中，分叉脊处由于血液流动方向的改变，主支方向流进的血液撞到分叉脊处，流向两个分支，血液冲击导致分叉脊处形成了高压强区域。高压强[8]对于内皮细胞具有破坏力，对于斑块形成也存在积极作用。考虑到该研究的结果，我们发现分叉脊附近血管壁是高压强，低剪切力区域，随着分叉角度的增大，该处压强增大，剪切力减小，对于内皮细胞的破坏越大，形成斑块的成栓微粒越多；而分叉脊附近处于一个速度停滞区域且分叉越大停滞区速度越小，低速区面积越大，形成了粥样硬化的一切有利条件。该研究结果与现有研究[10,19]和山西省人民医院[7，20]的临床统计结果相符合，证实了本研究的准确性。分叉对侧的速度停滞区对于斑块形成也存在促进作用，但是低剪切力和压强没有随角度增大而变化。可知虽然该处易于形成粥样硬化，但其发生率与分叉角度之间没有必然关系关系。

图9不同分叉角度患者实际血管模型分叉脊附近壁面压强分布趋势图

Fig9Linechartofwallpressuredistributionatlocalcarinainpatientswithdifferentbifurcationangles

图10不同分叉角度患者实际血管模型分叉脊附近壁面剪切力分布趋势图

Fig10Distributionofwallshearstressatlocalbifurcationridgeoftheactualpatient-specificmodelswithdifferentbifurcationangles

通过构建患者实际血管模型作为研究载体，更能准确地反映人体真实的血流情况，能够提高实验结果的科学性和准确性。Chaichana[10]等人通过构建理想模型和患者血管实际模型，进行有限元仿真，但是患者血管模型选取的数量少，而且各模型之间结构差异大，对于仿真结果可靠性影响比较大，所以本研究补偿了这个缺点，利用多组患者实际血管，并尽量控制血管之间的差异性，可以保证结果的精确性。

虽然本研究通过建立多组理想模型和患者模型相互比较得出了清晰的结论，但是还是存在改进的缺陷，如血管模型建立没有考虑平面度，血管模型对称，血管壁光滑度，血管变形度的影响。在将来的研究中会作进一步考虑，为冠状动脉粥样硬化的临床检测治疗提供更好的技术参照和理论指导。

致谢

本次研究的实验CT数据和患者临床统计数据均由山西省人民医院CT室提供，非常感谢原杰和赵杰的鼎力支持。