冠状动脉CT血管造影结合计算流体力学方法评估冠状动脉血流动力学变化的价值

我国冠心病(coronary atherosclerotic heart disease,CAD)发病率、死亡率每年呈上升趋势。因此冠心病的早期筛查和诊断尤为重要。国内外学者研究证明,血流动力学改变是导致冠脉受损的重要因素之一[1-2]。临床工作中,无创评价冠脉的常用方法是CT血管造影(computed tomography angiography,CTA),其对冠脉狭窄的解剖学评价准确性很高[3],但是不能提供血流动力学信息。冠脉CTA图像结合计算流体力学(computational fluid dynamics CFD)方法可以从血流动力学角度个体化分析复杂形态血管受损的过程[4],从而更好地评价血管的功能状态。尤其对于冠脉中度狭窄(50%～70%)的病人,管腔狭窄与心肌缺血不匹配可以达到57%[5],如何基于病人冠脉CTA图像个性化定量分析冠脉狭窄发生前后的血流动力学变化过程,从而更好地评价冠脉斑块的好发部位、病变冠脉是否导致心肌缺血,同时利用血流动力学的结果制定准确的治疗策略,一直是临床医生经常面临和需要解决的问题。鉴于此,本文基于1例左前降支中段中度狭窄病人的冠脉CTA图像,利用流体力学仿真技术模拟狭窄发生前后冠脉的血流动力学参数变化,并与核素负荷静息心肌灌注显像(myocardial perfusion imaging,MPI)结果进行对照,评价血流动力学改变在斑块的发生、发展以及是否可以判断心肌缺血中的作用,为大样本临床研究的进一步展开进行可行性探索,报道如下。

1 材料与方法

1.1 研究对象 选取2017年2月我院初诊怀疑为冠心病的1例病人为研究对象,接受冠脉CTA检查和心电门控负荷静息MPI检查, 两种检查均在7 d内完成。该病人在所有检查前签署知情同意书。

1.2 方法 (1)冠脉CTA检查:首先监测病人心率,心率为65次/min。采用荷兰Philips Brilliance 64层CT机,心电门控心脏增强扫描模式,以5 mL/s的速度注射碘海醇(370 mg/mL)70 mL,注射完毕后以相同速度追加50 mL生理盐水,应用对比剂跟踪技术启动扫描。将该病人冠脉CTA的容积数据传至富士医用三维影像后处理工作站观察,然后使用多平面重建(multiple planar reconstruction,MPR)、最大密度投影法(maximum intensity projection, MIP)、曲面重建(curved planar reconstruction,CPR)和容积再现技术(volume rendering,VR)进行重建,选择轴位及有意义的重建图像激光打印。

(2)核素心肌灌注显像:病人接受两日法心电门控负荷静息MPI检查,其中心肌灌注显像结果采用17节段5分半定量分析方法。计算狭窄冠脉所匹配的心肌异常灌注区静息总积分(summed rest score，SRS)、负荷总积分(summed stress score，SSS) 以及灌注积分差(summed difference score，SDS)(负荷总积分-静息总积分)。其中SDS提示心肌缺血性改变的程度和范围。左室前壁、前间隔、心尖部和前外侧壁心肌缺血定义为左前降支(LAD)病变所致;后外侧壁心肌缺血定义为左回旋支(LCX)病变所致;后间隔、下后壁心肌缺血定义为右冠脉(RCA)病变所致。

(3)冠脉血流动力学模型的建立和参数的计算:通过网络自由软件(http://www.ablesw.com/3d-doctor/),将冠脉CTA薄层轴位图像数据以标准的DICOM格式导入专用计算机进行三维重建。从临床中得到的是狭窄发生后的图像,通过计算机影像手段可以获得狭窄发生前的图像。根据冠脉的三维形状,生成计算流体力学网格,网格的最小尺寸<0.08 mm。计算流体力学的求解器,是在开源的流体力学程序Openfoam(https://www.openfoam.com/)基础上二次开发得到的。该求解器的可靠性在之前的工作中得到了验证[6]。计算为稳态,左冠脉血流100 mL/min,进口压力95 mmHg,收敛精度为10-6。可以得到中度狭窄发生前后冠脉的血流速度、管壁切应力(wall shear stress,WSS)、管壁压力(wall pressure,WP)、压力阶差以及血流储备分数(fractional flow reserve,FFR)。

1.3 图像分析 通过Synapse PACS系统调取该病人冠脉CTA图像与MPI图像,分析冠脉管腔狭窄程度,同时计算异常灌注区心肌SSS(SSS≥4定义为异常灌注区)以及SDS。

2 结果

2.1 病人基本情况 女性,63岁,冠脉CTA显示左前降支狭窄程度为57%(图1A-B),其余冠脉分支无狭窄。核素负荷静息MPI显示前室间隔为可逆性心肌缺血区,其SSS为9,SDS为8(图1C)。

2.2 LAD中段狭窄发生前后形态学参数 最小管腔直径分别为 3.7 mm和1.6 mm;最小管腔面积分别为4.8 mm2和2.3 mm2;斑块长度分别为0 mm和10.08 mm。见表1。

2.3 LAD中段狭窄发生前后血流动力学参数 最大血流速度为0.2 m/s和1.0 m/s;管壁最大切应力为4.8 Pa和15 Pa;管壁压力为93 mmHg和65 mmHg;压力阶差为2 mmHg和30 mmHg;FFR-CT为0.98和0.68。见表1和图2。

表1 LAD中段狭窄发生前后的形态学和血流动力学参数

注:A-B为CTA曲面重建和VR冠脉树图像显示LAD中段管腔中度狭窄;C为核素负荷静息MPI显示前室间隔为可逆性心肌缺血区,LAD中段为有功能意义狭窄的冠脉节段(白色箭头所示)图1 病人接受冠脉CTA和核素负荷静息MPI的检查结果

注:A:模拟狭窄发生前局部血流速度为0.2 m/s;B:狭窄发生后局部最高血流速度为1.0 m/s;C:模拟狭窄发生前局部最大WSS 4.8 Pa;D:显示斑块形成后造成管腔狭窄, WSS最大达到15 Pa;E:模拟狭窄发生前局部压力93 mmHg;F:狭窄发生后压力明显减小,局部压力为65 mmHg;G:模拟狭窄发生前FFRCT为0.98;H:狭窄发生后FFRCT为0.68图2 冠脉CTA结合CFD方法计算LAD中段狭窄发生前后的血流动力学参数

3 讨论

如何定量评价临界病变(中度狭窄)冠脉血流动力学变化是本研究的首要问题。根据流体力学模拟的计算,可以得出狭窄发生前后冠脉内的血液流速场、壁面压力、流动压力阶差、壁面切应力和血流储备分数等关键参数。

我们的研究发现LAD狭窄发生前局部管腔中心向外周血流速度逐渐降低,这种血流速度场,可增加血液中的脂蛋白、淋巴细胞和单核细胞等成分与血管内皮细胞接触,导致内皮细胞基因表达谱出现相应变化,促进动脉粥样硬化病变的形成[7]。狭窄发生后血流速度场显示狭窄周围的血流速度加快,最窄处局部血流速度为狭窄前5倍,这种血流速度场会使狭窄下游的血流明显减低。

冠脉管壁和动脉粥样硬化斑块都同时承受两种机械力,WSS和WP。WSS是影响斑块发生、发展以及演变的重要血流动力学参数,这一点已被多个研究证实[8-11]。WSS在维护血管内皮功能方面有重要作用,其数值与局部血液黏度和血流速度相关。血管内皮细胞可以感知WSS的变化并反过来影响正常内皮细胞的功能,导致动脉粥样硬化的发生和进展。大量文献都证明,在血管结构明显变化的区域容易产生低WSS值,局部低WSS处易发生脂质沉积最终发生动脉粥样硬化,导致器官供血不足[1-2,4,7-11]。我们的计算结果表明LAD狭窄发生前局部WSS分布不均匀,血管分叉相对的外侧壁局部WSS较低,提示为斑块好发区域。通过对比分析狭窄发生前后的计算结果,该病人的偏心斑块位于狭窄前WSS比较低的区域,本例研究也证实低WSS为斑块发生的原因之一,可以通过对低WSS区域的检测作为预测斑块易发部位的证据,为预防和治疗动脉粥样硬化提供了一种新方法。

当斑块所承受的压力超过自身的弹性强度就有可能发生破裂,因此血管壁和斑块局部承受的WP和WSS对于全面评价冠脉斑块的好发部位和斑块进展有重要作用。我们的计算结果表明,狭窄区域WP明显大于WSS,因此管壁压力可能在斑块破裂方面起到比较重要的作用。

我们的计算结果显示,血流经过狭窄处能量损失增加,压力下降明显,狭窄发生后FFRCT值为0.68,LAD中段为有功能意义狭窄冠脉节段,与核素负荷静息MPI显示前室间隔为可逆性心肌缺血区相吻合。MPI是ACC/AHA/ASNC指南中明确诊断心肌缺血的检查手段[12]。以往临床工作中,MPI联合冠脉CTA检查可以在无创情况下既能了解冠脉病变的解剖学变化, 又能了解局部心肌的实际供血情况,但是对于多支冠脉病变导致的心肌缺血,MIP很难明确罪犯血管的节段,这样会导致治疗的盲目性,同时二者联合应用会增加受试者的辐射剂量和医疗消费。有创的FFR可以在生理条件下测量,但是不能测量所有的冠脉血管,只能测量冠脉造影显示有明显狭窄的节段,这种测量方法会导致诊断的误差。

多个研究证实,基于冠脉CTA的无创血流储备分数FFR-CT,与有创FFR测量结果有很强的的一致性(FFR<0.75定义为有功能意义狭窄节段)[13-15]。与传统冠脉CTA相比可以明显提高识别心肌缺血的效能,可以多支血管多部位计算测量,准确定位罪犯血管的节段,减少再血管化治疗过程中的辐射剂量和盲目性,为病人个性化诊断治疗策略的制定提供了准确的信息。对于不能耐受或不愿进行冠脉造影检查的病人可以提供一种良好的替代选择,尤其对于血管重建术后病人的复查更是一种良好的选择。

本研究使用的流体力学计算体系稳定，运算速度较快,总体计算时间为3 h,明显短于目前的文献报道(5～6 h)[16]。在不增加医疗消费、病人辐射剂量和造影剂用量的前提下,通过对比狭窄发生前后左前降支的形态学和血流动力学参数,可以发现血流动力学变化在动脉粥样硬化中的作用,拓宽了CTA的诊断价值。一次扫描完成冠脉解剖学和功能学的双重评价。通过WSS的变化可以预测斑块的发生和部位,FFR-CT的计算结果可以明确斑块的临床结局并指导临床医生制定个性化的治疗策略。冠状动脉CTA结合CFD方法对于冠心病预警和个性化管理冠心病病人有着广泛的应用前景。