可降解支架植入后壁厚和杆宽对局部血流动力学环境的影响

刘鹏飞，赵昆，王川，张昱昕，赵轩铖

乐普（北京）医疗器械股份有限公司 研发部，北京市，102200

0 引言

支架内血栓作为冠脉支架植入后的重要并发症，是临床和学术界近年来的研究热点。血栓形成的原因是多方面的，支架结构设计是影响血栓形成的主要原因之一[1]。血小板是血栓形成的始动因子[2-5]，其有近壁面区域集中分布的特性[6]。当壁面剪切应力低于0.5 Pa，血小板易发生贴壁粘附[7-9]；而当壁面剪切应力大于9 Pa，剪切力会诱导中间介质血管性血友病因子(von Willebrand Factor,vWF)大量形成，从而导致血小板迅速聚集而形成血栓[10-11]。振荡剪切应力指数与相对停留时间增大，会促进内膜增生与细胞扩散[12-13]，增加血液中脂质与栓子和血管壁进行交互的停留时间，更容易导致血栓的形成，从而增大后期并发症的发生概率[14-15]。

完全可降解支架（BRS）具有完全降解，重建血管舒缩功能，恢复血管弹性，改善患者的长期预后的优势，被誉为PCI的第四次革命[16]。雅培Absorb BRS支架壁厚与早期临床研究较高的血栓发生率相关[17-19]，引起医生和学者对BRS早期支架内血栓的担忧和质疑。最新Absorb China和乐普NeoVas支架的临床结果表明，通过优化支架结构设计并严格使用优化后的BRS植入策略（PSP），将会极大降低血栓发生率，提升可降解支架的安全性。NeoVas支架术后随访表明血栓发生率分别为0.9%（3年）和0.4%（1年）。

本研究基于乐普NeoVas完全可降解支架严格采取PSP植入策略的前提，根据支架植入即刻OCT数据建立流场模型，利用有限元方法研究NeoVas支架植入后壁厚、杆宽和血管直径因素对其血流动力学的影响，探究其与血栓形成的关系。

1 材料和方法

1.1 流体模型的三维重建及模型参数确定依据

根据NeoVas生物可吸收冠状动脉雷帕霉素药物洗脱支架系统的随机对照试验，进行OCT亚组研究，随访植入即刻、1年与3年后OCT图像（如图1），测量植入即刻87位患者OCT影像支架丝暴露在血管中的厚度与支撑段血管直径（如表1所示）。临床中NeoVas支架壁厚范围为0.13～0.21 mm，平均壁厚为0.17 mm，同时计算出薄壁支架（支架壁厚为0.13 mm）相关参数。在可降解支架材料属性不变的情况下，通过有限元模拟分析与实际测量可降解支架径向支撑力发现[20-22]，NeoVas支架的径向支撑力与支撑单元杆宽的关系为二次方正相关，径向支撑力与支架壁厚呈一次方线性正相关。

图1 NeoVas支架与植入即刻、1年后内皮化与植入3年后完全降解OCT图片Fig.1 The NeoVas stent image and the OCT images of Neo Vas stent implantation immediately,endothelialization after 1 year and complete degradation after 3 years

表1 血管直径与支架丝暴露厚度数据统计表(mm)Tab.1 Statistics of blood vessel diameter and stent filament exposure thickness

国内外对支架植入后的血流动力学环境的研究大部分均忽略支架丝嵌入血管内的部分[3-4]，支架丝暴露于血液中的厚度与杆宽是引起支架植入后血流动力学变化的主要因素。根据患者OCT与支架几何结构使用soliderworks三维重建8种类型支架植入后的流体模型。

1.2 模拟计算与边界条件

1.2.1 控制方程

有限元模拟计算使用的血液流动控制方程为三维不可压缩N-S（纳维-斯托克斯）方程组[23]：

公式中u和p分别代表速度矢量和压力，ρ和μ是血液的密度（1 050 kg/m3）和粘度（0.003 5 kg/(m.s)）[5]。

后处理使用ANSYS Fluent 15.0软件模拟计算得到数据，根据下面公式来编写特定的Matlab程序来自动处理数据[24]。时间平均剪切应力（TAWSS）是一个完整心动周期的壁面剪切应力（WSS）的平均值，时间平均剪切应力的公式为：

公式中T为一个心动周期，WSS为瞬时壁面剪切应力矢量。

振荡剪切力指数（OSI）是描述血管内壁所受剪切力方向变化的衡量参数。OSI的公式为：

相对停留时间（RRT）是用来定义近壁的物质的停留时间。RRT的公式为：

1.2.2 边界条件

根据文献中血管狭窄患者冠状动脉左前降支脉动血液流量图设定血管入口速度[25-26]。不同直径血管计算相对应的血液流速，入口处设置为相对应的脉动流血液流速情况，设置雷诺数为270[27]。计算模型的血管壁面及支架表面，均采用固壁、无滑移边界条件[28-29]。

2 结果分析

2.1 不同壁厚和直径可降解支架植入血管后对局部血流动力学环境的影响

2.1.1 血液流速与涡流面积分析

如图2速度云图与迹线所示，不同壁厚支架植入相同直径血管后速度与迹线基本不会发生明显变化。并且均随着植入处血管直径增大，平均血流速度减小。流速分析发现，0.17 mm壁厚的支架植入2.25 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm血管的平均血流速度分别为0.374 5 m/s、0.332 9 m/s、0.211 7 m/s、0.171 2 m/s，对比同血管直径薄壁支架平均血流速度降低0.11%、0.20%、0.09%和0.05%，差值随着直径增大而缩小。

图2 不同规格支架植入后血管剖面速度云图及迹线局部放大图Fig.2 Velocity cloud map and local enlarged streamlines in vascular section after implanting stent with different specifications

如图3所示，不同壁厚支架涡流面积都随着植入血管直径增大而迅速减小，涡流面积差值越来越小。0.17 mm壁厚支架在植入血管直径大于2.5 mm时有更小的涡流面积，且植入血管直径为3.5 mm时的涡流面积比2.25 mm时降低了68%，而薄壁支架只降低了36%。当植入处血管直径小于2.5 mm时，0.17 mm壁厚支架涡流面积增大比薄壁支架更明显。

2.1.2 壁面剪切应力与时间平均剪切应力

如图4所示，对比0.17 mm壁厚支架平均壁面剪切应力，薄壁支架整体壁面剪切应力更大，特别是当血管直径小于2.5 mm时，壁面剪切应力大于9 Pa与小于0.5 Pa分布面积更大。不同壁厚支架平均壁面剪切应力均随着植入血管直径增大而明显减小；血管直径越大，不同壁厚支架整体壁面剪切应力越趋于安全范围，两者差值越小。

图3 支架植入后涡流面积与血管直径趋势图Fig.3 The vortex area and vessel diameter after BRS implantation chart

图4 支架植入平均壁面剪切应力与血管直径趋势图Fig.4 The average wall shear stress and vessel diameter after BRS implantation chart

如图5所示为支架植入后危险区域占比（时间平均壁面剪切应力小于0.5 Pa与大于9 Pa的分布面积占总体支架植入区域面积的百分比）与血管直径趋势图。0.17 mm壁厚支架在植入血管直径为2.25、2.5与3.5 mm时危险区域占比均小于同等条件下的薄壁支架，差值最大为7.05%。两种支架类型的整体危险区域占比，均随着植入处血管直径增大快速降低。0.17 mm壁厚支架植入处血管直径由2.25 mm变为3.5 mm时，危险区域占比将降低71%。当植入处血管直径小于2.5 mm，薄壁支架危险区域占比更明显增大。

2.1.3 振荡剪切应力指数和相对停留时间

如表2所示，不同规格NeoVas支架的平均振荡剪切应力指数整体数值均很低，低于0.000 7；不同壁厚支架OSI均随着血管直径增大而减小。不同厚度支架植入同等直径血管OSI基本无差别。植入相同直径的血管，对比0.17 mm壁厚支架，薄壁支架的相对停留时间数值更大。

图5 支架植入后时间平均壁面剪切应力危险区域占比与血管直径趋势图Fig.5 The TAWSS dangerous area and vessel diameter after BRS implantation chart

表2 平均振荡剪切应力指数和平均相对停留时间Tab.2 The average OSI and RRT

3 结论

本研究根据患者OCT数据重建支架植入后模型，利用有限元方法对比两种不同壁厚设计可降解支架植入后血流动力学环境。基于模拟计算与临床实际数据，研究支架壁厚、杆宽与直径对血流动力学环境的影响，及其与血栓形成的关系。

（1）不同壁厚的NeoVas支架植入相同直径后不会造成局部血流动力学环境显著变化；血管直径变化所导致局部血流动力学变化远远大于壁厚与杆宽变化。

（2）在植入血管大于2.5 mm时，0.17 mm壁厚可降解支架比薄壁支架有更好的血流动力学环境，其壁面剪切应力、危险区域占比与涡流面积比薄壁支架值更小，有更低的血栓形成概率。即在同等支撑力条件下，厚壁窄杆比薄壁宽杆有更好的血流动力学环境。

（3）有限元模拟结果与临床中NeoVas支架较低的血栓发生率相符合，RCT 1年与3年随访血栓发生概率仅为0.4%与0.9%，OCT（1 098例）2年随访血栓发生概率仅为0.8%，对照组Xience支架1年与3年随访血栓发生率为0.35%与0.7%。

（4）在植入血管小于2.25 mm时，不同壁厚支架相关血流动力学参数互有优势，但是整体壁面剪切应力、危险期区域占比及涡流面积均会显著增大，血流动力学环境会更加恶劣，从而增大血栓等不良事件发生的概率，与临床发现相符合。根据血流动力学模拟分析与临床效果可以看出目前可降解支架的杆宽与壁厚应避免小直径血管植入使用。