迂曲冠状动脉血流动力学数值模拟分析

冯明明 陈晓琴 成志国 陈广新 郭金兴

1.牡丹江医学院医学影像学院，黑龙江牡丹江 157011；2.黑龙江省牡丹江市康安医院影像科，黑龙江牡丹江 157011；3.牡丹江医学院附属红旗医院眼一科，黑龙江牡丹江 157011

冠状动脉迂曲是一种常见的解剖异常。随着影像技术的进步，其检出率逐渐增高，越来越多的研究关注迂曲冠状动脉与患者临床症状及预后的关系，多项研究发现冠脉迂曲与颈动脉、股动脉、视网膜动脉迂曲有关。有学者认为多种因素共同作用导致了血管迂曲的发生，然而冠状动脉迂曲的发病、发生、发展机制至今未完全阐明[1-4]。冠状动脉形态学的异常导致血流动力学参数的异常变化，造成冠状动脉分叉病变，这一点得到广泛证实。

计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）是一门近代流体力学、数值数学以及计算机三者结合的对各种流体力学问题进行分析研究的强大交叉科学。本文通过对患者与正常冠状动脉的CTA影像数据三维重构血管模型进行数值模拟，分析冠状动脉迂曲的血流动力学参数的分布特征，为临床医生诊治冠状动脉迂曲提供参借鉴与指导。

1 资料与方法

1.1 一般资料

采集冠状动脉迂曲及正常冠脉的CTA图像各1例，由牡丹江医学院附属红旗医院影像科提供。影像检查设备为日本东芝Aquilion 64层螺旋CT，检查数据采用 DICOM格式拷贝、存储。研究经医院医学伦理委员会审查、批准，患者签署知情同意书。

1.2 三维模型构建

将冠状动脉薄层横断面数据导入MIMICS软件（Materialise公司医学版本21.0，比利时），软件自动生成矢状位及冠状位、横断位图像，为了确保左冠状动脉数据集被完整提取，阈值设置为120～1300 HU，随后对图像进行3D预览，通过蒙片编辑功能截取左冠脉及采用区域增长功能重建左冠状动脉近段三维模型。模型以STL格式导出，再将其导入正向工程软件3-matic，对模型进行光滑处理后，裁剪出左冠脉的入口及出口并对模型进行质量诊断，达标后进行保存。由此得到迂曲和正常的冠状动脉三维模型，见图1。

图1 正常与迂曲冠状动脉三维模型（a为正常冠状动脉，b为迂曲冠状动脉）

1.3 有限元网格划分

通过ANSYS FLUENT MESHING（ANSYS，美国）软件对上一步的模型进行网格划分。流体网格采用多面体六面体核心网格划分、为保证计算的精度，对边界层5层加密。

1.4 边界条件与计算设置

在数值模拟中作出如下假设：血管壁为刚性壁；血液定义为不可压缩的牛顿流体；雷诺数Re=285，故可将血液流动情况认为是层流。基于上述条件，控制方程采用N·S方程。计算所用的边界条件：①入口条件为随时间变化的速度入口，波形曲线如图2所示；②管壁处设定为无滑流发生，血管壁面上的速度为零；③出口设置为不存在质量损失的自由出口。本研究中[6-7]血液黏度µ=4 g /（m·s）、血液密度ρ=1060 kg/m3，血流的数值模拟采用Fluent（ANSYS，美国）软件完成。冠状动脉几何形态与出口数据见表1，出口阻力值按照压力公式[阻力系数×（入口直径/出口直径）2.333]计算获得。

表1 冠状动脉几何形态与出口阻力

2 结果

通过数值模拟计算，得到三种血流动力学数据：时间平均壁面剪切应力（time averaged wall shear stress，TAWSS）、时间平均壁面剪切应力梯度（averaged wall shear stress grade，TAWSSG）、横向壁面剪切应力（transverse wall shear stress，TransWSS）。

2.1 TAWSS分布

WSS是血管内膜所受到的切向作用力，而TAWSS则是在一个心动周期内的WSS平均值。有研究发现过小的WSS可能引起内皮细胞的炎性反应和血小板的沉积，而过大的WSS则可能诱导血小板激活，从而损伤动脉壁[8]。在正常冠脉的近入口处、血管分叉处时间平均壁面剪切应力稍高；而冠状动脉迂曲模型的血管分叉处时间平均壁面剪切应力未见明显异常，左前降支即迂曲血管，可见时间平均壁面剪切应力节段性升高，见图3。

图3 TAWSS分布云图（a为迂曲冠状动脉，b为正常冠状动脉）

2.2 TAWSSG分布

TAWSSG是WSSG的平均时间值，能更好地观测WSS数值的变化，正常冠脉近入口处及血管分叉处的时间平均壁面剪切应力梯度稍高且数值相差不大；冠状动脉迂曲模型的左前降支起始处时间平均壁面剪切应力梯度最高，其余血管转折处也有较高的时间平均壁面剪切应力，而左回旋支及中间支数值较低，未见异常，见图4。

图4 TAWSSG分布云图（a为迂曲冠状动脉，b为正常冠状动脉）

2.3 TransWSS分布

TransWSS，即不同方向的壁切应力，但其本身并不能完全表征WSS的模式[9]，正常冠状动脉模型的近入口处、血管分叉处及一侧出口横向壁面剪切应力稍高，其余部分数值较低大致相同。而冠脉迂曲处的横向壁面剪切应力数值整体偏高，见图5。

图5 TransWSS分布云图（a为迂曲冠状动脉，b为正常冠状动脉）

3 讨论

冠状动脉迂曲的具体定义国外各个文献尚有一定差异，但均是通过血管走形迂曲的数量和迂曲段与主支走行方向的夹角作为该解剖变异的评定标准[10]。根据冠状动脉的主干如左前降支、左旋支、右冠状动脉在心脏舒张期的不同情况分为：≥3个弯曲（与主支血管走行夹角）≥90°定义为轻度迂曲；≥3个弯曲≥90°但≤120°认为是中度迂曲；≥3个弯曲≥120°是冠状动脉重度迂曲（severe coronary tortuosity，SCT）[4，11-12]。由于冠状动脉为心脏的供血血管，且走行于心脏表面，故具有特殊性，其发病机理可能与人体其他的动脉有一定差异。主要由血管的牵引力、血管壁内压力及冠脉的弹性回缩力这三者共同维持冠状动脉形态的稳定。正常情况下血管的牵引力和血管壁内压力延长血管，而这两股力量的合力与一个冠脉弹性回缩的反作用力相抵消。一般情况下，牵引力、血管壁内压力和弹性回缩的力大小相等、方向相反，这维持了血管形态的稳定，因此，通常情况下不论是心脏的收缩期还是舒张期，冠状动脉的形态改变都是可逆的。冠状动脉弹性回缩的力量基本由弹性蛋白所承担。如果弹性蛋白发生退化、变性，或者是冠状动脉内的压力发生了变化，这都将导致上述力的平衡被打破，血管在心脏的舒张及收缩过程中将会发生形态不可逆的形态学改变，导致扩张性动脉瘤的发生或是造成冠状动脉迂曲[4]。除此之外，有学者通过小动物实验发现动脉在较高的血管剪切应力作用下可以出现血管壁的损伤及自我修复即发生血管重塑[13-15]。

本实验尚存在一定局限性：样本量较少，只将1例轻度冠状动脉迂曲的患者与正常冠状动脉进行数值模拟分析，未来希望加大样本量，并丰富相关临床信息。本试验将血管壁定义为刚性壁，然而在正常人体中血管具有一定的弹性，管壁与流动的血液会相互作用，且血管周围存在其他组织。在本实验中，血液定义为不可压缩的牛顿流体，而正常人体血液中含有各种固体小颗粒成分如红细胞、白细胞、蛋白质等，情况更为复杂，与此相比会有一定的血流动力学差异。

通过本实验数值模拟分析可以发现，迂曲的左前降支TAWSS稍高，可能增加了血管壁损伤的几率，而TAWSSG、TransWSS数值较高，可以认为动脉迂曲处较容易发生炎症反应进而形成冠状动脉粥样硬化，需要进行干预或者服用临床药物。

综上所述，冠状动脉迂曲处较容易发生动脉粥样硬化，这也与上述学者的研究结果相符[14-15]，但不同程度迂曲的血流动力学可能存在差异，需要科研工作者继续探索，为临床早期干预冠脉迂曲患者提供帮助。