基于CT成像的冠状动脉狭窄血流动力学分析

摘要：目的 基于心血管患者的冠状动脉血管模型，通过计算和分析血管内血液流动的各个动力学参数，研究冠状动脉狭窄对心血管疾病的影响。方法 基于心血管患者冠状动脉造影的CT图像，用Mimics软件对左冠状动脉及其主要分支进行三维重建；利用有限元方法，对冠状动脉模型进行流体力学计算。假设血管壁不发生变形，血液为不可压缩牛顿流体，在非定常速度进口的条件下计算各血流动力学参数的变化规律。结果 冠状动脉狭窄（75%面积狭窄）对下游的壁面剪切力和振荡剪切指数影响较大，并且会导致涡流和二次流的产生；在模型中装上血管支架，使得血管狭窄消失之后，涡流和二次流基本消失，而且振荡剪切指数明显变小。结论 冠状动脉狭窄对血流动力学参数有重大影响，可能是引起动脉粥样硬化的原因；通过CT图像重建方法，可以诊断狭窄发生的地点以及严重性，对心血管疾病的治疗有一定的辅助作用。

关键词：动脉粥样硬化；冠状动脉狭窄；三维重建；CT；血流动力学

动脉粥样硬化是严重影响人类健康的心血管疾病。在西方发达国家，由动脉粥样硬化导致的心脑血管疾病是造成死亡的首要原因[1]。随着生活方式和饮食习惯发生改变，该病也逐渐成为中国居民死亡的主要原因[2]。冠状动脉狭窄（尤其是面积狭窄在75%以上的狭窄）会导致心肌供血不足，进而导致动脉粥样硬化等各种心血管疾病，对临床诊断有重要意义[3-5]。冠脉支架植入技术是介入性治疗心脏病的一种新方法，能将血管狭窄区有效撑开，创伤小而且效果好，能大幅度降低心梗死亡率[6]。本文基于心血管患者的CT造影，利用三维图像重建和有限元分析的方法，研究了冠状动脉狭窄对下游的各流体力学参数的影响，以及装上支架以后各参数和血液流动的变化情况，为心血管疾病的诊断和血管支架的应用提供了一种理论方法。

1资料与方法

图3为患者左冠状动脉的平均壁面剪切力，可以看出，在LAD主干的两处狭窄处，TAWSS有一定的升高，而在狭窄下游，TAWSS要明显降低，这种剪切力的急剧变化，有可能会形成血管斑块，严重时会造成斑块破裂。而在LCx的第1、2级分支，LAD的第2级分支处都有狭窄，而三处的TAWSS都非常高，说明这三处的病变相当严重。相对应的，图4为患者左冠状动脉的振荡剪切指数，可以看出，在LAD主干的两处狭窄处，OSI都有一定的升高区域，说明在该区域中，血管有明显的病变发生。而在三处分支狭窄的地方，OSI都有一定的高数值区域，同样对应着病变的发生。图5为患者LAD主干两处狭窄附近的流线。可以看出，在第一个狭窄下游，出现了回流和涡流，在第二个狭窄下游，出现了二次流。在血管中出现的回流、涡流、二次流往往会导致局部流动紊乱，并对动脉壁产生极大的影响，可能会导致心肌供血不足以及动脉粥样硬化的发生。

冠状动脉主干处的狭窄往往影响巨大，因此我们需要对狭窄进行治疗。一般来说有药物治疗、外科手术和介入性治疗三大类。其中，介入性治疗（冠脉支架植入）因其创伤小、见效快，成为目前治疗心血管狭窄的重要方法。下面，我们讨论对患者主干处狭窄进行支架植入之后，血流动力学参数的变化情况。

2.2血管支架植入后血流的变化，见图6～图8。

装完血管支架后，我们可以看出，LAD主干处的两处狭窄被撑开（图5、6），血管恢复成应有的宽度（内径）。对比图6和图3，我们发现原狭窄处的高剪切力区域消失，剪切力在局部区域急剧变化的现象已经消失，说明患者动脉壁受到的损害得到了控制。同样的，对比图7和图4，原狭窄处的高OSI分布区域已经完全消失，说明患者动脉壁上受到的剪切力脉动刺激已经降到了比较低。而图8中的流线也变得十分规律，回流、涡流和二次流基本消失了，不会再引起心肌供血不足。

3讨论

从以上结果中可以看出，冠状动脉主干处的狭窄对血液动力学参数的影响十分明显。狭窄会导致壁面剪切力的升高以及局部剪切力急剧变化，会导致局部振荡剪切指数的急剧升高，会导致狭窄下游处的回流、涡流以及二次流的产生。因此，我们在对心血管疾病患者进行诊断时，可以通过CT造影和三维重建，判断该患者冠状动脉狭窄的具置和狭窄程度，并通过有限元分析，计算该患者的血流动力学参数，以判断该患者血管受狭窄的影响程度大小，以及血管的哪一个具置可能会发生病变。而关于支架的研究表明，血管支架可以明显改善心血管病患者狭窄处附近的血液流动情况。该研究的意义还在于，我们可以通过模拟安装支架的方法，计算出安装方位、支架大小等对患者病情的影响，以便对介入性治疗进行一定的理论指导。

由于心脏收缩和舒张会导致血管壁的收缩和舒张，我们这里的刚性壁面条件就不再适用，而需要采取更加真实的动壁面条件。因此我们下一步的工作，应该考虑到心脏舒缩导致的血管壁移动，进行更加细致的分析，为进一步研究冠状动脉粥样硬化的机理提供理论依据。

4结论

本文基于心血管患者的CT造影，利用三维图像重建和有限元分析的方法，研究了冠状动脉狭窄对下游的各流体力学参数的影响，以及装上支架以后各参数和血液流动的变化情况。分析结果发现，冠状动脉狭窄对下游的壁面剪切力和振荡剪切指数影响较大，并且会导致涡流和二次流的产生；在模型中装上血管支架，使得血管狭窄消失之后，涡流和二次流基本消失，而且振荡剪切指数明显变小。CT造影和有限元分析结合的方法，为研究动脉粥样硬化的机理提供了一种理论方法，为诊断、治疗血管狭窄提供了一定的技术支持。

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