文摘

本研究旨在探讨模拟在左冠状动脉斑块的血流动力学效应模型,从病人的样本数据生成。斑块是模拟和放置在左侧干线和左前降枝(小伙子)生产至少60%的冠状动脉狭窄。计算流体动力学分析来模拟现实的生理条件,反映了在活的有机体内心脏血流动力学和壁面切应力的比较(WSS)牛顿和非牛顿流体模型之间进行。压力梯度(PSG)和流动速度在左冠状动脉左冠状动脉模型测量和比较有和没有斑块在心动周期的存在。我们的结果表明,最高的PSG观察斑块引起的狭窄的地区。低流速区域被发现在postplaque地点在左旋,小伙子,分岔。WSS之间的狭窄的位置相似的非牛顿,牛顿和非牛顿模型尽管一些更多的细节观察模型。有直接冠状动脉斑块之间的相关性和随后的血流动力学变化,基于模拟现实的冠状动脉斑块的模型。

1。介绍

冠状动脉疾病(CAD)是发达国家的主要死亡原因。CAD的最常见的原因是动脉粥样硬化引起的斑块在动脉壁的存在,导致管腔狭窄。斑块尤其与血栓和血液流向心肌的妥协。这发生在冠状动脉斑块突然破裂;如果血栓不能及时治疗,则会受损心肌缺血性改变,导致心肌缺血或梗死,或者更严重,坏死(1]。因此,CAD的早期检测和诊断尤为重要,减少死亡率和后续的并发症(1]。

冠状动脉斑块的自然历史不仅依靠动脉粥样硬化的形成和发展,而且对血管重塑响应。如果当地壁剪切应力较低,增生性空斑形成。局部炎症反应刺激形成的所谓“易损斑”,这是容易断裂叠加血栓的形成。绝大多数的这些高风险斑块发炎不能检测到解剖和心肌灌注成像。由于脆弱的斑块的进展和发展是与低壁面切应力和广阔的改造,测量这些特征在活的有机体内将使整个冠状循环(危险分层2]。

墙墙剪切应力(WSS),压力,和人体血液流动的变化不能直接测量血管,而计算流体动力学(CFD)可以提供替代方法诊断CAD (3]。冠状动脉WSS因素是扮演着一个重要的角色在早期形成的CAD (4]。此外,WSS在当地的血管壁可以证明为各种解剖部分动脉粥样硬化发展的倾向,从而使预测冠状动脉疾病(5]。

CFD可以高效、准确计算血流动力学特性的心血管系统的正常和异常的情况下,在活的有机体内模拟的冠状动脉流量变化(3- - - - - -6]。CFD是不同于医学影像可视化医学成像技术,如冠状动脉造影或计算机断层扫描血管造影提供解剖病变的冠状动脉壁由于斑块的存在,因此只允许评估腔变化的程度,如狭窄或闭塞(7,8]。相比之下,CFD分析能够识别冠状动脉的血流动力学变化,甚至在斑块实际上是形成动脉壁或可以使闭塞血管。因此,在某种程度上,CFD允许冠状动脉疾病的早期检测和提高了斑块的进展的理解,这被认为是非常重要的临床治疗。本研究的目的是探讨斑块在左冠状动脉的血流动力学效应利用CFD分析。模拟斑块插入左主冠状动脉左前降枝茎和(从一个选定的病人的数据),和血流动力学分析进行关联的影响与后续流改变冠状动脉斑块的存在主要和侧分支。

2。材料和方法

2.1。病人数据选择生成左冠状动脉的模型

样本的CAD病人怀疑接受多层螺旋CT血管造影被选中,和病人的CT数据量被用来生成一个三维冠状模型。最初的CT数据是保存在医学数字成像和通信(DICOM)格式,然后转移到一个工作站配备7.0分析(分析直接,Inc ., Lexana KS,美国)式立体图像和分割。三维(3 d)体积数据位和使用半自动分割方法与CT数阈值技术(9,10),进行手工编辑一些片清除软组织和文物。分段模型是特别注重左冠状动脉(LCA)及其分支。3 d LCA模型保存在“STL格式”进一步重建的目的。图1显示左冠状动脉的解剖细节。

2.2。现实的斑块造型

实际的斑块和墙上冠状动脉管腔狭窄程度模拟左侧干线(LMS)和左前降枝(小伙子),因为这些动脉分支共同地方斑块倾向于形成和诱导心肌缺血性改变7,11]。大约60%的斑块产生了腔缩小直径LMS和小伙子,因为超过50%腔狭窄导致显著的冠状动脉内血流动力学改变流(12]。图2是分段LCA模型显示各种视图的位置在左冠状动脉斑块。

2.3。代的计算模型

LCA模型有无斑块的表面(图2)是由使用搅拌机2.48版(搅拌机研究所,阿姆斯特丹,荷兰)。温柔的b样条平滑技术应用之间的左主干和侧分支减少任何潜在的非物质的行为引起的锐边(13]。表面模型组成的斑块和正常冠状动脉被转化成固体模型和保存在“STL格式”的额外创建网格元素。模型被用来创建六面体的和四面体网格执行CFD模拟。的六面体网格配置LCA模型没有斑块949289元素和1062280个节点,而LCA的六面体网格配置模型与斑块928311元素和1041936个节点。四面体网格配置15519个节点和78618个元素。使用ANSYS ICEM CFD网格生成版本12 (ANSYS, Inc ., Canonsburg, PA,美国),细节有被描述在先前的研究6,14,15]。最后,两个网格模型保存在“GTM格式”CFD计算。

2.4。应用程序的生理参数

为了确保我们的分析反映了现实的模拟在活的有机体内边界条件、现实的生理条件申请3 d数值分析。瞬态仿真执行使用准确的血流动力学流变和材料特性,如先前所述的研究(16]。图3显示了脉动的流量(17使用傅里叶级数)在主动脉,重建(18在Matlab (MathWorks公司纳蒂克,妈,美国)。应用傅里叶级数使用ANSYS只命令语言编程定义速度和压力边界条件。跳动的速度应用作为一个入口边界条件在左边干线,零压力梯度是应用于左前降枝,弯曲的出口边界(19]。合适的流变参数应用血液密度为1060公斤/米³和血液粘度0.0035 Pa的年代(20.,21]。血液流动被认为是层流,无滑动条件应用于墙上。斑块是假定为刚体(22]。血液被认为是牛顿和不可压缩流体4,23]。此外,WSS牛顿和非牛顿模型之间的比较认为,特别是在狭窄的位置(24]。血液的非牛顿模型模拟使用广义幂律[4,25这是定义为 在哪里,,,,,,,。广义幂律模型符合实验应力-应变测量的应变率范围,年代⁻¹(25]。

2.5。计算血流动力学性能分析

navier - stokes方程解决使用ANSYS排名CFD软件包(版本12-ANSYS, Inc .)、微软Windows 7 32位机器上6 MB RAM的Xeon W3505 2.53 GHz CPU。CFD模拟运行了80步伐,代表1.0秒跳动的流,每个步伐(0.0125秒),每个步伐聚合到一个剩余不到1×10的目标⁻⁴由大约100个迭代。CFD的解决方案是完全聚集了大约8000次迭代LCA模型。每个LCA模型的计算时间大约是2小时。这种模拟类似于先前发表的配置模拟(6,14,15]。流速、截面速度模式和压力梯度计算,使用ANSYS CFD-Post版本得到12 (ANSYS, Inc .)。图4表示感兴趣的领域在左冠状动脉分叉和显示测量的位置有无斑块横截面上的模型。截面平面被分为3组:部分a e,部分f j和k o。每组部分之间的距离大约是0.5毫米。参数用来描述斑块的影响冠状动脉分支的血流动力学流计算是当地的压力梯度的大小(26,27),它被定义为 在哪里压力在感兴趣的领域,,,是笛卡尔,,血流速度的方向坐标。当地的PSG通过当地的时间导数计算的压力。最后,PSG振荡的价值与斑块的比例在冠状动脉内腔28]。

3所示。结果

现实的左冠状动脉斑块和没有斑块模型成功地执行与CFD分析下在活的有机体内在收缩期和舒张期阶段的生理条件。收缩期峰值速度和压力达到0.4秒的时候,和middiastolic阶段达到0.7秒的时候心脏周期期间,分别。分析演示了一个强大的血流动力学变化之间的关系,在左冠状动脉斑块。

3.1。左冠状动脉的CFD分析:2 d可视化

流速显著增加斑块的存在由于合成腔狭窄。观察Poststenotic再循环的LMS和小伙子根据CFD分析,在斑块在场的地点,如图5。同样,压力梯度(PSG)显著增加LMS和小伙子口,如图6。测量PSG收缩压和舒张压值在高峰阶段从459.29 -800公斤/米不等²年代²345.71 - -629.64公斤/ m²年代²,对应于LMS,小伙子,LCx斑块的存在。相反,在没有斑块,PSG测量值明显低于测量斑块的存在,这些值的范围从61.79 - -118.57公斤/米²年代²5 - 61.79公斤/米²年代²。

3.2。CFD分析的左冠状动脉Artery-Cutting平面可视化

流速是呈现在LMS部分a e,如图7。流模式在pre和poststenotic例类似的观察在A和B部分(速度范围从0到17.43毫米⁻¹)。然而,流速增加部分汉英(速度范围从23.96到30.50毫米⁻¹),在斑块在收缩期峰值的位置。此外,流动模式是影响斑块的存在,从开始部分a e poststenotic地区观察到,在middiastolic阶段,随着速度增加从28.32到30.50毫米⁻¹。

图8演示了斑块内的血流动力学效应的小伙子切割的观点部分f j。Poststenotic速度达到最高价值在部分F-H收缩期峰值和middiastolic阶段,与测量速度从28.32到30.50毫米⁻¹。此外,再循环地区明显postplaque位置的部分我和j .速度略微增加测量值从17.43到23.96毫米⁻¹post-stenotic地区观测到的。

图9代表流动变化的结果中观察到的LCx斑块位于LMS。再一次,再循环的位置显然是存在于部分K和L,位于postplaque位置。发现流速略有增加,从17.43到26.14毫米⁻¹收缩期峰值与舒张期阶段。此外,速度变化中,并未观察到部分M-O见pre和post-stenotic非常相似的地区流动模式和速度测量范围从0到21.79毫米⁻¹。

3.3。左冠状动脉的CFD分析:壁面切应力的比较

分析WSS尤其集中在狭窄的位置比较非牛顿和牛顿流体模型。图10比较WSS不同流体粘度在左冠状动脉模型与斑块的存在。WSS轮廓值介于0 Pa 3.50 Pa中观察到两种流体粘度模型。WSS由于存在不同的斑块在LMS分支在收缩期峰值阶段,从0.50 Pa与非牛顿模型(图1.75 Pa10(一))和从0.50 Pa与牛顿模型(图1.0 Pa10(b))。类似的结果WSS值从1.50 Pa 3.50 Pa与粘度模型(数据10(c)和10(d))被发现在middiastolic阶段斑块在LMS分支。WSS变化在小伙子比较狭窄的位置在收缩期峰值阶段,从0.50 Pa与非牛顿模型(图1.0 Pa10从0.50 (a))和Pa与牛顿模型(图0.75 Pa10(b))。WSS值在斑块位置在小伙子比较middiastolic阶段,从1.50 Pa与非牛顿模型(图3.50 Pa10从1.50 (c))和Pa与牛顿模型(图3.25 Pa10(d))。

4所示。讨论

这项研究表明,冠状动脉斑块产生重大影响随后的冠状动脉流量变化,除了局部血流动力学干扰由于斑块的存在。这是临床上重要的是进一步的潜在影响可能导致斑块的干扰,导致冠状动脉造成不利影响,如腔狭窄或恶化的动脉粥样硬化。

众所周知,斑块最常见的形式在冠状动脉分叉和冠状动脉测角,,这是一个重要的因素被发现与动脉粥样硬化的发展,作为我们和其他研究证实了6,12,29日- - - - - -31日]。多层螺旋CT血管造影和血管内超声已广泛用于检测和描述冠状动脉内的斑块(7,32]。尽管有前景的结果已经通过成像技术,这些技术的局限性是局限于图像可视化和冠状动脉内腔变化的识别由于斑块的存在,也没有信息的干扰斑块与血液流动。相比之下,CFD克服这些限制,使冠状动脉血液流动和流变因素的分析6,14,15]。本研究调查的两个重要因素:PSG和流动速度和合格的影响冠状动脉斑块在流的变化。静态墙压力并不能反映速度剖面从血液流轴墙27,33]。在临床情况下,PSG级被用来判断斑块的严重程度的风险(28]。最高的PSG区域可能与潜在的冠状动脉斑块破裂。在这项研究中,存在的LCA的CFD分析斑块显示最高的PSG陈列位置在LMS和小伙子斑块是模拟(图6),与PSG测量值从743.21到800公斤/米²年代²。

在冠状动脉斑块的存在负责阻碍血液流向心肌,因此影响流速(27]。此外,斑块影响血流动力学变化可能导致进一步的斑块分布。因为速度是当地WSS和行为的主要成分在同一方向当地WSS,这意味着流速低WSS低时,观察到在一个先前的研究(6),我们的分析在这项研究中提出了明确斑块位置周围的血流动力学变化在LCA(所谓的有效斑块位置(EPL))(图2)。在部分a e(图7),我们发现流速波动post-stenotic地区心脏周期期间,这可能会导致异常的冠状动脉,动脉粥样硬化负责。在部分我(数字8和9),流再循环发生的原因,以及该地区的低速度是很短的距离内观察斑块。因此,斑块可能产生效应,扩散到一个区域的低流速作为部分我证明,匹配面积低速度图5,低速度测量值从0到2.18毫米⁻¹。这证实了我们之前的分析6]显示斑块发展在低流量地区的发展。我们的分析提供了洞察斑块的影响在随后的冠状动脉流量变化虽然还需要进一步的研究来验证我们的初步研究结果。WSS在非牛顿模型被发现类似于牛顿模型观察斑块的位置虽然更多的细节在非牛顿模型,如图10。在左冠状动脉斑块的影响显然是牛顿所示模型,这对斑块效应的分析来说是足够的。WSS不同粘度模型之间的比较证实了先前的研究[4,24]。使用广义幂律非牛顿模型模拟有报道称它为生产类似WSS影响牛顿模型冠状流变化(4]。

在我们的研究有一定的局限性,应加以解决。首先,现实左冠状模型,pre和post-stenotic被假定拥有刚性墙而不是弹性墙;因此,模拟不完全反映现实的生理情况随着冠状动脉壁在心脏周期。其次,牛顿的假设模型血液变得重要尤其是在低流量和低壁面切应力区域。然而,先前的研究表明,牛顿模型的假设是合理的在这个配置(4]。第三,现实的斑块的位置可能会影响到左冠状动脉侧枝尚未评估在这个研究。因此,未来的研究将使用冠状动脉与一个更现实的理想化的几何模型,扩展到评估侧分支的影响。

总之,我们研究了模拟斑块的影响在现实的左冠状动脉血流动力学变化在斑块的位置,以及前post-stenotic区域内的冠状动脉。有一个直接影响左冠状动脉的斑块等血流动力学变化再循环流,低流速区,壁剪切应力,和墙压力梯度,表明潜在的斑块破裂,导致动脉粥样硬化。进一步的研究关注现实的斑块的影响冠状动脉侧枝应该执行来验证我们的结果。