Hemodynamic-Based评估冠状动脉旁路移植应用不同类型的冠状动脉动脉瘤

文摘

冠状动脉旁路移植(cabg),包括隐静脉移植(svg)或左内乳动脉(利马)移植,最近应用于治疗冠状动脉动脉瘤(CAA)。手术的结果被认为是相关的手术策略(类型的旁路移植和CAA的结扎与否)和创新艺人经纪公司的大小(通常以直径)。然而,手术的结果之间的关系的理解和上述因素是有限的。以前的研究显示与CABG治疗血流动力学的研究有助于评估手术结果通过移植质量流率、壁剪切应力(WSS)和振荡剪切指数(OSI)。相信的血流动力学研究应用冠脉搭桥术创新艺人经纪公司,尚未研究,可以帮助我们理解不同的冠脉搭桥手术。这项研究的目的是评估的血流动力学差异不同的手术方法。为此,八个三维模型构造,代表应用svg和利马移植到中国农科院(是否绑定),直径2、3和5次正常直径、执行计算流体动力学(CFD)模拟。统括参数模型(行分钟)耦合的三维模型的边界,提高模拟的复杂性,但是它可以确保稳定的模拟边界条件。结果表明,SVG(无论是否结扎)血流动力学特征是积极的,平均高贪污70毫升/分钟的质量流率,平均WSS 0.479 Pa, OSI低0.001。利马CAA结扎有相同的特色高WSS(平均1.701 Pa)。 The hemodynamic characteristics of LIMA without CAA ligation are negative, including high reverse mass flow rate and high OSI (0.367). The results indicate that the surgical outcomes of LIMA with CAA ligation are likely to be the best among these models. The surgical outcomes of LIMA without CAA ligation seem to be undesirable due to the high reverse mass flow and high OSI. The CAA diameter may not have a significant effect on surgical outcomes.

1。介绍

冠状动脉动脉瘤(CAAs)是心血管疾病,它被定义为扩张冠状动脉的超过50%以上的参考血管直径和发病率大约是0.3 - -5.3% (1,2]。学,多达三分之一的中国农科院与阻塞性冠状动脉疾病相关联,与心肌梗死,心律失常,或心源性猝死3]。最近,冠状动脉旁路移植(CABG)手术通常是选择治疗心肌缺血和并发症引起的中国农科院的(4- - - - - -6]。然而,由于罕见的创新艺人经纪公司和各种各样的手术,我们对cabg应用到创新艺人经纪公司的理解是有限的,其中大部分来自于病例报告(7- - - - - -11]。增加病人和手术的应用越来越多,有必要进行研究应用冠脉搭桥术创新艺人经纪公司来帮助我们理解手术。

通常有两种不同的手术选择和一个重要参数时要考虑实现CABG申请创新艺人经纪公司。不同的手术选项包括介入治疗的类型和创新艺人经纪公司是否结扎与否。隐静脉移植(SVG)和左内乳动脉(利马)移植,从病人的身体,是主要的选择旁路的CABG手术(12]。SVG和利马都有自己的优点和缺点,并没有统一的标准。然而,SVG是应用最广泛的。相比之下,利马,SVG的优点是易于使用,足够的长度,和可访问性。特别是广泛动脉粥样硬化患者升主动脉,SVG复合Y-grafts是必要的,尤其是当有一些禁忌使用动脉移植和严重狭窄(> 70%)(13- - - - - -15]。创新艺人经纪公司的结扎或nonligated可以对血管造成不同程度的损害。冠状动脉结扎切断原,这将对心血管系统造成巨大的结构性破坏。没有结扎,这只会导致吻合的损伤和其他结构性破坏。重要的参数被认为是创新艺人经纪公司的大小,通常表现为直径。创新艺人经纪公司的大小直径的变化会影响并发症,这意味着手术策略可能会受到影响。

我们所知,由于缺乏创新艺人经纪公司和外科手术的结果影响因素的复杂性,没有研究进行介入治疗应用于创新艺人经纪公司调查手术结果的差异引起的不同类型的旁路移植,CAA结扎与否。CAA直径在不同手术方法的效果也是未知的。血液动力学的研究为我们提供了一个有效的方法来解决上述问题。以前的研究已经指出,血流动力学的研究应用冠脉搭桥治疗其他疾病,如冠状动脉狭窄,利用计算流体动力学(CFD),近年来引起了广泛关注和血管领域有很多应用(16- - - - - -18),取得了进展。此外,这些研究证实,手术结果与一些重要的血流动力学特征,包括质量流率,壁面切应力(WSS),和振荡剪切指数(OSI) [19- - - - - -24]。因此,有理由相信,血流动力学的研究应用冠脉搭桥术CAA可以用来评估手术的结果。

本研究的目的是评估的血流动力学差异两种不同手术方法(类型的手术,是否创新艺人经纪公司的结扎)的血流动力学和CAA直径的影响通过CFD方法不同的手术方法。它可以允许我们评估不同手术的创新艺人经纪公司和做出初步预测和演绎不同的手术计划从血流动力学角度基于这些血流动力学特征。这项研究可能是第一个血流动力学研究,评估不同类型的旁路移植的血流动力学特征的创新艺人经纪公司不同的直径,使治疗过程基于血流动力学特点。本研究可以提供信息来更好地预测手术的临床医生和更可靠的治疗决策。

2。材料和方法

2.1。模型开发

针对病人的3 d几何解剖模型重建是基于医学图像,通过计算机断层扫描血管造影(CTA、西门子)。病人的CTA图像的信息在本研究匿名,安贞医院提供的有512×512像素的图像,450片图片,1毫米相邻块之间的差距。本研究已通过北京安贞医院医学伦理委员会和东北大学。施工处理的三维模型是由使用模拟(实现NV,)通过手动和阈值分割。三种不同直径的创新艺人经纪公司,包括直径2、3和5次与相邻的冠状动脉相比,左冠状动脉前降被应用于通过使用Geomagic自由(3 d系统,我们)软件。虚拟心脏搭桥手术上实现这些模型包括SVG和利马旁路移植。两个更多的虚拟心脏搭桥手术模型(SVG和利马)CAA结扎也成立。图1显示所有不同的3 d模型的细节被命名模型1 - 8,分别。

2.2。计算模型和流体的性质

有限元分析方法将采用所有模型需要预处理,包括预处理的进水口和出水口和平滑处理感兴趣的区域。预处理模型需要分成网格,六面体网格的尺寸控制的,通过控制软件ANSYS啮合(ANSYS,美国),生成流体计算模型。感兴趣的区域的网格细化,以在这些领域得到更准确的结果。分析了网格独立性保证仿真结果的可靠性,需要的元素和节点的数量是足够大(25]。表1显示网格独立性测试的结果。WSS选择网格之间的差异小于0.5%。计算结果可以被认为是稳定的。表2显示的细节元素和所有8模型的节点的数量。血液流动进行了模拟与ANSYS-CFX (ANSYS,美国)n - s的能手。在仿真中,我们认为长城是刚性的,静止的。本研究认为血是一个不可压缩牛顿流体的粘度0.0035 Pa·s和密度的1050公斤/米³。模拟运行3心脏周期。我们选择了0.0025秒时间步满足稳定性条件的计算。模拟的最大收敛RMS残余被设置为0.0001。

2.3。边界条件:统括参数模型边界条件

边界条件的计算模拟扮演着重要的角色,会影响结果的准确性和确定计算是否成功。理想的情况是获得真正的人类的生理参数仿真计算的边界条件。然而,获取冠状动脉生理参数并不容易由于其体积小,无数分支,分布在心脏表面。因此,为了获得栩栩如生的边界条件,我们选择统括参数模型(行分钟),这是一个电路模型,该模型可以模拟血流量和压力通过电流和电压,为CFD模拟提供边界条件(25- - - - - -27]。选择行分钟的一个原因是它的简单。复杂冠状动脉分支机构可以通过简单的模拟电路模块,同时保留冠状动脉血液供应的特点。另一方面,减少对计算资源的需求,这意味着更好的适应性和低消耗,是有意义的。

行分钟包括三个模块,动脉模块,冠状模块,模块和心脏。的许多分支动脉模块由基地三元素模型(Windkessel RCR模型)(28)结构,由两个电阻和一个电容组成。冠状动脉模块包括动脉冠状微循环模块和模块。冠状动脉微循环的主要特征是急剧变化的电阻由心脏的收缩引起的。心肌遵从性(C_i-micro)和微循环电阻(R_v-micro)被用来模拟这个功能,电容器的阴极与心肌内的压力加载来模拟心脏的收缩所产生的压力在收缩阶段。行分钟心脏模型中,所有的模拟方程左心室是基于以前的研究(25),包括 , , , , ,和 ,我们决定每个组件的特定值包括电阻和电容,这是调整病人的血压。

基于上述0 d模型和三维模型,多尺度0 d /三维耦合模型研究中使用。图2耦合界面细节显示0 d /三维耦合模型。3 d模型都加上同样的0 d模型的参数值采用归一化的值冠状模型,即通过观察证实,远端冠状动脉的几何结构并没有改变。模型共享相同的行分钟也可以排除其他因素,以确保血流动力学参数的值的变化只与几何结构有关。

2.4。血流动力学参数

血液动力学可以揭示血液流动的特点。我们将关注几个关键的血流动力学参数包括质量流率,WSS和OSI。WSS代表流体应用的单位面积上的受力沿墙表面的方向局部切平面(29日]。公式(1)如下: 在哪里动态粘滞度,是速度平行于墙,是在墙上的距离。OSI量化WSS方向变化。OSI是使用以下公式计算:

3所示。结果

在有限元模拟中,我们评估一些关键的血流动力学参数,可以帮助评估手术,包括质量流率,WSS, OSI旁路移植。

3.1。质量流量和压降

质量流量的值通过旁路移植和上游和下游之间的压力差的旁路移植在心动周期图所示3。结果表明,SVG的质量流率(无论)远高于利马的峰值120毫升/分钟和50毫升/分钟平均值,除了创新艺人经纪公司的利马模型与结扎。利马的质量流率模型8结扎的创新艺人经纪公司svg的几乎是一样的。利马在模型的平均质量流量5 - 7不结扎的创新艺人经纪公司几乎是0。回流这意味着血液流动从底部到顶部的利马中可以找到这些模型没有结扎CAA心脏在收缩阶段。负压的区别是在利马模型没有CAA结扎模型(5 - 7),而其他模型的压差总是正的。压差是主要驱动力的液体在流体模拟中,这可能表明反向流动的主要原因。

3.2。壁剪切应力

WSS力量应用于切平面,表示单位面积上的力的液体(30.]。WSS的值在svg和利马的所有模型的周期和WSS分布的svg和利马的所有模型(峰值点)所示的数据4和5。平均区域WSS的旁路移植模型1 - 8周期是0.477,0.483,0.516,0.443,0.851,0.877,0.896,和1.701 Pa,分别。在相同的条件下,WSS的利马高于SVG。WSS的利马和CAA结扎模型(8)尤其高。

3.3。振荡剪切指数

OSI是一个可以量化的参数的变化的方向和大小WSS (31日]。分布的OSI模型如图6。OSI的平均面积值的svg和利马的所有模型都是0.001,0.001,0.001,0.001,0.343,0.281,0.476,和0.001,分别。svg的OSI值(无论创新艺人经纪公司是否结扎与否,模型1 - 4)和OSI的值在利马CAA结扎模型(8)几乎是0这意味着血液流动的方向几乎没有变化。相反,OSI的值在秘鲁首都利马没有CAA结扎模型(5 - 7)几十年的数量级高于同等条件下的svg(无论创新艺人经纪公司的结扎与否)。

4所示。讨论

介入治疗(包括SVG和利马)手术现在通常是选择治疗创新艺人经纪公司。此外,创新艺人经纪公司是否结扎与否是另一个选择。手术结果取决于类型的旁路移植和不同直径的创新艺人经纪公司(结扎与否)。血流动力学特征(质量流量、WSS和OSI)不同类型的CABG手术(SVG和利马)应用于创新艺人经纪公司(不同的直径,结扎与否),这是与手术结果基于之前的研究,通过CFD方法。

我们发现CAA结扎模型的血流动力学比那些没有CAA结扎模型。创新艺人经纪公司没有结扎时,SVG具有更好的比利马血流动力学特征。当使用相同类型的搭桥时,CAA直径的变化基本上没有影响旁路移植的血流动力学特点。

我们推断,利马和CAA结扎手术的结果可能是最好的和手术结果的SVG可能优于利马没有CAA结扎。手术方法,包括旁路移植的类型和CAA结扎与否,可能操作的影响结果的主要因素,和CAA直径可能是一个次要的因素。

4.1。质量流量的旁路移植的特点

质量流率,这是为数不多的几个参数,可以直接测量的过程,是一个关键的临床手术的血流动力学参数。大部分时间,这个指标是最直接的指标判断手术的成功(19,32]。没有显著差异在SVG的质量流率之间的不同直径的创新艺人经纪公司。SVG的质量流量曲线,没有创新艺人经纪公司结扎是相似的最小和最大的值是50毫升/分钟和120毫升/分钟。利马的质量流量曲线模型5 - 7,没有CAA结扎,相似的最小值和最大值的−50毫升/分钟和60毫升/分钟。有显著的反向流在收缩阶段。研究表明,回流是有害的旁路移植,与字符串相关的现象表明旁路移植的失败(19,20.]。反向流动值≥3.0%可以被视为一个截断值预测早期移植失败(20.]。43.5%的回流价值没有创新艺人经纪公司在这项研究结扎远高于3.0%。因此,早期移植失败可能发生在利马没有CAA结扎。然而,相比之下,质量流率的利马和CAA结扎远高于利马没有CAA结扎,最小和最大的值是30毫升/分钟和100毫升/分钟,不存在回流。质量流率的svg和没有CAA结扎和利马CAA结扎通常具有较高的预期结果质量流和回流。

入口位置和直径的移植是主要的几何差异SVG和利马移植研究。一方面,SVG的入口是接近的主动脉根比利马贪污。因此,延迟svg的压力小于秘鲁首都利马。另一方面,位置靠近主动脉根确保旁路移植的上游压力接近主动脉压力可以保持压差的上游和下游之间搭桥积极。入口的利马远从根主动脉导致负面的压力差在利马。压强差如图3可以确认我们的观点。除了利马没有CAA结扎,旁路移植在其他模型的压差在心动周期总是正的。在利马没有CAA结扎模型,发现了重大的负面压力差可能回流的主要原因在利马移植物收缩时期。一个更大的直径意味着更少的阻力。这可能是质量流的主要原因的SVG是高于利马CAA结扎。

4.2。WSS的旁路移植的特点

WSS与内皮细胞的一些重要的生理过程,如重要化合物的形成(21,22]。根据先前的研究包括仿真和实验研究,WSS值有不同影响内皮细胞的生理过程在不同的范围。根据实验报告,实验的结果平行平板流动腔显示低WSS值0.4 Pa诱导大量的血小板聚集(33]。这种异常行为被认为有可能导致血管疾病。仿真研究也得出了一个类似的结论,即当WSS小于0.4 Pa,血管容易损伤(34,35]。模拟研究还发现,WSS间隔,维持血管的正常生理功能通常被认为是1 - 7 Pa。WSS值从0.4 - 1 Pa通常被认为是过渡区血管发展的趋势不容易预测。因此,即使WSS大于0.4,我们不能保证血管的功能不会受到影响。我们的研究结果如下。在svg WSS(有或没有CAA结扎,模型1 - 4)是相似的,平均值为0.479。在秘鲁首都利马WSS(没有CAA结扎,模型5 - 7)是相似的,平均值为0.874。在利马WSS (CAA结扎,模型8)要高得多,一个值为1.701 Pa。在仿真结果中,只有在利马WSS价值与创新艺人经纪公司结扎的范围1 - 7 Pa和所有其他人都在0.4 - 1 Pa的范围。因此,利马CAA结扎可能最符合预期。 WSS values in other methods are not the best, but the results are still acceptable.

4.3。OSI的旁路移植的特点

OSI是用来揭示WSS矢量方向变化的程度可以帮助我们理解血液流动的振荡信息(36]。仿真研究已经指出,低OSI可能降低移植失败的风险23,24]。在体外使用牛内皮细胞的研究表明,缓慢振荡(1 Hz)剪切应力(等于OSI的上限0.5)诱导的表达单核细胞化学引诱物蛋白1和增加绑定标明高内皮OSI的单核细胞有可能增加血管的失败的风险(37]。小OSI意味着更多稳定的血管血流量和更好的保证稳定。本研究的仿真结果表明,在所有svg OSI(有或没有CAA结扎)是相当小,接近于0。在利马OSI(没有CAA结扎模型5 - 7)是相当高的平均值为0.367。在利马OSI (CAA结扎,模型8)是很小接近0。不同的手术方法是明显不同的结果。OSI的水平要低两个数量级的SVG和没有CAA结扎比利马没有CAA结扎。利马与SVG CAA结扎也有类似的情况。因此,仿真结果的SVG和利马CAA结扎符合目标。利马没有CAA结扎风险是由于过高的风险失败。

4.4。总结和推理

正如上面提到的,我们提取和分析三个主要血流动力学参数包括质量流率,WSS和OSI。结果表明,高质量流率,相对较低的WSS,和低OSI(几乎0)的主要特点是SVG有无CAA结扎。低质量流率、低WSS和高OSI的主要特点是利马没有CAA结扎。相比之下,高质量流率、高WSS和低OSI(几乎0)的主要特点是利马CAA结扎。结果表明:CAA直径的变化没有显著的影响在同一类别的血流动力学特征。根据先前的研究,实现高质量流量、高WSS, OSI减少不良和低血流动力学因素是很重要的,为了减少手术失败的风险,延长移植物的长期有效性。在几种手术方法在这项研究中,利马和CAA结扎与其他模型相比具有最优的血流动力学参数。SVG有无CAA结扎有类似的血流动力学条件都是预期除了WSS相对较低。利马没有CAA结扎有负面的血流动力学参数的结果是出乎意料的时候。基于我们的血流动力学结果,我们推断,手术的结果可能与CAA直径。 LIMA with CAA ligation may have the best surgical outcomes, and SVG (both with and without CAA ligation) surgical outcomes are better than that of LIMA without CAA ligation. LIMA without CAA ligation may not be desirable. When a coronary artery is ligated, it means that the blood supply to this branch is completely cut off. The blood supply at this time can only rely on the bypass grafts. Once the bypass grafts have problems, the blood vessels themselves cannot perform compensatory adjustments in time which originally can be performed without ligation. Therefore, even though CABGs with CAA ligation may have better surgical outcomes, we need to be very careful with this surgical approach due to other potential risks.

4.5。工作的局限性

本研究的一个重要限制病人的数量。模型在这项研究仅仅是基于一个病人的数据,因此,该研究的结果可能是特殊的和意外。第二个限制是刚性的假设在模拟动脉壁,不占重要的运动和曲率的变化和冠状动脉旁路移植在心动周期。此外,严格的动脉壁意味着材料变形对血流的影响被忽略。这个问题可以解决采用(FSI)流-固耦合方法在未来。另外一个限制是有限的数据流分割比例左和右冠状动脉和心肌内的压力之间的关系,左和右心室压力,这些都是可能的错误在建筑行分钟的次要来源。

5。结论

本文的血流动力学差异两种不同手术方法(类型的手术,是否创新艺人经纪公司的结扎)的血流动力学和CAA直径的影响不同的手术方法进行比较,利用CFD模拟。hemodynamic-based评估这些程序执行。创新艺人经纪公司的结果表明,利马结扎有最好的血流动力学特征,包括高质量流率、高WSS和OSI低。SVG的血流动力学特点(有或没有CAA结扎)比没有创新艺人经纪公司的利马的结扎包括高质量流率、OSI WSS,低。显著的回流,可以增加移植失败的风险被发现在秘鲁首都利马CAA结扎在收缩。CAA直径的变化基本上没有对血流动力学的影响相同的旁路移植。基于前面的血流动力学研究,我们推断,结扎手术的结果可能有更多的好处比nonligation手术。SVG可能是一个更好的选择比利马当创新艺人经纪公司不结扎。这个初步结果权证广泛研究涉及较大的动脉瘤数据库进行进一步分析。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(11832003和11832003号)和jsp KAKENHI(没有。JP18K18355)。本研究建立一个开发平台支持的部分植入式/可穿戴式医疗器械的小说生理数据集成系统项目开放创新平台与企业、研究机构和学术界(歌剧)日本科学技术振兴机构(JST)。

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