局部血流动力学的左前降支（LAD）支架植入后动脉动脉直的影响

摘要

目标。造成矫直现象矫现象之间和支架内再狭窄关系的研究探讨当地的血流动力学环境的变化。背景。血管内干预是恢复血管内正常血流状态和血管腔的有效治疗方法。不幸的是，支架内再狭窄常发生在一部分患者中，限制了支架植入的成功率。植入的支架通常会导致局部动脉矫直，而不是恰好吻合和适应生理曲线。动脉矫直会明显改变动脉的几何形状，从而改变局部血流动力学环境，导致支架植入后内膜增生和再狭窄。方法。在本研究中，我们使用不同的三维CT模型来验证动脉矫直影响局部血流动力学状态的假设。对冠状动脉左前降支的血流分析和矫直模型进行了数值模拟。结果。结果表明，矫直现象改变了支架管壁剪切应力的分布和流动形态，降低了支架管壁剪切应力(WSS)，增加了支架管壁振动剪切指数(OSI)和相对停留时间(RRT)，尤其是在支架近端和远端。结论。支架植入后形成的局部直线几何形状可能会导致部分支架区域产生新内膜增生和随后再狭窄的高风险。

1.介绍

支架通常被植入狭窄的冠状动脉以改善或恢复血流环境。但再狭窄存在一些持续性问题，限制了经皮冠状动脉介入治疗的发展[1,2,3.]。研究报道，再狭窄发生在12％的患者支架植入术后[3.]。

导致再狭窄的机制尚未完全阐明。支架的几何形状及其对局部血流动力学的影响可能导致再狭窄[4- - - - - -6]。Williams等报道，血管顺应性降低和支架内管壁剪切应力(WSS)分布改变可导致再狭窄的发生[7- - - - - -9]。此外，已有研究表明，平滑肌和内皮细胞损伤可能是刺激新生内膜增生的潜在因素[8,10,11]。血流动力学环境的改变可能与再狭窄有关[12,13]。此外，Regar等发现植入技术等手术特异性因素也会影响再狭窄[14]。

除此之外，现有研究认为支架植入引起的矫直现象会引起局部血流动力学环境的改变和再狭窄的发生率[15- - - - - -18]。但这些研究仅采用简单的二维模型或理想化的三维模型，无法说明真实的血流环境[7,19,20.]。

矫直现象通常是由于支架与病变血管的曲率不同，导致支架区两端附近出现两种明显的角度变化。本研究假设矫直现象可以改变局部血流动力学状态和血管几何形状。这些改变会增加再狭窄发生的可能性，影响支架手术。

为了验证这一假设，本研究基于真实的CT图像和支架重建了冠状动脉左前降支(LAD)和矫直模型。采用正常的射流条件来模拟局部的血流动力学状态。本研究揭示了矫直现象引起的局部血流动力学变化，并探讨了矫直与再狭窄的关系。本研究的意义有助于确定支架植入后再狭窄的潜在原因及支架的优化设计。

2。材料和方法

2.1。重建正常矫直模型

这项研究重建基于CT扫描图像与模仿现实冠状动脉模型（V15.0，Materialise公司，密歇根州安阿伯，USA）。The CT relevant parameters were described as follows: 0.9 mm slice thickness, 0.45 mm slice increment, 0.324 mm pixel size, a 512 × 512 image resolution, and total 293 [21]。LAD模型由冠状动脉模型采用截距函数得到。特别是内皮化后，支架结构的特点会被忽略[10,20.]。因此，在建模过程中只考虑动脉曲线信息。矫直模型由LAD与支架模型拟合得到。随后，使用Geomagic Studio 2012 (3D Systems, Morrisville, NC, USA)对模型进行了简单的平滑和表面处理。LAD直径1.7 mm。支架与动脉的直径比为1.2，支架的直径定义为2 mm，支架的长度为7 mm。两种模型如图所示1。

2.2。啮合

采用ANSYS ICEM 16.0 (ANSYS, Inc.， Canonsburg, PA, USA)软件完成模型的网格划分。采用六面体单元，边界层数设为10，高度比为1.1，初始高度为0.009 mm。正常模型节点总数为116081。整直模型节点总数为112476。两个模型的网格如图所示2。

2.3。模拟和边界条件

采用ANSYS Fluent 16.0软件(ANSYS, Inc .)进行仿真计算。,Canonsburg，美国宾夕法尼亚州)在脉动流条件下。血液被建模为牛顿流体，并假定是均匀的和不可压缩的[22,23]。收敛准则设置为0.00001。假设血管壁是刚性壁的防滑性。入口条件采用真实的血流速度(图)3.)[24]。基于三维不可压缩Navier-Stokes方程和质量守恒原理进行了数值模拟: 在哪里u和表示流体速度矢量和压力，分别。ρ和µ为血液的密度和粘度(μ= 3.5×10⁻³公斤/米⋅年代ρ= 1050公斤/米^3.)[25]。采用简单算法计算血流速度，采用基于压力的求解器进行压力校正和动量方程求解。计算周期设置为1.08 s，每步0.008 s，每个周期136步。每个周期都需要获得瞬态分析的收敛性。每一步最大迭代次数为500次，总步长为1000次。整个计算过程跨越12个工作日。

2.4。血流动力学参数

利用ANSYS FLUENT 16.0导出的数据，用Matlab (The Math Works, Natick, Mass)和Tecplot 360 2013R1软件进行后处理。Claudio Chiastra的研究计算了三个基于wsbased血流动力学参数(TAWSS, OSI, RRT) [13]。

管壁剪切应力(WSS)定义为流体粘度与相邻管壁剪切速度的乘积。我们用1050 kg/m⁻³如血液的粘度。WSS与血液特征、血流速度和血管形态密切相关。

时间平均壁切应力(TAWSS)是整个心衰周期壁切应力的平均值。将TAWSS描述为脉动流中WSS的特性。TAWSS计算如下: T是心动周期的持续时间和年代是对血管壁的位置。

振荡剪应力指数(OSI)为无量纲参数;它显示了心周期内WSS波动的幅度。其定义如下:

高OSI导致子宫内膜细胞功能缺失，循环应激是改变细胞结构的决定性因素。

相对停留时间（RRT）介绍：

的RRT是成反比TAWSS矢量的大小，并具有动脉粥样硬化的生物学机制明显的联系。在OSI上修改在内皮的给定区域中的RRT的TAWSS影响。因此，RRT参数包括OSI和TAWSS的影响。

3.结果

采用两种重建模型进行仿真计算;选取7个周期的最佳收敛周期对实验数据进行分析。基于血流动力学参数(血流速度、WSS、TAWSS、OSI、RRT)，研究支架置入术后矫直现象对LAD局部血流动力学环境的影响。

3.1。血流速度

从一个心动周期的四个点显示在图4;早期收缩(t₁)、收缩期高峰(t₂），第二个峰收缩（t_3.)及收缩期结束(t₄)从一个心动周期中选择。

数字5展示在正常和矫直模型的速度流线。有没有在流动模式模型之间除了支架区无明显差异和速度。在展扩区，矫直模型的血流速度明显下降。最高血流速度和速度的模型之间的最大差异出现在t₂的时刻。相比之下,t₄弯矩的血流速度最低，模型间血流速度差最小。随着时间的推移，矫直模型的流动形态发生了明显的变化t₁和时间t_3.。从速度轮廓来看，靠近心包表面的速度较高。两种模型的速度分布差异增大t₁来t_3.，最大差异出现在时间t_3.。

3.2。WSS和TAWSS

在四个点的WSS的轮廓显示在图6。模型间WSS的分布除了支架区域外，基本一致。在支架区，由于矫直现象，WSS的分布明显改变，WSS减少。矫直模型的WSS沿心包表面呈梯度增加。与其他点相比，两种模型的WSS变化最大的地方是t₂，且最小差值发生在时刻t₄。From the straightening model, the highest average WSS was 8.77 Pa at timet₂,the lowest average WSS was 2.20 Pa at timet₄。同时，从正常模型，增加到11.27 Pa的时间t₂时间是2。68 Pat₄。

TAWSS的分布在图中描述7与上述WSS分布相比，观察到（在不同型号TAWSS计数器），和TAWSS的相似的分布。内的带支架区，矫直模型的TAWSS显著下降，尤其是在支架区域的入口和出口和心包表面。TAWSS的检查作为归一化的轴向长度的函数显示，相比于心肌腔表面矫直模型的TAWSS了较大的心包。最大的区别TAWSS发生在入口区域。

3.3。OSI和RRT

数字8给出了不同模型上OSI的轮廓。一般情况下，高OSI区在低WSS区观察到，而WSS区方向变化频繁。与正常水平相比，矫直模型的高OSI在支架区域的进口被观察到(在放大图像中显示)。

不同条件下RRT的轮廓如图所示9。矫直现象增加了支架区域内的RRT值，尤其是支架入口和心包表面的RRT值。从矫直模型上看，两侧RRT差异较大。矫直模型的最高RRT在沿心肌表面的支架进口处计算，两种模型的最大RRT差发生在该区域。除此之外，矫直现象严重影响了RRT的分布。

4.讨论

支架植入术是治疗危重性动脉狭窄的重要方法。但随着时间的推移，术后并发症仍困扰患者，如新内膜增生及随后的再狭窄[7,8,9,17,26]。引起再狭窄的原因仍在研究中。已有大量研究对其潜在影响进行了研究，包括支架类型、携带药物以及许多术后和术中因素[26- - - - - -28]。由于支架的顺应性通常不适应弯曲动脉，容易在支架植入区形成动脉“矫直”，可能改变局部血流特征，进而影响动脉细胞行为，诱发组织重构。研究支架术后矫直区血流动力学的详细变化是非常有用和必要的。有研究关注支架植入引起的血管矫直，但矫直现象与再狭窄之间的关系尚不清楚[15- - - - - -17,28]。在这些已发表的研究，理想化的圆柱形模型通常用于检查通过植入支架的血管流模式与“拉直” [7,19,20.]。然而，详细的本地血流动力学功能通过逼真的三维模型矫正现象变化并不清楚。

在过去的50年，动脉粥样硬化的低壁剪切应力假说提出卡洛等人。已通过验证[29]。低WSS和高内膜增生之间的联系已在啮齿动物中得到进一步证实[30.]。WSS低于0.5 Pa的血管区域已被证明与内膜增厚的部位密切相关[31,32]。低TAWSS被认为与细胞增殖区域和新内膜发展的潜在因素有关。33]。高OSI使内皮细胞增殖更大，RRT升高与动脉粥样硬化的生物学机制有明显联系[18]。此外，Colombo指出，异常的血流模式可促进炎症、内皮细胞增殖和血栓形成[34]。

在研究中，支架植入引起的矫直现象是导致再狭窄的潜在因素。重建基于CT图像的正常模型和矫直模型，以LAD内的血流参数作为边界条件。数值模拟结果表明，矫直现象改变了腔体的几何形状，从而改变了局部区域的血流形态。矫直现象发生后，支架区速度和WSS均有所下降。同时，矫直模型的RRT和OSI均有所增加。其中支架近端、远端及心包表面的参数变化尤为明显。因为WSSs低、RRTs高、OSIs高都是随后再狭窄的指标[18，因此矫直现象将在LAD中诱导一个促进这些条件的血流动力学环境。因此，我们认为矫直现象会影响LAD的血流动力学环境，使内皮细胞暴露于低WSS、高OSI和高RRT条件下。这使得支架区更容易引起再狭窄和新生内膜增生，尤其是支架区近端、远端及心包表面。这一结论与Wentzel和同事的发现相一致，他们观察了再狭窄的临床证据[16]。

由于本研究中使用了一些假设和简化(如刚性壁假设和忽略了支架支架的细节特征)，结果可能不能很好地描述矫直区域的血流动力学环境。然而，本研究仍可为研究支架植入后矫直现象的生理病理影响提供一些线索。

在未来，至少有两个问题应高度关注。第一种是分析在拉直区域中的动脉壁的应力和应变。因为动脉壁重塑可通过显著的应力和应变在动脉调节[35]。二是矫直现象在特殊的血流动力学环境中所引起的药物传递和沉积特性。药物洗脱支架(DES)目前在临床上广泛应用，既往研究已证实局部血流模式与药物给药高度相关[12,36,37]。因此，研究药物在直管区的传递和沉积特性对优化DES支架植入具有重要意义。

五，结论

本研究探讨了矫直现象引起的局部血流动力学环境变化。探讨矫直现象与再狭窄的关系。矫直现象会导致WSS、TAWSS和血流速度下降，RRT和OSI升高。本研究认为，支架植入后形成的矫直现象的区域几何形状可能导致部分支架区域(尤其是支架进口、出口和心包表面)出现新生内膜增生并发生再狭窄的高风险。本研究有助于阐明再狭窄的发生机制，促进支架技术的发展。这项研究也可以作为潜在风险的提示，并在支架放置过程中提供有用的指导。

缩写

CT:	计算机断层扫描
小伙子:	左前降枝
WSS:	壁剪切应力
TAWSS：	时间平均壁面剪应力
OSI:	振荡剪应力指数
RRT:	相对的停留时间。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据包含在本文中。

的利益冲突

作者声明，他们没有利益冲突。

致谢

感谢方普教授的慷慨帮助和宝贵意见，感谢范敏贞教授的建模和张鹏教授的仿真帮助。这项工作由国家重点研究发展计划(2017YFB0702501)、国家自然科学基金(11872096、31870940、11472031、11421202)、“111”项目(B13003)、江苏省自然科学基金(BK20161366)资助。

参考文献

1. J. F. Ladisa，I.居莱尔，L.ÈOlson等人的“三维计算流体力学中通过支架植入冠状动脉产生壁剪切应力改变的建模，”生物医学工程年鉴卷。31，没有。31，第972-980，2003。查看在：出版商的网站|谷歌学者
2. 冠状动脉支架置放和球囊血管成形术治疗冠状动脉疾病的随机比较。支架再狭窄研究人员，"新英格兰医学杂志，第331卷，no。第496-501页，1994年。查看在：谷歌学者
3. 李建民，李建民，等，“有症状性髂动脉支架内再狭窄的治疗:中期结果”。希腊杂志οf放射学第2卷第1期2、2017。查看在：谷歌学者
4. A. B. Fontaine, D. G. Spigos, G. Eaton等人，“支架诱导内膜增生:柔性和刚性支架设计之间有根本区别吗?”杂志血管与介入放射学第5卷，no。1994年第739-744页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
5. A. Kastrati, J. Mehilli, J. Dirschinger等，“冠状动脉内支架置入后再狭窄”，美国心脏病学杂志第87卷，no。1，第34-39页，2001。查看在：出版商的网站|谷歌学者
6. 陈建民，“冠状动脉导管对冠状动脉血流速度储备的影响:螺旋管和管状动脉导管的比较”。心卷。82，没有。4，第465-470，1999。查看在：出版商的网站|谷歌学者
7. A. R.威廉姆斯，B.-K。Koo, T. J. Gundert, P. J. Fitzgerald, J. F. LaDisa，“典型冠状动脉分叉中主支支架植入后虚拟侧支球囊成形术引起的局部血流动力学变化，”应用生理学杂志卷。109，没有。2，第532-540，2010。查看在：出版商的网站|谷歌学者
8. J. M. Garasic, E. R. Edelman, J. C. Squire, P. Seifert, M. S. Williams，和C. Rogers，“支架和动脉几何形状决定内膜增厚独立于动脉损伤，”循环第101卷，不。2000年，第812-818页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
9. C. Rogers和E. R.艾德曼，“血管内支架设计使然实验再狭窄和血栓形成，”循环卷。91，没有。12，第2995-3001，1995。查看在：出版商的网站|谷歌学者
10. L. D. J. Jr, L. E. Olson, R. C. Molthen等，“壁面剪切应力的改变预测兔髂动脉支架植入后新生内膜增生的部位，”AJP心脏和循环系统生理学卷。288，没有。5，第H2465-H2475，2005年。查看在：谷歌学者
11. R. S.施瓦茨，K. C.胡伯，J.G。Murphy等人，“再狭窄和新内膜成正比响应于冠状动脉损伤：在猪模型的结果，”美国心脏病学会杂志第19卷，no。1992年，第267-274页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
12. C. Chiastra, S. Morlacchi, D. Gallo等，“基于图像的支架状冠状动脉分叉模型的计算流体动力学模拟”，皇家学会界面杂志卷。10，没有。84，第57，2013。查看在：出版商的网站|谷歌学者
13. 刘国强，吴建华，黄文伟，黄国良，“右冠状动脉不同曲度及侧支分叉角的瞬态血流动力学特征”，“冠状动脉血流动力学研究”，国立台湾大学医学研究所硕士论文。生物和医学中的计算机，第64卷，第117-126页，2015。查看在：出版商的网站|谷歌学者
14. E. Regar, G. Sianos，和P. W. Serruys，“支架开发和局部药物输送”，英国医学公告第59卷，no。1, 227-248页，2001年。查看在：出版商的网站|谷歌学者
15. M. Gyongyosi, P. Yang, A. Khorsand和D. Glogar，“支架的纵向矫直效果是重大心脏不良事件的另一个预测因子，”美国心脏病学会杂志第35卷，no。2000年，第1580-1589页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
16. J. J. Wentzel, M. D. Whelan, W. J. van der Giessen等，“冠状动脉支架植入改变三维血管几何形状和三维剪切应力分布，”生物力学杂志第33卷，no。10，第1287-1295页，2000。查看在：出版商的网站|谷歌学者
17. J. F. LaDisa, L. E. Olson, H. a . Douglas等，“理论支架植入产生的局部血管几何变化影响壁切应力分布:使用三维计算流体动力学模型分析弯曲冠状动脉，”生物医学工程在线第5卷，no。2006年，第1页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
18. 马立克，S. L. Alper, S. Izumo，“血流动力学剪切应力及其在动脉粥样硬化中的作用，”贾马第282卷，no。第21页，2035-2042,1999年。查看在：出版商的网站|谷歌学者
19. L. D. J. Jr, L. E. Olson, I. Guler等，“支架植入后的周向血管变形改变了基于时变三维计算流体动力学模型的壁剪应力评估”，应用生理学杂志，第98卷，no。3，第947-957页，2005。查看在：谷歌学者
20. J. F. LaDisa, L. E. Olson, I. Guler等，“支架设计特性和展开比对壁切应力的影响指标:正常动脉内的三维计算流体动力学研究”，应用生理学杂志，第97卷，no。1, 2004年第424-430页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
21. Tian x, Sun A.， Liu X.等，“置管对冠状动脉血流动力学环境的影响”，医学工程与物理学卷。38，没有。9，第946-951，2016。查看在：出版商的网站|谷歌学者
22. 帕特尔和瓦伊什纳夫，基本血流动力学及其在疾病过程中的作用,大学。帕克出版社，巴尔的摩，1980年。
23. Z.王，孙A.，Y.风扇，和X噔“牛顿和模型药物洗脱支架药物运输的非牛顿流体模拟的比较研究”生物流变学第49卷，no。4，第249-259页，2012。查看在：出版商的网站|谷歌学者
24. r.f. Wilson, D. E. Laughlin, P. H. Ackell等人，“人类冠状动脉的亚选择性血流速度和血管舒张剂储备的经血管内亚选择测量，”循环第72卷，no。1985年，第82-92页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
25. 孙志华，“左冠状动脉变角血流动力学的计算”，台北:国立台湾大学医学研究所硕士论文。生物力学杂志卷。44，没有。10，第1869至1878年，2011。查看在：出版商的网站|谷歌学者
26. M. De Beule, P. Mortier, S. G. Carlier, B. Verhegghe, R. Van Impe, P. Verdonck，“现实的基于有限元素的支架设计:气球折叠的影响”，生物力学杂志第41卷，no。2，第383-389页，2008。查看在：出版商的网站|谷歌学者
27. J. Murphy和F. Boyle，“使用依赖时间的计算流体动力学预测支架动脉新生内膜增生:一项综述”，生物和医学中的计算机第40卷，no。4，第408-418页，2010。查看在：出版商的网站|谷歌学者
28. w·吴W.-Q。王,D.-Z。杨，“弯曲血管内的支架扩张及其相互作用:有限元分析”，生物力学杂志第40卷，no。11，页。2580年至2585年，2007年。查看在：出版商的网站|谷歌学者
29. c.g. Caro, j.m. Fitz-Gerald, r.c. Schroter，《动脉粥样硬化和动脉壁剪切》。关于动脉粥样硬化形成的剪切依赖传质机制的观察、关联和提议，"伦敦皇家学会会刊。B系列，生物科学卷。177，没有。177，第109-159，1971。查看在：出版商的网站|谷歌学者
30. “颈动脉分叉性动脉粥样硬化”，黄志明，“颈动脉分叉性动脉粥样硬化”。斑块定位与流速剖面和壁面剪切应力的定量相关性。循环研究第53卷，no。1983年，第502-514页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
31. “人颈动脉分叉的脉动性流动与动脉粥样硬化”，张德华，《动脉粥样硬化与动脉粥样硬化的关系》。空斑位置和低振荡剪切应力之间正相关。动脉硬化:美国心脏协会的官方杂志。第5卷，no。1985年第293-302页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
32. 苏淑华，霍扬，卡萨布等，“猪左前降支不同狭窄程度三维血流动力学的数值研究”，生物和医学中的计算机第47卷第2期1, 2014年第130-138页。查看在：出版商的网站|谷歌学者
33. 张建民，“血管内血管的动态参数与早期内膜增厚”，国立台湾大学医学研究所硕士论文。生物医学工程评论™第29卷，no。1, 2001。查看在：出版商的网站|谷歌学者
34. 科伦坡,e . Bramucci s发疯̀et al .,“粉碎技术的随机研究和临时侧支支架在真正的冠状动脉分支,,”循环第119卷，no。1，第71-78页，2009。查看在：出版商的网站|谷歌学者
35. Q. Liu和h.c。《搏动压力下动脉的机械弯曲》，生物力学杂志第45卷，no。7，第1192-1198页，2012。查看在：出版商的网站|谷歌学者
36. “冠状动脉分叉不同支架植入技术的药物给药模式:比较计算研究”。机械生物学中的生物力学和建模第12卷，no。4，第657-669页，2013。查看在：出版商的网站|谷歌学者
37. 孙a，王中，樊中等，“近端药物洗脱支架(DES)对冠状动脉多支架植入策略中远端裸金属支架(BMS)的影响”医学工程与物理学第37卷，no。9，第840-844页，2015。查看在：出版商的网站|谷歌学者

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