3l卷3期
2012年6月
中国生物医学工程学报
ChineseJourn.alolBiomedicalEngineering
冠脉分叉病变及支架后再狭窄的血流动力学研究进展
VoI.31No.3
June2012
刘修健 蔺嫦燕+
(首都医科大学附属北京安贞医院北京市心肺血管疾病研究所,北京100029)
摘要:全球每年约有100万例经皮冠脉介入(PCI)治疗患者,其中分叉病变约占20%,而其支架后再狭窄率高达
30%。频繁的再狭窄不仅和支架与血管的变形、支架与血管顺应性不匹配有关。也和支架后局部血流动力学变化
引起的内膜增生有关。文中回顾了分叉冠脉的血流动力学研究发展,
了分叉病变的血流动力学因素研究现
状,详细阐述了其支架后再狭窄相关的计算流体力学(CFD)研究进展。CFD研究为探讨分叉冠脉的血流动力学环
境与斑块形成、支架植入术与支架后再狭窄之间的关系提供了很好的技术手段,对临床医生理解斑块形成、工程师
改善支架结构
技术起到一定的作用。
关键词:冠状动脉;支架后再狭窄;血流动力学;粥样硬化
中固分类号R318.08文献标志码A 文章编号0258H02112012103-0446-05
HemodynamieResearchProgressofCoronaryBifurcation
LesionsandIn.StentRestenosis
LILTXiu·JianLINChang—Yan‘
(Be#'ingfast,ateo,HeartLung&BloodVeuelDhea,Ⅻ,成和19Anz梳Hospital,CapitalMedicalUni口enity.&咖增100029,Gh/na)
Abstract:Approximatelyonemillionpatientsworldwideundergopereutaneouscoronaryintervention(PcI)
eachyear.TreatmentofcoronarybifurcationlesionsiSinvolvedinabout20%ofthetotalnumberofPCI.and
in—stentrestenosisrateOccursin30%ofthecasesfollowingtheprocedures.Recentinvestigationresultshove
shownthatfrequentrestenosisisrelatednotonlytostentstructuraldeformationOrcompliancemismatch,but
alsototheintimalhyperplasiainducedbylocalhemodynamicchanges.Thispaperreviewsthecoronary
bifurcation’8hemodynamicstudyhistory,analyzesthehemodynamicfactorsinbifurcationlesions,andthe
recentliteratureregardingcomputationalfluiddynamics(CFD)analysesofMoodflowthroughimplanted
coronKITstents.CFDstudyprovidesagoodtechnicalmegnsforunderstandingtherelationshipamongthe
hemodynamieenvironmentandplaqueformation,stentimplantationandrestenosis.Ultimately,thisinformation
maybeusefulforclinicianstounderstandplaqueformationandengineerstoimprovedbifurcationstent
designingtechniques.
Keywords:coronary;in—stentrestenosis;hemodynamics;atherosclerosis
引言
冠心病是一种由于血管壁增厚和斑块形成而
导致管腔狭窄的心血管疾病,已证实的危险因素包
括吸烟、高血脂、高血压、糖尿病等⋯。但是这些危
险因素都不能直接解释为何冠状动脉分叉处和弯
doi:tO,3969/j.issn.0258-8021.2012.03.021
收稿日期:201卜11-27,录用日期:2012-03-09
基金项目:北京市自然科学基金(3112011)
·通信作者。 E-mail:libI@sina.㈣
曲处更易形成斑块。自1969年Caro发现血流剪切
应力对动脉粥样硬化有影响的第一个证据以来H’,
目前人们普遍认为,血管壁面局部血流动力学作
用,特别是低剪切应力可能是分叉冠脉狭窄的关
键p’41。冠状动脉分叉处有其几何结构的特殊性,
主要
现为主支与分支问存在一定的角度。该几
万方数据
3期 刘修健,等:冠脉分叉病变及支架后再狭窄的血流动力学研究进展
何结构对局部血流动力学会产生一定影响,如分支
部位外侧壁剪切应力低,内皮细胞力学环境改变;
此处的血液流动易由层流变为湍流,血液中的微粒
(如低密度脂蛋白)与管腔表面接触时间延长,利于
脂质沉积和血小板聚集,从而损伤血管内膜,易于
形成冠脉狭窄”,。
临床上治疗冠脉狭窄常采用介人治疗,其中分
叉病变约占PCI总数的20%,不幸的是其支架内再
狭窄发生率高达30%”。1。即使在药物洗脱支架
(drug—elutingstem,DES)时代,冠脉分叉病变仍然
是PCI治疗领域最具挑战性的病变之一,其术后主
要不良心血管事件、支架后血栓和再狭窄率均较
高”廿1。最近研究表明,频繁的再狭窄不仅和支架
与血管的变形、支架与血管顺应性失配有关.也和
支架后局部血流动力学变化引起的内膜增生有
关”¨”1。本文从分叉冠脉特殊的几何结构出发.分
析影响分叉病变的血流动力学因素;并阐述近年与
分叉冠脉支架后再狭窄相关的计算流体力学研究
进展。
l 冠脉分叉部位的血流动力学特点
1.1冠状动脉的应力特点
冠状动脉血管壁主要受3种应力作用”1:1)径
向应力(血压):充盈血液对单位面积血管壁的正向
压力;2)周向应力(环形张力):充盈血流反复搏动
致使血管扩张而产生的张力;3)剪切应力:血赦流
动时对内皮细胞产生的沿轴向的张力。即血流对血
管内壁产生的摩擦力。其中.剪切应力是影响血管
壁内皮细胞形态、结构和功能的最重要的血流动力
学因素。文献[13]中,用平行平板流动腔体外培养
内皮细胞时,在12dyn/cm2高剪切应力作用下内皮
细胞呈长梭形,细胞长轴沿切应力方向排列;而内
皮细胞受2dyn/em2低剪切应力作用时,已定向的内
皮细胞就会发生重排,排列方向逐渐紊乱。
Chatzizisis等也发现,直管状动脉内皮细胞呈现椭圊
体状,并以同轴的形式沿血流方向排列;而在血管
分叉部位或弯曲处,内皮细胞的形状趋向多角形并
缺乏特定的排列方向““。
1.2冠脉分叉部位的血流特点
冠状动脉分叉部位的血液流态非常复杂.血流
易由稳定层流变为湍流、涡流,存在血流振荡甚至
停滞现象。体外模拟研究左主干末端分叉部位的
血流状况,如图1所示”“.水平观(上)血流直接冲
向分叉部位,中间的血流速度最快,而侧壁血流速
度较慢且存在涡流.斑块常见于这些血流速度较
慢,存在涡流的部位。长轴观察前降支及回旋支的
开口(中),血流指向前降支弯曲的血管壁无心肌部
位,此处血流速度较快,而措着有心肌部位的血流
呈现典型的涡流且距离前降支开口较近的部位流
速迅速减慢。正交面观察回旋支(下),可见回旋支
近端血流指向心外膜面,弯曲的半径小于前降支,
黟茂
圈1左主干束蠕分叉每位以水平琨寨l上)、长■魂●
(中}和正交面琨察I下)的血藏特点”“lLMCA:左主千;
LAD:左营辟支:LCX:左回境支l
Fig.1Bloodflowcharacteristicsoftheendofthe-施
maincoronaryarterythroughhorieoninlplane(upper
lineI.10nghatsviewl middleline)andorthogonalview
Cbottomlinel。“1lLMCA:leftmaincoronaryartery;
LAD:leftanteriordescendingartery:LCX:left
circumflexartery)
I.3分支血管藏■对斑块形成的影响
分支血管带走主干血管超过10%的血流时。会
对主干血管分叉处的血液流态产生重大的影响,如
图2所示”“。大量的血液被迫改变方向流人分支
血管,主干血管内就会形成涡流。这种流动分离的
现象会导致主干和分支的外侧壁形成低壁面切应
力区。主干流向分支的流量百分比是迄今为止预
测这种流动现象的主要指标之一”“。临床现象可
以与之相佐证,即冠脉分叉病变常见部位为前降支-
回旋支分叉处、回旋支-钝缘支分叉处。这些部位的
解剖结构是主分支直径大小相似.分支流量远远超
过主干血管10%的流量,因而易形成斑块。
1.4冠脉分夏角度对斑块形成的影响
冠脉分叉角度越大,分叉部位血管内外侧壁的
壁面切应力之差也越大。即不改变分支动脉流量
的大小.只增大分叉角度能使外侧壁的壁面切应力
变得更低。Friedman等研究了分叉角和内膜增厚之
间的关系,通过分析15例患者的23处分叉部位,发
&昏蔑
万方数据
中国生物医学工程学报
围2分支血管局部血流特征Ⅲ1
Fig.2Illustrationofflowpatternsintheregionofa
branchingvessel【“l
现分叉角度影响血流动力学环境,且分叉角度与内
膜的最大厚度呈正相关.大的分叉角度可能会促进
内膜增厚,而导致脂质积累和动脉粥样硬化的
发生⋯1。
2分叉冠脉支架后的计算流体力学
研究
目前冠脉支架是治疗冠脉狭窄的首要手段,但
分叉冠脉支架后再狭窄率高又是医生不得不面临
的严重临床问
。运用CFD方法建立支架后冠状
动脉的个体化模型。是研究冠脉分叉处血流动力学
影响的主要手段之一,是现有分析分叉冠脉再狭窄
最为有效的方法之一”⋯。结合临床实际需求,人们
主要关注以下几个问题。
2.1支架变形与再狭窄
支架变形对血管内的血流动力学环境有影响。
Mortier等研究在正常分叉冠脉主支血管植入药物
洗脱支架后的应力分布情况”⋯。结果显示支架后
血管有明显拉直(图3(a)),且支架远端出口管腔
处周向应力明显较高(图3(b)),这表明支架变形
对植人支架段血管的血流动力学环境有影响。
Mortier研究还发现在主支植人一个支架或双支架
后.均会由于分支扩张而使支架明显变形”⋯。个别
地,双支架的变形会使得分支支架突人到主支管腔
中,而使局部的血液层流受阻破散,形成无规则的
非定常流动,甚至湍流。
2.2血管变形与再狭窄
对于冠脉分叉病变的单支架植入术,在主干植
人支架和分支血管成形术恢复分叉脊位置后,由于
分叉脊位置的重新定位会导致主干远端形成振荡
的低剪切应力区域。WiUiams等采用基于血管内超
声影像的CFD模型量化分析了分叉冠脉支架前后
血流动力学变化情况””,发现血管成形术前后,不
良区域的管腔总面积保持不变,这表明壁面剪切应
I;i|
2架腔骨腔 \_,一i
‘颦后忭脾 \; 1排从㈣ U
圈3支架檀入对周向应力分布的影响⋯。(_J支集后
血管的变形:(b)周向应力分布
F嘧.3 Theimpactofalentingoncircumferential
alr--ias⋯.fa)Vasculardeformationafterstenting;(b)
Cireum缸rentialiltre蚰distributioD
力的不良分布主要是由支架引起的血流动力学变
化所致.而不是血管几何形状的整体改变所致。同
时主干支架植入导致外侧壁的低壁面切应力区伴
随有明显的白细胞黏附、内膜增生和纤维蛋白沉
积,这和Richter等的观察结果”“一致。
2.3支架顺应性与再狭窄
根据临床观察,目前还没有一种理想的支架其
顺应性可以和正常血管相比拟,因此放置支架的病
变段血管与邻接两端的正常血管段之间,会出现顺
应性失配。顺应性失配不仅可影响脉动压力和血
流波在血管中的有效传递,部分血流波还可被折返
或弹回而引起血流紊乱”“,特别是支架植人的病变
段与两端血管在心脏收缩和舒张过程中的膨胀和
回缩的不一致性,会出现应力集中区。
2.4血流对药物洗脱支架药物分布的影响
主干支架植入及随后分支球囊扩张后分叉部
位形态变化导致血流动力学变化的同时,分叉附近
的扰流会对DES支架植入后药物分布产生影响。
Kolachalama等对一个理想的分叉冠脉模型主干的3
一i
万方数据
3期 刘修健,等:冠脉分叉病变及支架后再狭窄的血流动力学研究进展
个位置(侧支开口近端、横跨分叉人口和分叉脊远
端)分别植人DES支架,在不同的雷诺数条件下,研
究分叉处的血液流态对药物分布的影响,如图4所
示Ⅲ’。结果发现,血流通过分叉部位时分支外侧壁
产生的边界层分离和再附着会诱导药物沉积,特别
是把支架放置在开口近端时最明显,且药物沉积随
雷诺数的增加而减少。
开n近埘 擞跨丹里*¨ 开【】远端
泌N¨
篓一
嚣
瞎
再狭窄””。目前.对双支架植入导致的无支架覆盖
区,还少有人运用流固耦合的方法进行研究,而随
着三维重建技术和CFD方法的发展,这无疑会成为
将来研究的热点之一。
剌对霄诺啦
(”
桨束:lb
Fig.5 Theabsenceofthestruts_fkrtwostent
implantation‘⋯.IalTstenting;lb)Crushstenting
田4血漉对DES支槊药袖分布的影响⋯。(a)支架檀3 展望
入位置i(b)莳铀浓度分布
Fk·4 Effectsof flowpatternonDES’5drug
distribution‘⋯.IⅡlSte.ntposition;(b)Distrtbudonof
drugconcentration
2.5无支架覆盖区与再狭窄
尽管已有的临床试验都证实双支架后再狭窄
率高于单支架⋯,但是,对于直径较大(>2.5mm)
的长病变,或分支血管心肌供血面积较大时,必须
采用双支架术。而双支架的植人带来的问题是无
支架覆盖区,而经典挤压支架术还会存在三层支架
重叠区,所有这些势必会对局部血流动力学环境产
生影响,增加再狭窄的发生率””。图5是常用的两
种双支架术的示意图”“。I临床结果证实,再狭窄多
发生于无支架覆盖区。Hu等基于真实个体化分叉
冠脉的三维几何模型.运用定常流、刚性壁模型,对
经典挤压支架术支架前后及8个月随访时分叉部位
的剪切应力分布状况进行了研究,发现术后即时分
支开口处的剪切应力分布和再狭窄有关,当剪切应
力很低时不形成再狭窄,而剪切应力较高时易形成
针对冠脉分叉病变支架后再狭窄率高的临床
问题,生物力学工作者做了大量的工作,探讨了与
再狭窄相关的许多因素,但是他们多是把血管壁假
设为刚性壁来进行研究。而随着研究的深入、医学
影像技术和CFD软件的发展,运用流固耦合模型对
分叉冠脉支架后进行CFD研究将是未来的发展
趋势。
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