本文關(guān)鍵詞：右冠狀動脈的血流動力學數(shù)值模擬，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《南方醫(yī)科大學》 2014年

右冠狀動脈的血流動力學數(shù)值模擬

劉桂英  

【摘要】：研究背景 冠狀動脈粥樣硬化性疾病(Coronary Atherosclerotic Disease, CAD),指冠狀動脈粥樣硬化使血管腔狹窄或阻塞,和(或)因冠狀動脈功能性改變(痙攣)導致心肌缺血缺氧或壞死而引起的心臟病,統(tǒng)稱冠狀動脈性心臟病,簡稱冠心病。CAD病理基礎(chǔ)是冠狀動脈粥樣硬化,臨床的冠脈事件90%由冠狀動脈粥樣硬化引起。目前公認的危險因素包括高血壓、高血脂、高膽固醇、高胱氨酸血癥、高血糖、吸煙、超重、肥胖,遺傳因素以及微量元素的攝入不足等。冠心病的病理基礎(chǔ)是冠狀動脈粥樣硬化的長期慢性的復雜過程,業(yè)已證實,CAD是一種多因性疾病,涉及到基因、代謝、環(huán)境等多種因素的相互作用,其中炎癥介質(zhì)、動脈血流變化、脂質(zhì)沉積等因素的影響在在斑塊的發(fā)生、變化、破裂過程起重要作用。目前有多種發(fā)病學說在試著解釋粥樣硬化的病理機制,如脂質(zhì)浸潤學說,單克隆學說、切應力學說、損傷反應學說、同型半胱氨酸學說、內(nèi)皮功能紊亂學說、精氨酸學說、氧化應激、內(nèi)皮祖細胞功能失常學說等,但仍然未完全闡明粥樣硬化發(fā)生、發(fā)展的機制及其影響因素。冠心病的患病率與病死率均高,而且高危人群的基數(shù)龐大,防治冠心病的負擔沉重,除了冠心病的一級預防即不良生活方式干預及危險因素干預措施外,在易患人群中對冠心病的大量篩查也是防治冠心病的重要措施。冠脈血流變化可導致血液中脂質(zhì),白細胞、血小板等有形成分的不均勻性分布,在局部血流動力學變化較大的區(qū)域,常常出現(xiàn)血液的緩流、滯留,可致血液中的有形成分的沉積,逐漸形成粥樣斑塊,粥樣斑塊的繼續(xù)發(fā)生、發(fā)展,常可導致血管腔的狹窄和血管支配的相應供血區(qū)缺血,最終患者表現(xiàn)出明顯的臨床癥狀。 然而,由于技術(shù)難度大,在體或者離體實驗研究血流動力學不可行。近年來血流動力學數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),粥樣硬化好發(fā)于腦動脈、頸動脈以及冠狀動脈等具有血管分叉或明顯彎曲處等血流變化明顯的部位,而上述危險因素均不能完全解釋動脈粥樣硬化發(fā)生的局部性。因此可以推測,這種斑塊形成在解剖學上的明顯傾向,是與某種有選擇定位作用的致病因素聯(lián)系在一起,因此,本實驗通過比較解剖結(jié)構(gòu)復雜程度不同的正常右冠狀動脈與不同狹窄程度偏心性右冠狀動脈的血流動力學差異,探索粥樣斑塊的易發(fā)部位及斑塊的發(fā)生發(fā)展與解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 第一章正常右冠狀動脈的血流動力學數(shù)值模擬 [目的] 本實驗利用數(shù)值模擬技術(shù)建立帶有側(cè)分支的理想右冠狀動脈和個體右冠狀動脈有限元模型,探索解剖因素對血流動力學參數(shù)血管壁面剪切應力(Wall Shear Stress, WSS)和血管壁面壓力(Wall Pressure Gradient, WPG)的具體影響,比較扭曲右冠狀動脈與非扭曲右冠狀動脈的血流動力學差異,為臨床評估患者發(fā)生粥樣斑塊的傾向性提供依據(jù)。 [方法] 1、基于個體右冠狀動脈(Right Coronary Arteries,RC As)的解剖特點,用Proe5建立125例帶有側(cè)分支的理想右冠狀動脈模型及一例側(cè)分枝成60度的直管作為參照模型,模型差異表現(xiàn)在主干彎曲程度、側(cè)分支的彎曲程度及側(cè)分支與主干血流方向的成角角度三個方面； 2、用MIMICS10.01把疑似冠心病患者的胸部CT血管造影(CTA.CTAngiography)的二維圖像重建成三維模型后,挑選三例解剖結(jié)構(gòu)差異較大的冠脈A、B和C,其主干全程未見狹窄,A是典型的非扭曲型右冠狀動脈,C是典型的扭曲型右冠狀動脈,B的解剖結(jié)構(gòu)復雜程度介于A和C之間；然后采用Geomagic Studio2012進行光順、裁剪等處理,建立個體右冠狀動脈的三維數(shù)字化模型； 3、采用CFX軟件對建好的三維模型進行網(wǎng)格劃分,賦予相同的生理邊界條件、求解控制條件,并均求解成功,統(tǒng)一在收縮期速度峰值時刻采集各個冠脈模型的WSS分布云圖,WPG分布云圖,平均壁面剪切應力(average Wall Shear Stress, WSS)及冠脈出入口兩端之間的壓降(Pressure Drop, AP),并進行參數(shù)化分析。 [結(jié)果] 1、理想右冠狀動脈中,局部低WSS和低WPG區(qū)域位于粥樣斑塊的易發(fā)部位,即彎曲的屈側(cè)和分叉的對側(cè)。平均壁面切應力值和冠脈出入口兩端之間的壓降與冠脈主干彎曲程度、側(cè)分支與主干血流方向成角角度以及側(cè)分支彎曲程度成正相關(guān),其中,冠脈主干彎曲程度的影響最大； 2、個體右冠狀動脈中,解剖結(jié)構(gòu)不同,WSS和WPG分布不同；在彎曲的屈側(cè)和分叉對側(cè)總是出現(xiàn)局部的低WSS和WPG區(qū)域；局部高WSS區(qū)域總是位于分叉處；同時冠脈近端分叉處的局部高WSS值大于冠脈遠端分叉處；右冠狀動脈C的wss值和冠脈出入口兩端之間的壓降A(chǔ)P均大于右冠狀動脈A和B； 3、個體右冠狀動脈的局部低WSS和WPG區(qū)域出現(xiàn)的位置與理想右冠狀動脈的一致,但分布云圖較理想右冠狀動脈復雜,壓降A(chǔ)P值也是理想右冠狀動脈的2-3倍。 [結(jié)論] 本實驗通過建立理想冠脈模型,利用數(shù)值模擬方法,參數(shù)化分析了右冠狀動脈主干彎曲程度、側(cè)分支與主干血流方向成角角度對右冠狀動脈的血流動力學影響,結(jié)果表明：局部低WSS和WPG位于粥樣斑塊易發(fā)部位,與文獻報道一致。扭曲型右冠狀動脈因受WSS和WPG的空間分布和幅度的更顯著影響,加速了粥樣斑塊的發(fā)展,可應用于臨床評估冠脈嚴重扭曲患者發(fā)生粥樣斑塊的傾向性；由于側(cè)分支與主干血流方向成角角度的大小,影響到冠脈的血流動力學,也參與扭曲右冠狀動脈更易于發(fā)生心肌缺血和粥樣斑塊,所以,針對右冠狀動脈嚴重病變并無法進行支架植入術(shù),必須施行冠狀動脈移植術(shù)的患者,移植血管與閉塞冠脈下段的成角角度有待優(yōu)化,因此,本研究可為冠狀動脈旁路移植術(shù)的基礎(chǔ)手術(shù)設(shè)計和施行提供理論依據(jù)。 第二章高度彎曲的進展性狹窄冠脈的流固耦合分析 [目的] 利用計算流體力學技術(shù)建立不同狹窄程度的偏心性高度彎曲右冠狀動脈三維數(shù)字模型,采用雙向流固耦合分析(two-way Fluid-structure Interaction Analysis,FSI)方法分析彎曲右冠狀動脈出現(xiàn)狹窄后的血流動力學變化情況。 [方法] 1、用Proe5建立一支正常高度彎曲右冠狀動脈及9支帶有粥樣斑塊的不同狹窄程度的偏心性高度彎曲右冠狀動脈的三維數(shù)字化模型,10支冠脈的不同之處為彎曲屈側(cè)出現(xiàn)的偏心性粥樣斑塊的高度和長度逐漸增加,即冠脈腔的狹窄程度逐漸增加。 2、采用ANSYS Transient Structure模塊和CFX軟件對建好的三維模型進行網(wǎng)格劃分,結(jié)合應用ANSYS Transient Structure模塊和CFX模塊對賦予了相同的生理邊界條件、求解控制條件的有限元模型進行流固耦合分析,求解成功后統(tǒng)一在速度峰值時刻采集各個冠脈模型的WSS分布云圖、WPG分布云圖、粥樣斑塊最狹窄平面上的von Mises應力分布云圖、wss、冠脈出入口兩端之間的壓降A(chǔ)P及最狹窄平面上的von Mises應力的最大值和最小值,并進行參數(shù)化分析。 [結(jié)果] 冠脈自發(fā)生粥樣斑塊至明顯狹窄的過程中,局部低WSS區(qū)域向冠脈屈側(cè)下游移動,局部低壓力區(qū)域由冠脈遠段移動到冠脈屈側(cè)下游,von Mises應力在粥樣斑塊最狹窄平面上呈不均勻性分布。并且,冠脈的平均壁面切應力值和冠脈出入口兩端之間的壓降及粥樣斑塊最狹窄平面上von Mises應力最大值和最小值與狹窄程度成正相關(guān)。 [結(jié)論] 高度彎曲的進展性狹窄冠脈的流固耦合分析成功展示了冠脈從無病變到出現(xiàn)輕微狹窄致發(fā)展到重度狹窄過程中的動態(tài)血流動力學變化。局部低WSS和低WPG區(qū)域的動態(tài)變化,與文獻報道一致,可應用于揭示粥樣斑塊發(fā)生發(fā)展的形態(tài)學變化趨勢；冠脈自發(fā)生粥樣斑塊至明顯狹窄的過程中,隨著狹窄程度的增加,冠脈的平均壁面切應力值和冠脈出入口兩端之間的壓降增加,可加速粥樣斑塊的發(fā)展,同時,壓降A(chǔ)P的增加,與血流阻力的增加密切相關(guān),對壓降的測量,可應用于評估冠脈的狹窄嚴重程度；粥樣斑塊最狹窄平面上von Mises應力最大值和最小值與狹窄程度成正相關(guān),可能與易損斑塊的破裂相關(guān)。

【關(guān)鍵詞】：
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R541.4
【目錄】：

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