心血管疾病是人類健康的頭號(hào)殺手。其中大部分臨床事件的發(fā)生如急性心臟病、心絞痛以及中風(fēng)都與動(dòng)脈粥樣硬化過程有著密切的聯(lián)系。隨著大量有關(guān)動(dòng)脈粥樣硬化易損斑塊增長與破裂研究的開展,越來越多的證據(jù)表明力學(xué)因素在易損斑塊的增長與破裂過程中扮演著重要的角色。研究人員引進(jìn)了多種基于醫(yī)學(xué)多模態(tài)影像的計(jì)算生物力學(xué)仿真模型以求理解斑塊增長和破裂的機(jī)理,并為臨床診斷提供更多有用的信息。由于易損斑塊的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,成分多樣性,三維流固耦合易損斑塊模型的搭建及求解需要大量的時(shí)間,這也限制了將生物力學(xué)模型應(yīng)用于臨床輔助診療的可能性。二維模型雖然大大減少了建模及求解時(shí)間,以三維流固耦合模型作為金標(biāo)準(zhǔn),二維模型的精度不足以滿足臨床要求。因此,本文引入一種三維薄片模型作為三維流固耦合模型的近似,探究三維薄片模型替代三維流固耦合模型以及應(yīng)用三維薄片模型于冠脈斑塊增長預(yù)測分析和臨床應(yīng)用的可行性。本文采用已有的四組病人的初訪(T1)及隨訪(T2)數(shù)據(jù),包括血管內(nèi)超聲圖像(IVUS)以及血管造影數(shù)據(jù)搭建了8個(gè)三維流固耦合模型及385個(gè)三維薄片模型,提取兩種模型的斑塊壁面應(yīng)力、斑塊壁面應(yīng)變及壁厚進(jìn)行對(duì)比分析,確定三維薄片模型替代三維流固耦合模型產(chǎn)生的誤差。同時(shí)本文選取壁厚增長為斑塊增長的度量,分別研究比較了兩種模型計(jì)算得到的應(yīng)力、應(yīng)變及壁厚三組力學(xué)影響因子與斑塊增長的相關(guān)性及其差異。本文還進(jìn)一步對(duì)力學(xué)模型中的周向收縮率、軸向拉伸過程以及循環(huán)彎曲對(duì)兩種模型計(jì)算結(jié)果帶來的影響進(jìn)行了仔細(xì)的研究。結(jié)果表明,三維薄片模型與三維流固耦合模型的平均壁面應(yīng)力與應(yīng)變的差異均小于10%(應(yīng)力:9.1%;應(yīng)變:8.4%)。同時(shí),兩組模型的斑塊增長與影響因子的相關(guān)性也體現(xiàn)出了一致性(正相關(guān)負(fù)相關(guān)結(jié)論相同率:87.5%).。從時(shí)間成本考慮,三維薄片模型將構(gòu)造三維流固耦合模型的10-15天壓縮至數(shù)個(gè)小時(shí),在保證一定精度的前提下,大大縮短了模型建模與求解的時(shí)間,為生物力學(xué)模型應(yīng)用于臨床診斷輔助分析提供了可能性。三維薄片模型仍需大量的患者數(shù)據(jù)以獲得進(jìn)一步的驗(yàn)證。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R54;TP391.41
【部分圖文】：

圖1-1 展現(xiàn)了易損斑塊在冠狀動(dòng)脈中發(fā)展及破裂的過程。圖 1-1 動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的生長及破裂[6]血流動(dòng)力學(xué)異常也會(huì)造成血管內(nèi)皮細(xì)胞的損傷。較低的剪切力會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)等粒子慢慢積聚，從而誘發(fā)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的生長[7]。動(dòng)脈粥樣硬化與血流動(dòng)力學(xué)壁面剪切力的高度相關(guān)性被廣泛研究。流體力學(xué)的壁面剪切力直接影響著血管壁內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)及細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)。壁面剪應(yīng)力使原本自由取向、多邊形鵝卵狀的動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞，趨向于與流動(dòng)方向一致的排列。內(nèi)皮細(xì)胞在正常水平下的動(dòng)脈壁面剪切應(yīng)力（大于15dyne/cm^2）的影響下致密排列，抑制著內(nèi)皮細(xì)胞的翻轉(zhuǎn)，而在壁面剪應(yīng)力降低的情況下（小于4dyne/cm^2），內(nèi)皮細(xì)胞有著很高的翻轉(zhuǎn)率，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞間的縫隙增大，形成通道，使低密度脂蛋白更易進(jìn)入內(nèi)皮下間隙。同時(shí)，低水平壁面剪應(yīng)力還會(huì)影響生物合成酶活性，使得內(nèi)皮細(xì)胞超氧負(fù)離子的含量增加，內(nèi)皮細(xì)胞的黏附作用增大，誘發(fā)動(dòng)脈粥樣硬化。另外，血管局部的結(jié)構(gòu)會(huì)隨著心臟的搏動(dòng)而改變，因此導(dǎo)致血流在局部形成渦流，這種不穩(wěn)定的壁面剪應(yīng)力對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)功能也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。從而影響動(dòng)脈粥2

生長程度的斑塊做了分類[21-23]。表1-1和圖1-2分別給出了斑塊分類指數(shù)的定義和實(shí)例。表 1-1 易損斑塊的形態(tài)分類指數(shù)與 AHA 分類標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比[20]形態(tài)分類指數(shù) AHA 分類 斑塊特征描述 斑塊形態(tài)V = 0 類型Ⅰ或類型Ⅱ 正�；蛴休p微的內(nèi)膜增厚 非常穩(wěn)定V = 1 類型Ⅲ有中等程度的內(nèi)膜增厚，無細(xì)胞外的脂質(zhì)、鈣化物或明顯的炎癥穩(wěn)定V =2 類型Ⅳ，類型Ⅴ較小的脂質(zhì)核（不超過斑塊大小的 30%）；可出現(xiàn)鈣化物；纖維帽較厚（超過 200μm）輕微不穩(wěn)定V = 3 類型Ⅴ中度的脂質(zhì)核（占斑塊大小的 30%-40%）和纖維帽較厚（65μm -200μm）；中度的斑塊內(nèi)出血；中度的炎癥中度不穩(wěn)定V = 4 類型Ⅵ大脂核（超過斑塊的大小的 40%）薄纖維帽（小于 65μm）；大斑塊內(nèi)出血；肩部有大量炎癥；有早期破裂跡象。高度不穩(wěn)定3

earch Foundation 提供，主要包含四位患者（F1、F4、F5、F7）的冠狀動(dòng)脈 IVUS 圖切片分割輪廓數(shù)據(jù)，冠狀動(dòng)脈 CT 造影的動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)（已經(jīng)過除名處的使用均已經(jīng)過倫理委員會(huì)的審查和批準(zhǔn)。IVUS 圖像是借助有創(chuàng)的超聲導(dǎo)管所采集的，先將金屬導(dǎo)管定位在控制臺(tái)的近端借同時(shí)給血管管腔內(nèi)的遠(yuǎn)端導(dǎo)絲施加約束，而后導(dǎo)管伸至目標(biāo)位點(diǎn)后約 2cm 處，然拉導(dǎo)管，回拉過程中要注意避免導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)。病變位點(diǎn)的數(shù)據(jù)則由一個(gè) 20MHz，2.9-F相控陣探頭記錄。同時(shí)在回拉過程中，將 RF 數(shù)據(jù)做圖像重建得到血管內(nèi)超聲的 B圖像輪廓的檢測是使用 IVUS 成像系統(tǒng)（Volcano Crop., Rancho Cordova, CA）自動(dòng) VH 軟件（Version 3.1）來提供切片幾何形狀及斑塊成分的輸出。我們稱 VH 軟件出斑塊成分的圖像為 VH 圖像，如圖 2-1（a）所示，VH 圖像經(jīng)過圖像分割得到輪，包含有每片切片的不同成分的輪廓信息，如圖 2-1（b）所示，這部分?jǐn)?shù)據(jù)是由Zheng 教授研究組提供。a) (b)

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