冠脈支架虛擬置入技術(shù)的研究現(xiàn)狀

潘連強 藺嫦燕

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院 北京市心肺血管疾病研究所，北京 100029)

引言

冠脈支架置入術(shù)主要過程是通過球囊膨脹擴張支架，使狹窄血管達到目標(biāo)直徑。隨后，球囊卸載抽出，支架回彈并服役在血管病變處，以支撐血管和恢復(fù)血流。因為在臨床上評估術(shù)式的優(yōu)劣比較困難并且價格昂貴，所以支架虛擬置入的數(shù)值模擬成為評估術(shù)式設(shè)計和優(yōu)劣的有力工具。

冠脈支架虛擬置入術(shù)的第一步是建立血管和支架的耦合模型，并進行離散化處理；第二步是對系統(tǒng)的不同組成部分(血液、生物組織、球囊、支架等)進行適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)關(guān)系的定義，然后定義支架置入過程中冠脈的邊界條件和外部載荷；最后一步是對支架與血管壁或血流的相互作用以及數(shù)值模擬所涉及的組織結(jié)構(gòu)、流體動力學(xué)或藥物輸送量進行適當(dāng)?shù)臄?shù)值模擬[1]。重建模型法是數(shù)值模擬冠脈介入治療的基本組成部分。數(shù)值模擬方法可以建立在綜合生物學(xué)與生物醫(yī)學(xué)知識和先進的建模范例上，以模擬個體化生理結(jié)構(gòu)與支架裝置的相互作用。它可以重建患者的個體化模型，并考慮到個體之間的差異性，從而模擬支架置入術(shù)并預(yù)測治療結(jié)果[2]。

早期研究冠脈支架虛擬置入術(shù)的數(shù)值模型大多為簡化的理想化幾何形狀，對這些簡化的結(jié)構(gòu)或流體動力學(xué)模型的總結(jié)研究可以在早期的文獻中查到[3-4]。研究者們根據(jù)需要研究的問題，可以方便地重建出針對所需解決問題的理想化模型，進行數(shù)值模擬，從而得出研究結(jié)果[5]。為個體化與復(fù)雜問題的研究奠定了理論基礎(chǔ)。人體血管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冠脈結(jié)構(gòu)因人而異，病變位置、程度、和類型也不相同?；趥€體解剖結(jié)構(gòu)所重建的冠脈病變模型進行數(shù)值模擬，可以獲得相對個體而言更為真實的術(shù)式模擬，從而對個體所進行的術(shù)式進行分析與優(yōu)化。此綜述將從模型的三維重建出發(fā)，總結(jié)模型的重建對冠脈虛擬置入技術(shù)的影響。著重從球囊模型、血管壁模型與分叉模型這三個方面進行綜述。

1 球囊模型

最近大多數(shù)冠脈支架虛擬置入研究中，支架與動脈壁相互作用模型考慮了球囊的存在。應(yīng)用虛擬置入的球囊，其幾何模型結(jié)構(gòu)的精確設(shè)置是模擬支架擴張的關(guān)鍵選擇。

為了驗證球囊模型在支架虛擬置入中是不可或缺的，曾有人分別在支架內(nèi)表面、理想化圓筒形球囊和三褶球囊上施加壓力，模擬支架擴張的結(jié)果研究[6-7]。結(jié)果顯示，支架膨脹類型極大地影響了支架置入時引起的動脈壁的應(yīng)力模式，使用三褶球囊模型擴張與制造商的數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果有更好的定性和定量的一致性。Zahedmanesh等[8]基于患者血管造影圖像三維重建冠狀動脈模型，對3種方案進行研究：第一種是直接在支架內(nèi)表面施加16個大氣壓；第二種是使用三褶球囊在球囊內(nèi)表面施加16個大氣壓；第三種是支架內(nèi)表面施加30個大氣壓，通過控制支架直徑的變化，使支架完全膨脹至與使用球囊模型擴張所獲得的直徑相同。球囊模型對于支架變形和支架應(yīng)力的精確模擬至關(guān)重要，優(yōu)于在支架內(nèi)表面施加壓力的模擬。雖然通過控制支架的擴張直徑可以達到最終的模擬效果，但不能模擬支架擴張期間的應(yīng)力變化。

球囊的褶皺數(shù)越多，對稱性越好，擴張得越均勻?qū)ΨQ。Mortier等模擬不同褶數(shù)的球囊擴張支架，發(fā)現(xiàn)六褶球囊-支架系統(tǒng)相較三褶的擴張更加均勻、對稱[9]。Ragkousis等[10]還研究模擬在近端與遠端支架擴張直徑相差大約1.3 mm時與1.5 mm時，使用十二褶的球囊擴張具有更好的效果；在近遠端擴張直徑相差0.7 mm時，使用六褶的球囊擴張具有更好的效果。在支架置入系統(tǒng)的建模中，如果擴張近遠端有較大直徑的變化時，必須通過增加球囊的折疊數(shù)來確保球囊能夠均勻膨脹。Martin等認為，錐形末端與導(dǎo)管的連接可以有效降低中間窄兩端寬的“狗骨頭”現(xiàn)象，并且可以限制支架在模擬中的軸向縮短[11]。

因此，目前普遍接受的結(jié)果是，需要球囊模型來更精準(zhǔn)地模擬支架置入期間支架-動脈相互作用。球囊的褶皺形式和連接錐形末端等幾何特征是必不可少的，其對于觀察支架對冠脈力學(xué)環(huán)境的影響、支架擴張的瞬態(tài)行為及最終的定位和后期優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。

2 血管壁模型

血管壁模型是支架置入模型的重要組成部分。血管壁的組成(包括不同動脈層)的定義通常基于Holzapfel等進行的研究[12]。Holzapfel等對來自13顆心臟的55個人類左前降支冠狀動脈進行研究，外膜層、中膜層和內(nèi)膜層分別占動脈壁總厚度的0.40±0.03、0.36±0.03和0.27±0.02(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)。研究者首先對軸向和圓周方向三層動脈帶的被動拉伸力學(xué)性質(zhì)進行了實驗研究。其次，他們使用特定的本構(gòu)規(guī)律描述了每個組織的力學(xué)特征，其研究結(jié)果被認為是冠狀動脈模型的標(biāo)準(zhǔn)。

冠狀動脈病理特點是存在動脈粥樣硬化斑塊，斑塊的存在和組成極大地影響了動脈壁的力學(xué)行為，從而影響了模擬計算的結(jié)果和支架介入治療效果。斑塊的組成成分所表現(xiàn)出的力學(xué)性能對支架置入后管腔的大小有很大的影響[13]。通常，用于模擬動脈粥樣硬化斑塊的本構(gòu)關(guān)系是基于Loree等在1994年提出的實驗數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)每種斑塊類型(多細胞、少細胞和鈣化)的力學(xué)特征有很大的差別[14]。一些數(shù)值研究把斑塊簡單地作為各向同性超彈性[15-16]或超彈塑性[17]本構(gòu)模型，但實際上斑塊非常復(fù)雜，沒有特定的形態(tài)與本構(gòu)關(guān)系。

Xu等[18]重建曲率半徑為30 mm的冠脈簡化模型，把冠脈壁分成外膜、中膜和內(nèi)模3層，并在管腔內(nèi)膜上建立簡化不對稱斑塊，研究血管動態(tài)彎曲對支架長期力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，血管動態(tài)彎曲下的應(yīng)力主要集中發(fā)生在支架彎曲連接處，最大應(yīng)力位于支架中間段的彎曲部分；支架在血管動態(tài)彎曲的作用下更易發(fā)生斷裂，預(yù)測的斷裂位置位于支架彎曲連接處。這些結(jié)果與臨床文獻報道的數(shù)據(jù)一致。Iannaccone等[19]運用虛擬置入技術(shù)建立了理想分叉模型，其中冠脈壁使用了分層結(jié)構(gòu)；分別討論了脂質(zhì)斑塊、纖維斑塊、在主分支處有4 mm半環(huán)形鈣化的脂質(zhì)斑塊和在主分支處有4 mm環(huán)形鈣化的脂質(zhì)斑塊這4種斑塊對側(cè)支的不利影響。研究發(fā)現(xiàn)鈣化斑塊的存在，通過誘發(fā)管腔形成橢圓形截面并減小管腔面積，極大地影響了分支開口的形狀和尺寸的變化。Chiastra等[20]進行了兩例個體化患者的模擬，使用CT血管造影和光學(xué)相干斷層掃描(OCT)圖像融合技術(shù)重建患者支架前和支架后即刻的個體化冠脈分叉模型。假設(shè)與管腔中心線之間距離小于健康管腔半徑的區(qū)域為斑塊區(qū)域，然后通過OCT影像判斷軟斑塊和硬斑塊區(qū)域，重建了支架-斑塊-血管耦合模型，模擬復(fù)制了完整的手術(shù)過程。冠脈模擬結(jié)果與術(shù)后患者影像具有較高的一致性，面積的最大差異為20.4%。低平均壁面剪切力(TAWSS)主要集中在冠脈支架段前端和分叉對面區(qū)域處，兩個使用較厚支架的患者中低TAWSS更為顯著。貼壁不良主要集中在分叉位置處。Imani等[21]建立了理想的支架-斑塊-血管耦合模型研究支架的虛擬置入，使用有限元法通過分析兩種支架的徑向回彈率、狗骨頭率和血管壁面的米塞斯應(yīng)力等力學(xué)性能，表明在冠脈支架的虛擬置入中考慮斑塊的存在具有重要作用。

冠脈支架虛擬置入中，冠脈的三維模型應(yīng)根據(jù)患者病變血管盡可能真實地重建出個體化模型。冠脈壁的材料本構(gòu)關(guān)系直接影響其應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)。根據(jù)血管的本構(gòu)關(guān)系具有典型的分層結(jié)構(gòu)，冠脈壁主要包括3個部分，分別是外膜層、中膜層和內(nèi)膜層，各層的細胞種類不同，對應(yīng)力刺激的反應(yīng)也不相同；此外，根據(jù)冠脈患病程度，血管壁中所含斑塊類型和大小是不可忽略的。斑塊組成成分復(fù)雜，力學(xué)性質(zhì)差異性顯著，特別是鈣化和非鈣化斑塊，可能導(dǎo)致在支架過程中具有復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變場。

3 分叉模型

最近，諸如冠脈分叉等復(fù)雜幾何形狀支架置入也很受重視。歐洲分叉病變俱樂部專家達成共識[22-23]，指出冠狀動脈分叉占所有經(jīng)皮冠狀動脈介入治療(PCI)的15%～20%，復(fù)雜冠狀動脈病變?nèi)绶植娌∽兊闹委熑匀皇墙槿胄呐K病學(xué)中的一個具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，因為與非復(fù)雜病變相比，成功率較低和再狹窄率較高。有研究在冠脈分叉幾何置入一個或兩個支架，驗證了基于患者醫(yī)學(xué)圖像重建的個體化模型進行的冠脈支架虛擬置入研究是可行的[24]。

Arokiaraj等設(shè)計了一種新型支架用于治療冠狀動脈分叉病變[25]。用直徑為3.2 mm的近端、2.3 mm的側(cè)支和2.7 mm的遠端血管創(chuàng)建了血管分叉模型，設(shè)計了一種在血管分叉處支架由3條直的梁連接的新型支架，并通過有限元分析法對其性能進行了分析。雖然該研究主要注重新技術(shù)的應(yīng)用，但分叉處的應(yīng)力和應(yīng)變顯著小于用于治療分叉病變的現(xiàn)有支架技術(shù)的應(yīng)力和應(yīng)變，為治療冠狀動脈分支病變提供了一種潛在治療方法。 Mortier等[26]通過對球囊對吻擴張術(shù)的改進研究來更好地理解和優(yōu)化主血管必要時支架方法。研究中創(chuàng)建了3個不同的冠脈狹窄分叉模型，應(yīng)用有限元模擬了分支支架在3個模型中部署和擴張過程，用以評估兩種球囊對吻擴張術(shù)式：對照組和改進組。在對照組中，兩個球囊同時充氣和放氣；在改進組中，側(cè)支球囊首先充氣，然后部分放氣，最后是主支球囊充氣。研究顯示，改進組與對照組相比具有較小的管腔狹窄率，減少橢圓形支架變形，并且優(yōu)化了側(cè)支通路。Mortier等[27]通過計算機斷層掃描(CT)成像與血管內(nèi)超聲(IVUS)成像相融合，重建了患者左主干血管分叉部分的三維幾何模型。將支架置入分叉病變的主支后，采用近端優(yōu)化技術(shù)，使用短球囊對主干處支架進行后擴張以消除主干處支架的貼壁不良現(xiàn)象。這項概念驗證研究證明，這種針對分支支架置入患者個體化模型是可行的，并且為冠脈左主干分叉支架技術(shù)和充分的后擴張對血液流動模式的積極影響提供了獨特的見解。Chiastra等[28]基于CT血管造影和常規(guī)冠狀動脈造影(CCA)圖像重建了兩例患者的左前降支冠狀動脈分叉模型，模擬了臨床上支架置入的完整過程，分別置入一個和兩個支架，使用有限元進行計算分析。對于兩例數(shù)值模擬研究得出時間平均壁面剪切應(yīng)力(TAWSS)和相對停留時間(RRT)的結(jié)果表明，更為容易發(fā)生再狹窄風(fēng)險的區(qū)域位于支架梁、血管分叉和雙支架的支架重疊區(qū)域。研究證實了虛擬研究患者個體化冠狀動脈分叉幾何模型的血液動力學(xué)的可行性。將來可以將此研究中提出的局部血液動力學(xué)研究與藥物釋放分析相結(jié)合，應(yīng)用到患者個體化虛擬模型中將有助于更好地預(yù)測支架內(nèi)再狹窄的風(fēng)險。Chen等[29]模擬研究了雙分支支架對已知影響再狹窄和血栓形成的血液動力學(xué)參數(shù)的影響。創(chuàng)建了雙支架在分叉病變和非牛頓血液模擬中的三維計算模型，然后對這些模型進行有限元計算求解。對側(cè)支置入較長和較短的支架與臨床支架置入術(shù)進行了比較。發(fā)現(xiàn)支架位于分叉血管的開口處具有較低壁面剪切應(yīng)力(WSS)，但是壁面剪切應(yīng)力梯度(WSSG)和振蕩剪切指數(shù)(OSI)有所增加。雙分支支架較長側(cè)支架對血管內(nèi)皮WSS、WSSG和OSI影響最大，與較短側(cè)支架相比低WSS區(qū)域多達50%。模擬還證明了由分支支架突出到靠近主干的主流場引起的流動障礙，這可能對支架血栓形成有影響。模擬預(yù)測了側(cè)支支架置入術(shù)的負性血液動力學(xué)作用相當(dāng)于或低于臨床支架置入術(shù)，其在較長的側(cè)支支架中更加明顯，與臨床試驗結(jié)果相一致。

隨著醫(yī)學(xué)和科技的發(fā)展，在今后對復(fù)雜病變的模擬研究將會更為常見和深入，對支架在分叉病變虛擬置入中的力學(xué)參數(shù)更加精確地分析。其中，計算流體動力學(xué)(CFD)是優(yōu)化分析PCI結(jié)果中的常用研究工具，可提供流場的詳細信息，能夠準(zhǔn)確有效地模擬支架內(nèi)血流情況，評估支架性能，預(yù)測支架對再狹窄的影響，對分析支架內(nèi)血流動力學(xué)變化有重要的指導(dǎo)意義。

4 總結(jié)與展望

支架置入已經(jīng)廣泛應(yīng)用于冠心病的治療。但是目前支架置入方案主要依賴于臨床醫(yī)生的經(jīng)驗，而患者間差異性增加了選擇的復(fù)雜程度?；谟邢拊椒ǖ墓诿}支架虛擬置入技術(shù)可以根據(jù)患者個體化數(shù)據(jù)，建立患者個體化動脈模型，真實模擬支架置入過程，以求達到更加真實的模擬，從而獲得的數(shù)據(jù)更加接近臨床數(shù)據(jù)，預(yù)測不同方案的預(yù)后以及可能出現(xiàn)的危險因素，輔助醫(yī)生制定最佳手術(shù)方案，實現(xiàn)支架置入的“精準(zhǔn)醫(yī)療”，具有重要的臨床意義。

為了虛擬置入和術(shù)前模擬具有更加可靠的臨床應(yīng)用價值，還需要對這些數(shù)值模擬研究的預(yù)測能力進行進一步的臨床驗證。筆者認為在接下來的支架虛擬置入的研究中，最佳的方案是：球囊與支架模型需要完全依據(jù)介入治療中所使用球囊-支架系統(tǒng)進行有限元模型的重建；冠脈模型需要根據(jù)患者病變血管進行個體化建模，并且需要注重血管分層結(jié)構(gòu)、分離出斑塊結(jié)構(gòu)和區(qū)分斑塊的性質(zhì)，盡可能真實地重建出血管模型；整個虛擬置入過程遵照醫(yī)師提供的實際臨床案例步驟進行，真實還原支架置入過程。同時冠脈支架虛擬置入技術(shù)還存在模型的重建、有限元分析和后期的數(shù)據(jù)處理所需時間較長等問題，相信隨著介入心臟病專家、生物醫(yī)學(xué)工程師和其他領(lǐng)域的科學(xué)家的多學(xué)科團隊的共同合作與努力，模擬研究所需時間會大大縮減，冠脈支架的虛擬置入會更好地應(yīng)用到臨床研究中。