建立及評(píng)價(jià)適于血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)CT成像模擬的小型豬慢性冠狀動(dòng)脈狹窄模型

馬 躍，侯 陽(yáng)*，李東玉，劉興利，喬愛科，侯映映，王玉科，郭啟勇>

(1.中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放射科，2.心臟外科，3.第3心血管內(nèi)科，遼寧 沈陽(yáng) 110004；4.北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124；5.遼寧省人民醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

研究[1-5]顯示，血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)CT成像(fractional flow reserve derived from coronary computed tomography angiography， FFRCT)可實(shí)現(xiàn)對(duì)冠狀動(dòng)脈解剖學(xué)狹窄及功能性缺血的一站式評(píng)估。建立可用于FFRCT模擬研究的慢性冠狀動(dòng)脈狹窄動(dòng)物模型,對(duì)于明確不同狹窄時(shí)血流動(dòng)力學(xué)變化及模擬靶血管兩端邊界條件的設(shè)置具有重要意義。本研究擬采用Ameroid縮窄環(huán)制備慢性冠狀動(dòng)脈狹窄模型，并通過冠狀動(dòng)脈CTA監(jiān)測(cè)狹窄進(jìn)展，探討制備適合用于FFRCT動(dòng)物模型的可行性。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象 健康巴馬小型豬16頭，雌雄不限，體質(zhì)量22～30 kg，平均(25.1±2.5)kg，由我院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。Ameroid 縮窄環(huán)直徑2.5 mm，外環(huán)為硬塑料。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)我院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審核通過(2013PS96K)。

1.2 模型建立 將實(shí)驗(yàn)豬保定于手術(shù)臺(tái)，經(jīng)藥物誘導(dǎo)麻醉后，以氣管插管、呼吸機(jī)輔助呼吸及異氟烷吸入維持麻醉；開胸后，游離冠狀動(dòng)脈左前降支(left anterior descending artery， LAD)近段或中段約0.5～1.5 cm(避開第1對(duì)角支)后植入Ameroid環(huán)，調(diào)整環(huán)的位置使其位于左心耳和肺動(dòng)脈間溝；確認(rèn)無活動(dòng)出血后關(guān)胸、正常飼養(yǎng)。模型建立后第2周對(duì)模型動(dòng)物進(jìn)行冠狀動(dòng)脈CTA，如管徑狹窄(diameter stenosis， DS)<25%則監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為1周，如25%≤DS<50%則監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為3天，直至DS超過50%。最后1次冠狀動(dòng)脈CTA當(dāng)日進(jìn)行超聲檢查，2日內(nèi)進(jìn)行冠狀動(dòng)脈造影及血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)(fractional flow reserve， FFR)測(cè)定。

1.3 影像學(xué)檢查

1.3.1 冠狀動(dòng)脈CTA 采用Philips Brilliance 256 iCT，回顧性心電門控掃描。以高壓注射器經(jīng)耳緣靜脈注射對(duì)比劑(碘海醇 350mgI/ml)35 ml，速率3 ml/s，跟注生理鹽水15 ml沖管。管電壓100 kV，管電流200～600 mAs，準(zhǔn)直128×0.625 mm、重建層厚0.9 mm，采用自動(dòng)閾值觸發(fā)掃描。ROI置于升主動(dòng)脈。30%～80% R-R間期10%為間隔重建，選取圖像質(zhì)量最佳時(shí)相進(jìn)行分析，觀察Ameroid環(huán)位置和冠狀動(dòng)脈狹窄程度。

圖像質(zhì)量及冠狀動(dòng)脈狹窄程度由2名工作經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)師采用盲法獨(dú)立評(píng)價(jià)，意見不統(tǒng)一時(shí)協(xié)商解決。冠脈CTA圖像質(zhì)量以4分法評(píng)定[6]：1分，無偽影；2分，少許偽影；3分，基本滿足診斷要求；4分，無法評(píng)價(jià)。冠狀動(dòng)脈狹窄程度采用目測(cè)法分為5級(jí)[7]：輕微狹窄(DS<25%)、輕度狹窄(25%≤DS<50%)、中度狹窄(50%≤DS<70%)、重度狹窄(70%≤DS<99%)及次全-完全閉塞(DS為99%～100%)。

基于冠狀動(dòng)脈CTA圖建立計(jì)算流體力學(xué)模型并計(jì)算FFRCT值(由北京工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室完成)，步驟見圖1。原始CTA數(shù)據(jù)經(jīng)Mimics、Geomagic、SolidWorks處理后，采用ANSYS Workbench進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，輸入端施加冠狀動(dòng)脈入口流速波形，出口端施加壓力波形，心動(dòng)周期按實(shí)際測(cè)量值確定。采用ANSYS提供的CFD求解器進(jìn)行迭代計(jì)算，經(jīng)后處理，獲得可視化壓力云圖，對(duì)FFRCT值進(jìn)行計(jì)算。模擬FFRCT=最大充血態(tài)全心動(dòng)周期狹窄遠(yuǎn)端平均壓(Pd)/全期主動(dòng)脈根部平均壓力(Pa)。

1.3.2 冠狀動(dòng)脈血管造影 采用Siemens Axiom Aritis DTA心血管造影數(shù)字減影機(jī)。5F導(dǎo)管手動(dòng)注入威視派克270 mgI/ml，10 ml，行左冠狀動(dòng)脈造影，冠狀動(dòng)脈狹窄評(píng)定程度同冠狀動(dòng)脈CTA。冠狀動(dòng)脈造影后，采用微量泵通過耳緣靜脈注射ATP 140 μg/(kg·min)，誘發(fā)冠狀動(dòng)脈最大充血穩(wěn)態(tài)，用導(dǎo)管Volcano S5(Volcano公司)行冠狀動(dòng)脈FFR測(cè)定，5 min后重復(fù)測(cè)量，取均值。

圖1 基于冠狀動(dòng)脈CTA圖像建立計(jì)算流體力學(xué)模型及FFRCT值的計(jì)算過程

1.3.3 超聲檢查 采用Philips iU22超聲診斷儀。待實(shí)驗(yàn)豬全身麻醉后取左側(cè)臥位，在胸骨旁LAD入口處選取垂直于血管長(zhǎng)軸方向測(cè)量血流速度波形并保存。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用 SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。FFRCT值與實(shí)測(cè)FFR值比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 建模結(jié)果 共16頭實(shí)驗(yàn)豬(編號(hào)1～16)中，對(duì)15頭(編號(hào)1～4、6～16)成功將縮窄環(huán)放置于LAD近段或中段，對(duì)另1頭(編號(hào)5)開胸后即發(fā)現(xiàn)冠狀動(dòng)脈變異、未找到LAD。成功放置縮窄環(huán)的15頭實(shí)驗(yàn)豬中，1頭(編號(hào)1)死于術(shù)中心室顫動(dòng)，2頭(編號(hào)2、11)死于術(shù)后早期(2周內(nèi))狹窄冠狀動(dòng)脈急性痙攣所致的心肌缺血，1頭(編號(hào)6)死于術(shù)后早期(2周內(nèi))重癥肺炎，1頭(編號(hào)7)死于術(shù)后第4周冠狀動(dòng)脈造影檢查時(shí)的麻醉意外。其余10頭(編號(hào)3、4、8～10、12～16)均成功建模，并存活至完成影像學(xué)檢查，成功率為62.50%(10/16)。

2.2 影像學(xué)檢查結(jié)果 對(duì)10頭成功建模實(shí)驗(yàn)豬共完成冠狀動(dòng)脈CTA檢查24次，圖像質(zhì)量均達(dá)到診斷要

求(1分17次，2分7次)。冠狀動(dòng)脈CTA顯示，術(shù)后第2周LAD均呈輕微狹窄，隨時(shí)間延長(zhǎng)，狹窄程度逐漸加重，術(shù)后第3周9頭實(shí)驗(yàn)豬狹窄>50%，術(shù)后第4周其余1頭狹窄>50%。以最后1次CTA檢查與冠狀動(dòng)脈造影進(jìn)行對(duì)比，兩者的狹窄程度符合率為100%(表1，圖2)。對(duì)10頭實(shí)驗(yàn)豬中9頭獲得FFR值，另1頭因完全閉塞導(dǎo)絲未通過閉塞處，F(xiàn)FR值為0(表1)。

2.3 模型血流動(dòng)力學(xué)模擬可靠性驗(yàn)證 通過計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)10頭實(shí)驗(yàn)豬均成功建模并獲得FFRCT值(表1，圖2)。FFRCT值為0.65±0.27、實(shí)測(cè)FFR值為0.59±0.28，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-1.13，P=0.29)。

表1 實(shí)驗(yàn)豬LAD冠狀動(dòng)脈CTA及冠狀動(dòng)脈造影檢查

注：LAD近、中段平均直徑為冠脈CTA圖像中測(cè)量實(shí)驗(yàn)豬LAD近段與中段(非環(huán)處)的直徑并計(jì)算二者的平均值

圖2編號(hào)5的動(dòng)物模型，實(shí)驗(yàn)豬體質(zhì)量23 kg，術(shù)后22天冠狀動(dòng)脈CTA顯示LAD中段狹窄約80%狹窄(A)，并經(jīng)冠脈造影檢查證實(shí)(B)，F(xiàn)FR實(shí)測(cè)值為0.62(C)，F(xiàn)FRCT值為0.76(D)，置縮窄環(huán)處血管腔變小、壁增厚(E) (箭示LAD中段狹窄)

3 討論

本研究將Ameroid縮窄環(huán)置于巴馬小型豬LAD近段或中段，可有效建立適用于FFRCT研究的慢性冠狀動(dòng)脈狹窄模型，成功率較高。模型的冠狀動(dòng)脈CTA圖像質(zhì)量符合診斷及建立血流動(dòng)力學(xué)模型的要求。本研究基于冠狀動(dòng)脈CTA圖像得出的計(jì)算流體力學(xué)模擬指標(biāo)FFRCT值與實(shí)測(cè)FFR值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-1.13，P=0.29)，表明模型可靠性好。

參照既往研究[8]，本研究選用小型豬作為建模對(duì)象，冠狀動(dòng)脈CTA圖像質(zhì)量可滿足定量分析要求。既往[9-12]研究中，通過Ameroid縮窄環(huán)建立模型時(shí)多選用左回旋支(left circumflex, LCX)，因?yàn)樾⌒拓iLCX支配的心肌有相對(duì)多的側(cè)支循環(huán)，當(dāng)其發(fā)生狹窄后不易造成猝死，動(dòng)物存活率較高、存活時(shí)間較長(zhǎng)，但其缺點(diǎn)是位置較深不易分離，側(cè)支循環(huán)血管較多，易引起分離時(shí)出血及靶血管周圍炎性粘連，且管徑相對(duì)較小，不利于影像學(xué)觀察。本實(shí)驗(yàn)采用小豬LAD建模，避免了上述缺點(diǎn)，提高了靶血管的CTA圖像質(zhì)量，且不易形成側(cè)支循環(huán)，慢性心肌缺血模型更易形成，且小型豬LAD管徑較粗，更適用于冠狀動(dòng)脈CTA觀察；同時(shí)，Ameroid縮窄環(huán)外層材料選擇塑料結(jié)構(gòu)，避免CTA圖像中金屬偽影干擾。

祝曙光等[13-14]研究表明，Ameroid縮窄環(huán)建立模型時(shí)，靶血管通常在4～6周達(dá)到重度狹窄甚至閉塞。本研究旨在制作可引起心肌缺血的中、重度狹窄模型，故通過冠狀動(dòng)脈CTA監(jiān)測(cè)靶血管狹窄進(jìn)展時(shí)，起始時(shí)間設(shè)定為第2周。同時(shí)，為避免靶血管閉塞無法進(jìn)行FFR測(cè)量，根據(jù)前次血管狹窄程度為輕微或輕度狹窄，分別設(shè)定重復(fù)檢查時(shí)間間隔為1周或3天；結(jié)果表明通過CTA監(jiān)測(cè)90%的靶血管被成功制成中、重度狹窄，其中存在血流動(dòng)力學(xué)障礙血管占66.67%，且90%的成模時(shí)間為3周內(nèi)。本研究還發(fā)現(xiàn)，開胸手術(shù)操作的輕柔度、術(shù)后預(yù)防感染及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的個(gè)體差異均可影響靶血管的狹窄程度及速度，其中Ameroid縮窄環(huán)與靶血管直徑的匹配度影響較為重要。本研究靶血管均選用直徑為2.5 mm的Ameroid縮窄環(huán)，其中1頭實(shí)驗(yàn)豬LAD直徑為2.0 mm，明顯小于縮窄環(huán)直徑，其在第4周狹窄程度才>50%；1頭實(shí)驗(yàn)豬靶血管于第3周進(jìn)展為完全閉塞，可能與其直徑稍大于縮窄環(huán)直徑及個(gè)體差異有關(guān)，還需要進(jìn)一步大樣本實(shí)驗(yàn)來補(bǔ)充和完善相關(guān)數(shù)據(jù)。

本研究建模成功率較高，與術(shù)中無菌操作及術(shù)后重視預(yù)防感染有關(guān)；僅1頭實(shí)驗(yàn)豬于術(shù)后13天死于重癥肺炎。有學(xué)者推薦[15]建模后連續(xù)肌注青霉素(400萬U)3天預(yù)防感染。

本研究顯示，模擬指標(biāo)FFRCT值與造影實(shí)測(cè)的FFR值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究動(dòng)物模型的冠狀動(dòng)脈CTA圖像符合血流動(dòng)力學(xué)模擬研究的要求，可用于模擬冠狀動(dòng)脈病變時(shí)血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的研究。同時(shí)，通過模擬FFRCT值可進(jìn)一步評(píng)價(jià)動(dòng)物模型是否存在心肌缺血，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物模型靶血管的解剖形態(tài)學(xué)及血流動(dòng)力學(xué)一站式評(píng)價(jià)，使模型制作更準(zhǔn)確、更符合研究需求。

本研究的局限性：①模擬FFRCT時(shí)，邊界條件中靶血管入口處流速為超聲實(shí)測(cè)波型，增加了建模的復(fù)雜程度，建模時(shí)間較長(zhǎng)(約4 h)，有待進(jìn)一步簡(jiǎn)化；②樣本量較少，靶血管的狹窄程度及速度尚不能精確控制，有待進(jìn)一步增大樣本研究。

總之，Ameroid縮窄環(huán)置入巴馬小型豬LAD近段或中段，并通過冠狀動(dòng)脈CTA監(jiān)測(cè)靶血管狹窄程度及進(jìn)展，可制備出符合血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)CT成像研究的慢性冠狀動(dòng)脈狹窄模型，為進(jìn)一步分析冠狀動(dòng)脈不同程度狹窄時(shí)血流動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律及流體力學(xué)建模邊界條件的設(shè)置奠定基礎(chǔ)。

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