可降解支架植入后壁厚和桿寬對局部血流動力學(xué)環(huán)境的影響

劉鵬飛，趙昆，王川，張昱昕，趙軒鋮

樂普（北京）醫(yī)療器械股份有限公司 研發(fā)部，北京市，102200

0 引言

支架內(nèi)血栓作為冠脈支架植入后的重要并發(fā)癥，是臨床和學(xué)術(shù)界近年來的研究熱點。血栓形成的原因是多方面的，支架結(jié)構(gòu)設(shè)計是影響血栓形成的主要原因之一[1]。血小板是血栓形成的始動因子[2-5]，其有近壁面區(qū)域集中分布的特性[6]。當(dāng)壁面剪切應(yīng)力低于0.5 Pa，血小板易發(fā)生貼壁粘附[7-9]；而當(dāng)壁面剪切應(yīng)力大于9 Pa，剪切力會誘導(dǎo)中間介質(zhì)血管性血友病因子(von Willebrand Factor,vWF)大量形成，從而導(dǎo)致血小板迅速聚集而形成血栓[10-11]。振蕩剪切應(yīng)力指數(shù)與相對停留時間增大，會促進內(nèi)膜增生與細胞擴散[12-13]，增加血液中脂質(zhì)與栓子和血管壁進行交互的停留時間，更容易導(dǎo)致血栓的形成，從而增大后期并發(fā)癥的發(fā)生概率[14-15]。

完全可降解支架（BRS）具有完全降解，重建血管舒縮功能，恢復(fù)血管彈性，改善患者的長期預(yù)后的優(yōu)勢，被譽為PCI的第四次革命[16]。雅培Absorb BRS支架壁厚與早期臨床研究較高的血栓發(fā)生率相關(guān)[17-19]，引起醫(yī)生和學(xué)者對BRS早期支架內(nèi)血栓的擔(dān)憂和質(zhì)疑。最新Absorb China和樂普NeoVas支架的臨床結(jié)果表明，通過優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)設(shè)計并嚴格使用優(yōu)化后的BRS植入策略（PSP），將會極大降低血栓發(fā)生率，提升可降解支架的安全性。NeoVas支架術(shù)后隨訪表明血栓發(fā)生率分別為0.9%（3年）和0.4%（1年）。

本研究基于樂普NeoVas完全可降解支架嚴格采取PSP植入策略的前提，根據(jù)支架植入即刻OCT數(shù)據(jù)建立流場模型，利用有限元方法研究NeoVas支架植入后壁厚、桿寬和血管直徑因素對其血流動力學(xué)的影響，探究其與血栓形成的關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 流體模型的三維重建及模型參數(shù)確定依據(jù)

根據(jù)NeoVas生物可吸收冠狀動脈雷帕霉素藥物洗脫支架系統(tǒng)的隨機對照試驗，進行OCT亞組研究，隨訪植入即刻、1年與3年后OCT圖像（如圖1），測量植入即刻87位患者OCT影像支架絲暴露在血管中的厚度與支撐段血管直徑（如表1所示）。臨床中NeoVas支架壁厚范圍為0.13～0.21 mm，平均壁厚為0.17 mm，同時計算出薄壁支架（支架壁厚為0.13 mm）相關(guān)參數(shù)。在可降解支架材料屬性不變的情況下，通過有限元模擬分析與實際測量可降解支架徑向支撐力發(fā)現(xiàn)[20-22]，NeoVas支架的徑向支撐力與支撐單元桿寬的關(guān)系為二次方正相關(guān)，徑向支撐力與支架壁厚呈一次方線性正相關(guān)。

圖1 NeoVas支架與植入即刻、1年后內(nèi)皮化與植入3年后完全降解OCT圖片F(xiàn)ig.1 The NeoVas stent image and the OCT images of Neo Vas stent implantation immediately,endothelialization after 1 year and complete degradation after 3 years

表1 血管直徑與支架絲暴露厚度數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(mm)Tab.1 Statistics of blood vessel diameter and stent filament exposure thickness

國內(nèi)外對支架植入后的血流動力學(xué)環(huán)境的研究大部分均忽略支架絲嵌入血管內(nèi)的部分[3-4]，支架絲暴露于血液中的厚度與桿寬是引起支架植入后血流動力學(xué)變化的主要因素。根據(jù)患者OCT與支架幾何結(jié)構(gòu)使用soliderworks三維重建8種類型支架植入后的流體模型。

1.2 模擬計算與邊界條件

1.2.1 控制方程

有限元模擬計算使用的血液流動控制方程為三維不可壓縮N-S（納維-斯托克斯）方程組[23]：

公式中u和p分別代表速度矢量和壓力，ρ和μ是血液的密度（1 050 kg/m3）和粘度（0.003 5 kg/(m.s)）[5]。

后處理使用ANSYS Fluent 15.0軟件模擬計算得到數(shù)據(jù)，根據(jù)下面公式來編寫特定的Matlab程序來自動處理數(shù)據(jù)[24]。時間平均剪切應(yīng)力（TAWSS）是一個完整心動周期的壁面剪切應(yīng)力（WSS）的平均值，時間平均剪切應(yīng)力的公式為：

公式中T為一個心動周期，WSS為瞬時壁面剪切應(yīng)力矢量。

振蕩剪切力指數(shù)（OSI）是描述血管內(nèi)壁所受剪切力方向變化的衡量參數(shù)。OSI的公式為：

相對停留時間（RRT）是用來定義近壁的物質(zhì)的停留時間。RRT的公式為：

1.2.2 邊界條件

根據(jù)文獻中血管狹窄患者冠狀動脈左前降支脈動血液流量圖設(shè)定血管入口速度[25-26]。不同直徑血管計算相對應(yīng)的血液流速，入口處設(shè)置為相對應(yīng)的脈動流血液流速情況，設(shè)置雷諾數(shù)為270[27]。計算模型的血管壁面及支架表面，均采用固壁、無滑移邊界條件[28-29]。

2 結(jié)果分析

2.1 不同壁厚和直徑可降解支架植入血管后對局部血流動力學(xué)環(huán)境的影響

2.1.1 血液流速與渦流面積分析

如圖2速度云圖與跡線所示，不同壁厚支架植入相同直徑血管后速度與跡線基本不會發(fā)生明顯變化。并且均隨著植入處血管直徑增大，平均血流速度減小。流速分析發(fā)現(xiàn)，0.17 mm壁厚的支架植入2.25 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm血管的平均血流速度分別為0.374 5 m/s、0.332 9 m/s、0.211 7 m/s、0.171 2 m/s，對比同血管直徑薄壁支架平均血流速度降低0.11%、0.20%、0.09%和0.05%，差值隨著直徑增大而縮小。

圖2 不同規(guī)格支架植入后血管剖面速度云圖及跡線局部放大圖Fig.2 Velocity cloud map and local enlarged streamlines in vascular section after implanting stent with different specifications

如圖3所示，不同壁厚支架渦流面積都隨著植入血管直徑增大而迅速減小，渦流面積差值越來越小。0.17 mm壁厚支架在植入血管直徑大于2.5 mm時有更小的渦流面積，且植入血管直徑為3.5 mm時的渦流面積比2.25 mm時降低了68%，而薄壁支架只降低了36%。當(dāng)植入處血管直徑小于2.5 mm時，0.17 mm壁厚支架渦流面積增大比薄壁支架更明顯。

2.1.2 壁面剪切應(yīng)力與時間平均剪切應(yīng)力

如圖4所示，對比0.17 mm壁厚支架平均壁面剪切應(yīng)力，薄壁支架整體壁面剪切應(yīng)力更大，特別是當(dāng)血管直徑小于2.5 mm時，壁面剪切應(yīng)力大于9 Pa與小于0.5 Pa分布面積更大。不同壁厚支架平均壁面剪切應(yīng)力均隨著植入血管直徑增大而明顯減?。谎苤睆皆酱?，不同壁厚支架整體壁面剪切應(yīng)力越趨于安全范圍，兩者差值越小。

圖3 支架植入后渦流面積與血管直徑趨勢圖Fig.3 The vortex area and vessel diameter after BRS implantation chart

圖4 支架植入平均壁面剪切應(yīng)力與血管直徑趨勢圖Fig.4 The average wall shear stress and vessel diameter after BRS implantation chart

如圖5所示為支架植入后危險區(qū)域占比（時間平均壁面剪切應(yīng)力小于0.5 Pa與大于9 Pa的分布面積占總體支架植入?yún)^(qū)域面積的百分比）與血管直徑趨勢圖。0.17 mm壁厚支架在植入血管直徑為2.25、2.5與3.5 mm時危險區(qū)域占比均小于同等條件下的薄壁支架，差值最大為7.05%。兩種支架類型的整體危險區(qū)域占比，均隨著植入處血管直徑增大快速降低。0.17 mm壁厚支架植入處血管直徑由2.25 mm變?yōu)?.5 mm時，危險區(qū)域占比將降低71%。當(dāng)植入處血管直徑小于2.5 mm，薄壁支架危險區(qū)域占比更明顯增大。

2.1.3 振蕩剪切應(yīng)力指數(shù)和相對停留時間

如表2所示，不同規(guī)格NeoVas支架的平均振蕩剪切應(yīng)力指數(shù)整體數(shù)值均很低，低于0.000 7；不同壁厚支架OSI均隨著血管直徑增大而減小。不同厚度支架植入同等直徑血管OSI基本無差別。植入相同直徑的血管，對比0.17 mm壁厚支架，薄壁支架的相對停留時間數(shù)值更大。

圖5 支架植入后時間平均壁面剪切應(yīng)力危險區(qū)域占比與血管直徑趨勢圖Fig.5 The TAWSS dangerous area and vessel diameter after BRS implantation chart

表2 平均振蕩剪切應(yīng)力指數(shù)和平均相對停留時間Tab.2 The average OSI and RRT

3 結(jié)論

本研究根據(jù)患者OCT數(shù)據(jù)重建支架植入后模型，利用有限元方法對比兩種不同壁厚設(shè)計可降解支架植入后血流動力學(xué)環(huán)境。基于模擬計算與臨床實際數(shù)據(jù)，研究支架壁厚、桿寬與直徑對血流動力學(xué)環(huán)境的影響，及其與血栓形成的關(guān)系。

（1）不同壁厚的NeoVas支架植入相同直徑后不會造成局部血流動力學(xué)環(huán)境顯著變化；血管直徑變化所導(dǎo)致局部血流動力學(xué)變化遠遠大于壁厚與桿寬變化。

（2）在植入血管大于2.5 mm時，0.17 mm壁厚可降解支架比薄壁支架有更好的血流動力學(xué)環(huán)境，其壁面剪切應(yīng)力、危險區(qū)域占比與渦流面積比薄壁支架值更小，有更低的血栓形成概率。即在同等支撐力條件下，厚壁窄桿比薄壁寬桿有更好的血流動力學(xué)環(huán)境。

（3）有限元模擬結(jié)果與臨床中NeoVas支架較低的血栓發(fā)生率相符合，RCT 1年與3年隨訪血栓發(fā)生概率僅為0.4%與0.9%，OCT（1 098例）2年隨訪血栓發(fā)生概率僅為0.8%，對照組Xience支架1年與3年隨訪血栓發(fā)生率為0.35%與0.7%。

（4）在植入血管小于2.25 mm時，不同壁厚支架相關(guān)血流動力學(xué)參數(shù)互有優(yōu)勢，但是整體壁面剪切應(yīng)力、危險期區(qū)域占比及渦流面積均會顯著增大，血流動力學(xué)環(huán)境會更加惡劣，從而增大血栓等不良事件發(fā)生的概率，與臨床發(fā)現(xiàn)相符合。根據(jù)血流動力學(xué)模擬分析與臨床效果可以看出目前可降解支架的桿寬與壁厚應(yīng)避免小直徑血管植入使用。