基于影像的计算流体力学在冠状欢乐斗牛在线玩
栏目:企业动态 发布时间:2020-05-25 16:15
作家:乔红艳,无锡市第三黎民病院医学影像科;张龙江,东部战区总病院医学影像科 只管对冠状动脉粥样硬化的知道逐渐长远,但冠状动脉疾病仍是环球慢性疾病的最常睹死因,这紧...

  作家:乔红艳,无锡市第三黎民病院医学影像科;张龙江,东部战区总病院医学影像科

  只管对冠状动脉粥样硬化的知道逐渐长远,但冠状动脉疾病仍是环球慢性疾病的最常睹死因,这紧要是因为斑块正在发达中会蓦地碎裂和酿成血栓,以致急性冠状动脉归纳征的产生。因而,长远解析冠状动脉粥样斑块酿成、发达及碎裂的病理机制对付胜利协议新的诊断和调理战略至闭紧要。动脉粥样硬化是一种繁复的编制性疾病,由内皮毁伤、动脉炎症、血活动力学转折和血管重塑等要素惹起。个中,血活动力学要素正在斑块发达、碎裂中的效用慢慢成为近几年的探索热门。

  跟着医学影像本事和流体力学的兴盛及调解,可能运用医学成像下的影像举行生物力学参数的测定,基于CT影像的血流储藏分数(fractionalflowreserve,FFRCT)可能无创评估具有血活动力学道理的冠状动脉病灶,从而提示基于影像的估计打算流体力学(computationalfluiddynamic,CFD)正在评判冠心病中的可行性。本文先容了效用于冠状动脉的生物应力,探求这些要素正在冠状动脉粥样硬化兴盛历程中的机制和效用,并就基于影像的生物力学参数测定的利用发达予以综述,以抬高检测动脉粥样硬化风险区域的才略,从而更好地识别高危斑块及其人群。

  血液正在血管中活动出现周向应力、轴向应力和剪切应力,构成了血管壁团体应力的散布。血液正在血管壁上施加外向压力出现周向应力,这种应力的散布取决于血管壁的力学机能和分层分列。寻常动脉的周向应力匀称散布正在血管壁上,而存正在粥样硬化的动脉,当其应力从较弱区域扩散到较强区域时,血管壁内皮的力学性子产生了很大转移,导致非匀称的压力散布。因而,斑块肩部的周遭血管壁平淡显示出高应力,这往往是斑块碎裂的部位。

  内皮剪切应力(endothelialshearstress,ESS)是血流施加正在血管壁上的切向摩擦力的量度,与流体黏度和流速成正比。血液黏度常近似为与红细胞闭连的常数,而实践上血液常显示出剪切依赖性的黏度转移。血液流速与血管直径成正比,与血流量成反比,其巨细和目标的转折除了导致湍流和逆流外,也会显露分外高ESS和低ESS的区域,这些区域显露内皮毁伤和动脉炎症,酿成动脉粥样硬化斑块的早期转折。

  轴向斑块应力(axialplaquestress,APS)来自于周期性血流和心脏运动的血管纵向拉伸。与剪切应力和周向应力比拟,轴向应力正在体内难以丈量,故对其惹起动脉粥样硬化的现象相对探索得较少。ESS与APS固然都是效用于血管内皮轮廓的生物应力,但两者正在力学特点方面差别很大。ESS并不是一种独立存正在的压力,是血流速率和压力阶差效用于血管轮廓的结果,正在支柱内皮效用方面具有紧要效用,大概与斑块酿成和发达亲切闭连,其被管壁内膜感知并反过来影响寻常内膜效用,同时也影响粥样斑块的酿成和兴盛。

  APS紧要显示为对斑块轮廓的独立存正在的压力,压力值巨大于ESS,假使正在最狭隘的区域且处于充血状况下,ESS已到达最大值,APS的压力值仍为ESS压力值的40倍以上。比来的探索证据APS正在支柱血管稳态和淘汰寻常动脉的团体应力上发扬必定效用。然而,血流受限所出现的沿病灶应力梯度的转折,可导致APS和团体斑块应力增添,大概导致斑块碎裂。

  血管内皮细胞随剪切应力的转移而动态转折,通过内皮细胞跨膜卵白的胞内信号转导编制影响酶的活性、基因转录、卵白质和microRNA的合成,并开释生物活性介质。这些历程调动内皮细胞的组织和效用,影响周遭的细胞境况,转折动脉粥样硬化发达与消退之间的均衡。大白于心理ESS境况的动脉,其内皮组织和无缺性维系完全,细胞呈颀长梭形分列并与活动目标平行,很少有细胞逆向分列。

  心理情景下,ESS可能低浸白细胞黏附分子、炎症介质、血管压缩剂和旁渗出发展因子的外达,同时惹起血管扩张剂、纤维卵白熔化素和抗氧化剂的外达,欢乐斗牛在线玩酿成抗动脉粥样硬化酿成的分子境况。大白于低ESS境况中,内皮细胞的组织和效用失衡,细胞间联贯损坏,内皮细胞变得可能分泌轮回脂质和炎症介质。欢乐斗牛在线玩通过机器转导,低ESS淘汰血管扩张剂、纤维卵白熔化素和抗氧化剂的出现,增添细胞黏附分子、发展因子、血管压缩剂等标识物的外达,导致内皮效用阻碍和急性炎症。这些繁复的互相效用导致慢性炎症、细胞外机闭降解、内皮细胞增殖和凋亡、内膜脂质积攒和氧化、血小板会萃和血栓酿成、斑块复活血管酿成和斑块内出血。跟着工夫的推移,这些历程有助于斑块发展和动脉重塑,并进一步转折ESS的散布。

  动脉重塑紧要蕴涵合适性重塑和病理性重塑。正在寻常的血管中,可能通过缩小或增大血管直径复原心理性ESS,这便是合适性重塑。大白于低ESS的区域平淡经验成纤维细胞和血管滑润肌细胞介导的纤维机闭发展使得血管变窄或重塑,使ESS复原心理秤谌。相反,大白于高ESS的区域往往产生扩张性重塑,导致金属卵白酶和机闭卵白酶介导的内弹性膜碎裂,促使管腔扩张来低浸ESS。

  Eshtehardi等探索证据,大白于低ESS境况的早期非滞碍性斑块通过血管外向重塑来支柱管腔直径并升高ESS;与此相反,大白于高ESS境况的区域显示血管管腔的扩张、斑块厚度的淘汰,以低浸ESS。寻常动脉原委合适性重塑来复原心理的ESS,而大白于低ESS的粥样硬化的动脉则显示出不受统制的炎症和基质降解,导致血管管腔伸张,斑块体积增大,进一步低浸ESS并导致内皮效用阻碍,即所谓病理性重塑。这种反响大概是斑块正在早期发展历程中实验支柱管腔样子,但也大概是内皮毁伤的恶性轮回,导致斑块络续伸张和管腔扩张性重塑。

  一朝血管扩张性重塑受到控制,斑块发展进一步侵吞到管腔,这导致病变近端ESS升高,远端ESS连接低浸,这大概与坏死脂质核和薄纤维帽等斑块易损特点的兴盛相一概。

  病理学探索证据,大的坏死中枢、高的巨噬细胞含量、低的胶原秤谌和薄的纤维帽是易损斑块的特点,大概是斑块碎裂的征兆。然而,比来有探索报道,只要5%的易损斑块与斑块碎裂相闭,证据仅仅依赖斑块样子并缺乏以预测斑块的碎裂。因为生物力学要素插手斑块碎裂,于是大概有助于识别易损斑块。低ESS对易损斑块酿成的效用正在少许动物实行中已获得很好的证据,但正在滞碍性斑块的境况中,高ESS大概会促使易损斑块的发达,导致显露薄纤维帽和斑块担心祥,要是动脉粥样硬化的剪切应力逾越纤维帽的轮廓应力,斑块就会碎裂。

  高ESS介导的斑块担心祥可能通过转折一氧化氮的出现,促使纤维帽的卵白降解;通过转折内皮细胞、滑润肌细胞和巨噬细胞一氧化氮合酶的同工酶的外达,最终抑低由滑润肌合成的细胞外基质。Eshtehardi等探索证据,有症状病人的最大预测斑块应力高于无症状病人,证据高应力的斑块大概更容易碎裂,从而导致血汗管事故。因而,ESS有大概动作斑块碎裂危害评估的有效器械,然而用于危害预测的ESS阈值须要进一步探索。

  固然正在体内正确丈量冠状动脉的生物应力具有离间性,但跟着估计打算机估计打算才略的络续抬高,可能通过估计打算流体动力学模仿其正在体内的散布举行猜度,这是一种数学上近似于组织内液体流场的估计打算设施。CFD可能看作是通过数值求解的设施对流体基础统制方程即毗连方程和Navier-Stokes方程的求解,并设备一系列流体界线条目及进出口,运用估计打算机举行数值模仿估计打算流场散布。最先须要界说几个要素来举行CFD的说明,蕴涵从影像数据中创修正确的三维几何冠状动脉树、冠状动脉心理参数(血流速率和血压)用以酿成加载条目,以及调控血流运动的物理定律的数值估计打算,这是模仿估计打算流体力学参数最基础的因素。

  只管平淡是运用病人特异性的心理和界线条目模仿血流,但大无数CFD模仿照旧假设刚性、静态的血管。但实践中应试虑到血管的弹性和心脏运动,目前已有探索采用有限元说明等设施探索动脉适合性、血管弯曲和心脏压缩的影响。其他的纠正设施蕴涵丈量和纳入更为粗糙的病人特异性界线条目本事(如微血管阻力和侧支血管活动),以及抬高对全血流变学的知道和修模。

  通过现有设施对CFD举行更庄苛的评释是抬高血流流体力学预测才略的另一种设施。比方,横断面说明等本事可能明显抬高繁复血流区域ESS散布的空间分别力;行使互补的动力学参数,如振荡剪切指数、壁剪切应力系数、应力相位角度等。这些步伐可能抬高生物应力正在预测斑块碎裂中的潜能,但其临床合用性和闭连性仍未获得证据。动作一种修模本事,CFD还依赖于简化假设,如将血液假定为具有恒定黏度的牛顿流体。固然牛顿流体假设正在较大动脉的寻常节段是可能接收的,但它正在分叉处病变和狭隘远端的繁复血流评估中大概不无误。

  模仿非牛顿流体的临床闭连性和须要性仍需进一步探索。固然目前显露许众相闭CFD的估计打算设施,但闭于最优模子的设施仍正在络续纠正。比方,有探索扶助行使“真正的”冠状动脉剖解模子,即侧支血管的血流同样须要修模。比来一项基于病人特异性的3D流固耦合(fluid-structureinteraction,FSI)模子的探索,通过为9例病人确立18个基于血管内超声(intravascularultrasound,IVUS)影像的3DFSI模子来获取斑块应力、应变和ESS。

  这种FSI修模圭外具有预设压缩拉伸历程、轮回弯曲和质料各向异性的特性,而且只要少许闭节特点的Navier-Stokes方程式动作统制方程。结果显示,斑块应变和ESS是最优化的预测因子,预测斑块发达的无误度达68.1%。这种可扩展的FSI模子估计打算设施容易、高效、鲁棒,可能联结样子学及生物力学众方面的要素来增添预测模子的无误性,提示此后须要正在生物力学说明和主动化修模方面做出极力,加快其临床利用的转化。因为目前缺乏CFD圭表化模子设施,冠状动脉粥样硬化顶用于形容和量化流体力学的目标显露了异质性,导致差别探索之间的数据解读上存正在少许离间。

  近年来,医学影像兴办兴盛火速,可能得回正确完满的冠状动脉影像。邦外里浩瀚探索者将医学成像下的影像和CFD软件相连结,对冠状动脉的生物力学举行说明,供应壁压力、管壁形变、流速、流线图和ESS等参数。目前许众相闭ESS和动脉粥样硬化的探索多半基于IVUS和有创冠状动脉制影的CFD模子,但这些本事对血管管腔和斑块影像的粗糙组织缺乏足够的分别力。光学联系断层扫描(opticalcoherencetomography,OCT)有较高的分别率(10~15μm),基于OCT-冠状动脉制影影像调解的CFD模子可能对ESS和斑块发达的闭联供应进一步的证据。

  与IVUS和冠状动脉制影的CFD模子比拟,基于OCT的三维血管重修模子已被证据可能有用评估ESS,该探索采用从定量冠状动脉制影重修分支血管以出现病人特异性的冠状动脉树来举行CFD说明,可能校正冠状动脉制影和OCT影像间长度和转动不结婚的题目。其他少许腔内影像本事,如近红外光谱仪可大大拓宽用于斑块构成说明的新闻频谱,固然其不行直接用于基于影像的CFD说明,但所供应的新闻可能与有创性和无创性的影像相连结,重修适合CFD说明的三维估计打算模子。

  比方,基于近红外光谱-IVUS调解影像和众层螺旋CT的重修数据用来说明冠状动脉ESS的散布,证实以羼杂成像和众模态影像本事动作影像根基,正在将来CFD和有限元说明中希望发扬更大效用。其他战略蕴涵重修较长的众分叉的冠状动脉,以更好地解析病变下逛和侧支对上逛和主干血流的效用。Wentzel等探索了基于人群的体模模子对三节段毗连分叉病变的ESS散布,探索显示下逛病变出现巨额的血流再轮回促使上逛区域大白于较低的ESS境况中,要是只确立局灶性病灶的CFD模子,会漏掉这种潜正在的病理血流形式的浮现。这种众发毗连性病变的模子说明可能抬高ESS浮现高危斑块的无误性和特异性。

  跟着对生物力学要素正在动脉粥样硬化中效用机制的长远解析,一项最紧要的临床利用是识别大白于晦气生物力学部位的斑块,预测斑块碎裂的危害,并运用这些新闻向导临床医师做出确切计划。目前探索众行使有创要领(如IVUS、OCT)得回的冠状动脉腔内影像数据评估ESS。

  有文献报道,正在利用剪切应力和管壁样子的血管制影预测冠状动脉疾病的发达和临床了局的PREDICTION探索中,运用冠状动脉制影和IVUS连结重修血管模子,估计打算片面血活动力学参数和斑块特点,评判其正在冠状动脉斑块发达中的效用。结果显示,低ESS是冠状动脉管腔狭隘的独立预测因子,与斑块面积无闭连性。固然恶性心脏事故产生率较低而不行预测ESS对急性冠状动脉归纳征了局的影响,但可能发轫提示评估斑块发达性病变时应试虑血管的生物力学要素。

  比来一项颁布正在欧洲心脏病杂志的探索显示,高APS与斑块因素的转折闭连,导致斑块向担心祥兴盛,而低ESS则与斑块负荷的增添闭连,APS和ESS互相效用配合调控斑块巨细和因素的转折。估计打算流体力学说明设施的前进为利用冠状动脉CT血管成像(coronaryCTangiography,CCTA)数据评估冠状动脉流体力学供应了本事根基。通过估计打算流体力学和血管剖解心理模子的连结,并运用CCTA数据可能模仿估计打算蕴涵流速、压力、压力阶差和FFR等正在内的众种个人化血活动力学参数。目前,行使无创影像数据估计打算冠状动脉ESS的探索较少。

  Choi等通过把估计打算流体力学利用于CCTA来估计打算众个血活动力学参数,探索效用于斑块的血活动力学特点,并探求其与病变几何样子的闭联。结果显示FFRCT、ESS正在病变上下逛区域并无明明差别,而APS散布却有差别。APS散布是病变狭隘部位的奇异特点,并与病变几何特点有很强的闭连性,利用这些血活动力学参数和几何样子目标大概有助于评估将来斑块碎裂的危害和确定冠心病病人的调理战略。

  邦内探索者杨等基于CCTA数据并运用估计打算机仿真本事评判冠状动脉粥样硬化流体力学的转折及其与斑块组成和狭隘水平的闭连性,显示脂质中枢因素负荷与APS具有闭连性;正在效用性狭隘的斑块病变中,APS的升高更为明显,而ESS转移并不明显,提示流体力学要素正在冠状动脉病变的发达和急性冠状动脉事故的产生中起必定效用。

  支架再狭隘和血栓酿成是冠状动脉支架植入术的潜正在致命并发症。冠状动脉安顿支架后,一方面动脉几何式样的转移可能明显转折总共血管的血流,从而转折宏观秤谌剪切应力的散布;另一方面支架自己大概会惹起邻近内皮细胞效用纷乱,侵扰小限制内的血流,酿成所谓的微扰流。这种宏观和微观的扰流不但对支架血栓酿成和再狭隘的兴盛有影响,况且对新的内膜愈合和血管重塑也有影响。

  越来越众的探索证据,正在动脉粥样硬化斑块的支架植入术中,低ESS归并抗血小板调理缺乏、支架不无缺或扩张不全等病人闭连的风险峻素大概会导致支架再狭隘和血栓酿成。Koskinas等提出ESS与新的内膜增生、支架内血栓酿成的地位和发达具有闭连性,提示临床医师正在安顿支架时应试虑适宜的支架类型和地位,向导个人化的调理战略,以低浸后期支架再狭隘和血栓酿成的大概性。

  目前常用的金属药物洗脱支架固然临床成就优良,但其最大的缺陷是万世性存正在。生物可罗致质料是支架本事的一个奔腾,它可能完毕血管支架的暂且效用,助助血管愈合、安祥,然后罗致和消亡。Thondapu等的探索证据血活动力学是影响可罗致支架了局的紧要要素,识别低ESS和高血液黏度的血管内区域有助于解析可罗致支架的血栓酿成、新内膜发展和血管愈合的机制,该探索纳入7例病人的7个病灶并举行5年随访,结果显示,低ESS区域明明淘汰(15.92%和4.99%),血液黏度明明减低(4.30和3.21)。大概的机制是正在支架植入早期片面血活动力学纷乱促使了复活内膜的增生,晚期跟着支架的降解,心理性ESS区域复原,血液黏度低浸,血管管腔伸张。

  正在高危害人群中识别出大概导致将来心脏事故的冠状动脉病灶,可能向导临床采纳有用的防守步伐,低浸冠心病的弃世率。大无数急性冠状动脉归纳征由薄的纤维帽惹起,须要一系列影像查验来确定斑块的剖解和组织。然而,个人斑块的样子及演变举动的差别性很大,基于斑块剖解特点举行风险评估的阳性预测值很低,缺乏以供应健壮的证据。低ESS是有力的促炎性和促动脉粥样的刺激因子,其连接存正在与冠状动脉斑块产生、兴盛及失稳闭连。

  Stone等探索低ESS是否是欧美高危害人群恶性心脏事故产生的独立预测因子,共纳入PROSPECT实行(为冠状动脉事故的预测因子供应区域观测的实行)中的97例急性冠状动脉归纳征病人,悉数3支血管均行IVUS查验,并与定量冠状动脉制影调解举行三维血管重修估计打算ESS。结果显示,与具有心理性ESS病灶比拟,低ESS病灶与将来的血汗管事故强闭连(危害比为4.34);无论高危害照旧低危害的剖解特点,没有低ESS的病灶,正在原委3年随访期内则没有显露心脏事故。

  比来一项基于CT血管成像的无创血活动力学评估的探索证据,与仅具有高危剖解特点或高危流体力学特点的斑块比拟,具有高危剖解和血活动力学特点的斑块发达成为急性冠状动脉归纳征的危害明明增大(危害比分散为3.22和11.75)。高危流体力学特点连结剖解特点的危害评估,能大幅抬高高危斑块发达为恶性心脏事故的预测才略,抬高高危害人群的风险分层。

  总之,生物力学要素正在冠状动脉斑块酿成、发达和碎裂中有紧要的效用,基于影像的估计打算流体力学有助于评估冠状动脉生物应力状况。跟着估计打算机本事的络续兴盛并与医学生物学更广博的连结,运用无创影像数据评估血活动力学参数的本事将成为物色冠状动脉粥样硬化斑块酿成、发达机制以及预测粥样斑块转归的有用要领,对动脉粥样硬化的预警、诊断及最佳调理办法的抉择起着紧要的向导效用。

  起原:范晓媛,冯逢.动脉自旋记号MRI本事正在烟雾病中的利用[J].邦际医学放射学杂志,2019,42(06):668-672.