基于非牛顿流体的体外反搏下冠状动脉血流动力学研究 (1).pdf

基于非牛顿流体的体外反搏下冠状动脉血流动力学研究赵 艺1,陈 熹2 1.哈尔滨工业大学(深圳)教务部,广东深圳 518055;2.首都医科大学生物医学工程学院,北京100069摘 要 目的:基于心血管患者的冠状动脉血管模型与血液的非牛顿黏性特征,通过计算和分析血管内血液流动的各个动力学参数,探讨增强型体外反搏对冠状动脉狭窄处血流动力学的影响。方法:基于心血管患者冠状动脉造影的 CT 图像,用 Mimics 软件对左冠状动脉及其主要分支进行三维重建;利用有限元方法,对冠状动脉模型进行流体力学计算。假设血管壁不发生变形,血液为不可压缩流体,血液黏性符合非牛顿流体规律,分别计算在体外反搏前和处于体外反搏时,在非定常速度进口的条件下的血流动力学参数的变化规律。结果:相对于体外反搏前,在体外反搏时,流线中的回流和二次流基本消失,而且在狭窄处下游,壁面剪切应力明显变大,振荡剪切指数明显变小。结论:体外反搏特征对冠脉血流动力学特征有重大改善,可以起到辅助治疗心血管疾病的作用。关键词 动脉粥样硬化;冠状动脉狭窄;非牛顿流体;体外反搏;血流动力学基金项目:国家自然科学基金青年项目项目编号:11802187;广东省基础与应用基础研究基金项目项目编号:2019A1515111178通讯作者:陈 熹The improvement of hemodynamics index of coronary arteries during Enhanced External Counterpulsation in patients with coronary heart disease based on non-Newtonian fluid ZHAO Yi1,CHEN Xi2 1.Department of ac-ademic affairs,Harbin Institute of Technology(Shenzhen),Shenzhen 518055,China;2.School of Biomedical Engineering,Capital Medical University,Beijing 100069,ChinaAbstract:Objective Based on the coronary artery model of cardiovascular patients and the non-Newtonian fluid of blood,the effects of Enhanced External Counterpulsation(EECP)on the hemodynamics of coronary artery stenosis were studied by calculating and analyzing various dynamic parameters of blood flow in the blood vessels.Method Based on CT images of coronary angiography in car-diovascular patients,3D reconstruction of the left coronary artery and its main branches was performed using Mimics software;Fluid mechanics calculation of coronary artery model was carried out by using finite element method.Assuming that the vessel wall does not deform,the blood is incompressible fluid,and the blood viscosity conforms to the law of non-Newtonian fluid,calculate the change of hemodynamic parameters under the condition of unsteady velocity inlet before and during EECP,respectively.Results Compared with that before EECP,during EECP,the vortex and secondary flow in the streamline disappeared,and the time-averaged wall shear stress(TAWSS)significantly increased and the oscillatory shear index(OSI)significantly decreased downstream of the stenosis.ConclusionEECP have a significant improvement in coronary hemodynamic characteristics,these findings have important implications on EECP as adjuvant therapy before or after percutaneous coronary intervention(PCI)in patients with diffuse atherosclerosis.Key Words:Atherosclerosis;Coronary artery stenosis;Non-Newtonian fluid;Enhanced External Counterpulsation;Hemody-namics 弥漫性冠状动脉粥样硬化是心血管疾病中最常见的一种,经常伴随其他病症,如脂蛋白等,严重危害着人类的生命健康1-2。冠状动脉狭窄(尤其是面积狭窄在 75%以上的狭窄)会导致心肌供血不足,心肌湍流杂音,进而导致动脉粥样硬化等各种心血管疾病,对临床诊断和治疗有重要意义3-4。血液黏度也可能会导致心血管疾病死亡风险增加,在临床检验、病兆诊断上都具有一定的意义5-6。而在心血管血流动力学模拟的研究中,前人往往都忽略了血液的非牛顿黏性特征。增强型体外反搏(EECP)在心血管疾病的辅助治疗方面的应用越来越广泛7-9,可以辅助血小板的聚集10,辅助降低顽固性心绞痛患者的血压11,尤其是对老年人的心血管疾病辅助治疗有重大帮助12,甚至对心力衰竭患者有一定的辅助治疗作用13。然而,目前对于体外反搏的血流动力学研究往往将血液简化为牛顿流体,忽略了血液的黏性作用14-16。本文基于心血管患者的 CT 造影,基于血液非牛顿流体的黏性特征,利用三维图像重建和有限元分析的方法,探讨体外反搏对冠状动脉狭窄条件下各流体力学参数的影响,说明体外反搏有助于心血管疾病的精确诊断和辅助治疗。8633吉林医学 2023 年 12 月第 44 卷第 12 期1 资料与方法1.1 资料:本文所用 CT 胸部造影图片来自北京市北京大学第三医院某诊断为动脉粥样硬化的患者,是在获得了患者的知情同意下使用的。1.2 方法:将 CT 图片导入到 Mimics 软件(Materi-alise,10.01)中,对左冠状动脉 包含左前降支(LAD)和左回旋支(LCx)及其主要分支进行三维重建。从 Mimics 软件中,用 STL 格式文件输出,导出到 ICEM 软件中(ANSYS,14.5)进行有限元网格划分(非结构化网格)。将网格导入 Fluent 软件(AN-SYS,14.5)计算,假设血液为不可压缩流体,密度为1 060 kg/m3,牛 顿 流 体 假 设 下 的 黏 度 为0.004 5 kg/ms。在非牛顿 Carreau 流体假设下,流体的表观黏度可写为17:=+(0-)1+()(n-1)/2 (1)其中 为血液的表观黏度,和 0分别为血液在剪切率为无穷大和 0 时的黏度,=0.25 kg/(ms),0=0.002 5 kg/(ms),为剪切率,为黏度随剪切率变化的时间常数(=25s),n=0.25为非牛顿流体的幂律指数。血液的雷诺数为 Re=vD/,其中 为流体密度,v 为流体的速度,D 为圆管内径,为流体黏度或表观黏度。基于本研究的假设,血液的雷诺数约为 600,因此血液流动可假设为层流。血液流动计算基于三维、非定常、不可压缩纳维斯托克斯方程:vt+vv=-p+v (2)以及连续性方程:v=0 (3)其中,v 为速度矢量,t 为时间,p 为压强。为了获得真实的肱动脉压力波,我们用软件进行了脉搏波分析(SphygmoCor Version 9,AtCor Medi-cal Pty.Ltd,Australia)。在 EECP 治疗之前和期间对患者进行了测量,肱动脉搏动产生的压力振荡会传递到肱动脉血压袖带,由传感器测量,然后输入微处理器,计算机软件记录肱动脉的脉搏波,如图 1(A)和图 1(E)所示。入口压力波边界条件采用了获得的真实压力波,其中图 1(A)是 EECP 前患者的主动脉压力波,图 1(E)是 EECP 时患者的主动脉压力波。用 Fluent 软件中的 User defined function 功能编写和读取入口压力波形。出口使用阻力边界条件,与文献18一致。血管壁设为无滑移刚性壁面。计算时间为 4 个心动周期,一共 2.52 s,取最后一个心动周期的结果作为我们的计算结果。将随时间变化 的 结 果 导 入 tecplot 软 件 中(Tecplot 360 2011),用编写的 Equation 计算出各个位置的平均壁 面 剪 切 力(TAWSS)19和 振 荡 剪 切 指 数(OSI)20,并画出流线。其中,OSI 是衡量壁面剪切力脉动特性的重要参数,其表达式为:OSI=121-|T0wdt|T0|w|dt (4)其中,w为壁面剪切力,T 为总时间。同时,本研究也计算了壁面剪切应力危险区域比率(SAR-TAW-SS)和振荡剪切指数危险区域比率(SAR-OSI),分别是指壁面剪切应力危险的区域面积(TAWSS1.5)占整个血管壁面的百分比。2 结果2.1 EECP 前的冠脉血流动力学分析:患者的左冠状动脉在 LAD 支的主干第一级下游和第二级上游分别有一处狭窄,根据测量,其面积狭窄分别为75%和 65%,下面本文研究这两处狭窄对血流动力学参数的影响。图1(B)为患者左冠状动脉的平均壁面剪切力,可以看出,在 LAD 主干的两处狭窄处,TAWSS 有一定的升高,而在狭窄下游,TAWSS 要明显降低,这种剪切力的急剧变化,有可能会形成血管斑块,严重时会造成斑块破裂。而在 LCx 的第1 级分支处有轻微狭窄,下游处的 TAWSS 相对较高,说明 LCx 分支处的病变并不是很严重,流线也相对较平稳,不容易产生涡流和二次流。相对应的,图1(C)为患者左冠状动脉的振荡剪切指数,可以看出,在 LAD 主干的两处狭窄处,OSI 都有一定的升高区域,说明在该区域中,血管有明显的病变发生,壁面剪切应力的变化特别剧烈,较容易发生冠状动脉粥样硬化。而在 LCx分支狭窄的地方,OSI 都有一定的高数值区域,同样对应着病变的发生,虽然是轻微狭窄,但是也应该引起足够的重视。图 1(D)为患者 LAD 主干第 2 级分支一处狭窄附近的流线。可以看出,在主干第二个狭窄下游,出现了回流和涡流,在分支狭窄的下游,出现了二次流。在血管中出现的回流、涡流、二次流往往会导致局部流动紊乱,并对动脉壁产生极大的影响,可能会导致心肌供血不足以及动脉粥样硬化的发生。9633吉林医学 2023 年 12 月第 44 卷第 12 期 注:图1 A:患者 EECP 前的肱动脉压力波波形;B:EECP 前的平均壁面剪切力(单位:dyn/cm2);C:EECP 前的震荡剪切指数(无量纲);D:EECP 前的 LAD 主干 2 级分支处的流线;E:患者 EECP 时的肱动脉压力波波形;F:EECP 时的平均壁面剪切力(单位:dyn/cm2);G:EECP 时的震荡剪切指数(无量纲);H:EECP 时的 LAD 主干 2 级分支处的流线 图 1 EECP 前冠脉血流动力学分析2.2EECP 时的冠脉血流动力学分析:当患者做EECP 时,血管内的 TAWSS、OSI 和流线分别如图 1(F)、图 1(G)、图 1(H)所示。此时患者的肱动脉压力波在舒张压时有一个非常明显的高压出现,如图1(E)所示,此高压提升了主动脉的入口压力,有效增加了患者主动脉的心输出量,对血流动力学参数有一个较为明显的提升。对比图 1(F)和图 1(B),本研究发现在 EECP 时,LAD 主干的两处狭窄处的低剪切力区域虽然仍然存在,但范围缩小,而且剪切力值变化梯度不是特别大,这样就降低了剪切力在局部区域急剧变化的可能性,患者动脉壁的损害在血液黏性自主变化的条件下得到了一定的控制。对比图 1(G)和图 1(C),LAD 主干处的高 OSI 分布区域虽然依然存在,但数值明显降低,说明患者动脉壁上受到的剪切力脉动刺激已经降到了比较低的值,壁面剪切应力的变化,在 EECP 的影响下已经得到了明显控制。而图 1(H)中的主干处流线也变得相对规律,回流和二次流基本消失了,涡流也相对比较平稳,不会再引起心肌供血不足。这就是 EECP 时患者冠脉的血流动力学参数的变化,从各个角度来看,肱动脉的压力波型的变化,提升了冠脉血流动力学的壁面剪切应力,减小了壁面剪切应力的剧烈变化,使得冠脉狭窄上下游处的流线变得平稳,起到了一定的辅助治疗作用。3 讨论本文结果表明,在非牛顿流体黏性血液假设下,冠状动脉主干处的连续狭窄对血液动力学参数的影响十分明显。狭窄会导致壁面剪切力的升高以及局部剪切力急剧变化,导致局部振荡剪切指数的急剧升高,进而导致狭窄下游处的回流、涡流以及二次流的产生。血管狭窄处会自然地产生壁面剪切力升高的现象,而血液的黏弹性记忆效应,会在剪切力急剧变化时,通过改变自身的黏度,对这种变化起到一定的阻碍作用。图 1(D)中 LAD 主干下游处出现的涡流和二次流,是因为分支处血管尺度过小,主干处黏度的变化过大,当血液流到分支狭窄处时,就会产生一定的紊乱。在血液黏性的影响下,患者 LAD 主干0733吉林医学 2023 年 12 月第 44 卷第 12 期处的连续狭窄严重影响了患者的血流动力学参数,如果继续任其发展,会引发冠状动脉粥样硬化、血管壁破裂等严重病症,需要医疗干预。在增强型体外反搏仪器的辅助治疗下(一般患者需要进行连续 3060 d 的辅助治疗),本研究发现患者的血流动力学参数得到了极大的改善,体现在:壁面剪切应力有所提高,在血液黏性的影响下,血流会趋于平稳,血压有所升高,血液流速也会增加,整体危险区域降低较为明显,壁面剪切应力危险区域比率由 15.2%降低至 4.6%;振荡剪切指数明显下降,由于 EECP 的升压作用和血液黏性的作用,壁面剪切应力的变化变缓慢,壁面剪切应力的振荡也变缓慢,振荡剪切指数危险区域比率由 10.3%降低为 2.5%,从而降低了心血管疾病的风险;血液流态趋于稳定,原本患者狭窄上下游处有非常明显的回流、涡流和二次流,但在 EECP 的影响下,血流趋于平稳,回流和二次流基本消失,涡流还存在,但已经不明显。这说明 EECP 对于心血管疾患者者,尤其是冠脉狭窄特别严重的患者有非常好的疗效,这是由于 EECP 在心舒张期又加了一定的高压,进而增加了主动脉压力,冠脉狭窄处上下游本来紊乱的血流状态,在高压和高血流速度的影响下趋于平缓,原本湍流的状态逐渐变为层流,在 EECP 时至少是处于正常血流状态的。但是,EECP 的治疗必须持续 12 个月,因为血流状态的改善必须是在仪器加压的作用下才能实现的,如果脱离了仪器,患者的主动脉压力又会回到原始的状态,血流动力学参数自然又会变差,所以需要长时间辅助治疗,这样就可以在患者接受了介入手术后,帮助冠状动脉血流尽快回到健康的状态。由于心脏收缩和舒张会导致血管壁的收缩和舒张,本研究的刚性壁面条件就不再适用,而需要采取更加真实的动壁面条件。因此本研究下一步的工作,应该考虑到心脏舒缩导致的血管壁移动,进行更加细致的分析,为进一步研究 EECP 对冠状动脉粥样硬化的辅助治疗提供理论依据。在临床和理论结合方面,本研究将采用更多的数据量,研究大量患者接受 EE-CP 时的血流动力学参数变化情况,以及不同患者的血管形态学、年龄、病理程度等对治疗效果的影响,而这项工作需要长期的数据采集和观察工作。本文基于心血管患者的 CT 造影,基于血液的非牛顿黏性,利用三维图像重建和有限元分析的方法,研究了增强型体外反搏对冠状动脉狭窄条件下各流体力学参数的影响。分析结果发现,在 EECP前,冠状动脉连续狭窄(75%面积狭窄)对下游的壁面剪切力和振荡剪切指数影响较大,并且会导致回流、涡流和二次流的产生;而在 EECP 时,回流和二次流基本消失,而且在狭窄处,振荡剪切指数明显变小。因此,增强型体外反搏辅助治疗手段,对心血管疾患者者的冠状动脉血流动力学有明显的辅助治疗效果,本文为研究增强型体外反搏的疗效提供了一种理论方法,为辅助治疗血管狭窄、心血管疾病提供了一定的技术支持,有一定的科学意义。4 参考文献1 Ilina L,Vlasova E,Kurbanov S,et al.Lipoprotein(A)in patients with diffuse coronary artery atherosclerosisJ.Athero-sclerosis,2019,287:e229-e230.2 Mou L,Norby FL,Chen LY,et al.Lifetime risk of atrial fi-brillation by race and socioeconomic status ARIC study(Athero-sclerosis Risk in Communities)J.Circulation,2018,11(7):e006350.3 Zhao PG,Huang YX,Xiao LP,et al.Diagnosis of coronary artery disease by acoustic analysis of turbulent murmur caused by coronary artery stenosis:a single center study from ChinaJ.Cardiovasc Innovat Applicat,2022,7(3):11.4 Park J,Lee JM,Koo B,et al.Clinical relevance of func-tionally insignificant moderate coronary artery stenosis assessed by 3-vessel fractional flow reserve measurementJ.J Am Heart Associ,2018,7(4):B29.5Dumurgier J,Elbaz A,Ducimetire P,et al.Age-related increased blood viscosity,walking speed and risk of cardiovascu-lar deathJ.BMJ,2022,339(18):16-51.6Sung KW.Changes in whole blood viscosity at low shear rates correlate with intravascular volume changes during hemodi-alysisJ.Int J Artif Org,2012,35(6):425-434.7Shashenkov I,Gabrusenko SA,Babak SL,et al.Clinical effects of the enhanced external counterpulsation therapy in pa-tients with ischemic chronic heart failure exacerbation COVID-19J.European Heart Journal,2021,42(Supplement1):ehab724.0928.8 Aggarwal M,Spertus J,Kaplan R,et al.Health-status out-comes with enhanced external counterpulsation in patients with anginaJ.J Am Coll Cardiol,2021,77(18):43.9 Karaganov KS,Lishuta AS,Belenkov YN.The use of en-hanced external counterpulsation in the treatment of patients with coronary artery disease J.Rational Pharmacother Cardiol,2020,16(4):579.10 Wang Y,Xu D.The effect of enhanced external counter-pulsation on platelet aggregation in patients with coronary heart diseaseJ.Cardiovasc Drug Ther,2021,36(2):263-269.11 Tarsidin NF,Tiksnadi BB.Enhanced external counter-pulsation reduces blood pressure in refractory angina pectoris pa-1733吉林医学 2023 年 12 月第 44 卷第 12 期tients.A systematic review and meta-analysisJ.J Hypertens,2021,39(Supplement 2):e13.12 Shen L,Wang X,Wu G.Expert consensus on the clinical application of enhanced external counterpulsation in elderly peo-ple J.Aging Med,2020,3(1):16-24.13Subramanian R,Shiek A,Meyyappan C.Efficacy of en-hanced external counterpulsation;in improving six minutes walk test in heart failure patientsJ.J Am Coll Cardiol,2020,75(11):981.14 Chen S,Li B,Yang H,et al.Hemodynamics of enhanced external counterpulsation with different coronary stenosisJ.Compout Model Engineer Sci,2018,116(2):121-124.15 Li B,Qi S,Wang X,et al.The numerical study on spe-cialized treatment strategies of enhanced external counterpulsati-on for cardiovascular and cerebrovascular diseaseJ.Med Biol Engineer Comput,2018,56(11):1959-1971.16 Bao L,Hui W,Li G,et al.A patient-specific modelling method of blood circulatory system for the numerical simulation of enhanced external counterpulsationJ.J Biomechan,2020,(111):110002.17 Ahmad R,Farooqi A,Farooqi R,et al.An analytical ap-proach to study the blood flow over a nonlinear tapering stenosed artery in flow of carreau fluid modelJ.Complexity,2021,(12):1-11.18 Fan T,Zhou Z,Fang W,et al.Morphometry and hemody-namics of coronary artery aneurysms caused by atherosclerosisJ.Atherosclerosis,2019,(284):187-193.19Arzani,Amirhossein,Shadden,et al.Wall shear stress fixed points in cardiovascular fluid mechanicsJ.J Biomechan-ics,2018,(73):145-152.20Fan Y,Xie L,Yang W,et al.Magnetic field dependent viscoelasticity of a highly stable magnetorheological fluid under oscillatory shearJ.J Appl Phys,2021,129(20):204701.收稿日期:2023-06-02 编校:孟玲玲颈动脉超声联合血脂评估脑梗死患者颈动脉狭窄的应用李怡慢,古金玲,李赛君(深圳市坪山区妇幼保健院超声科,广东 深圳 518118)摘 要 目的:探究颈动脉超声联合血脂评估颈动脉狭窄的效能。方法:回顾性选 84 例脑梗死患者进行研究。将合并颈动脉狭窄的脑梗死患者 36 例分为观察组,无颈动脉狭窄的脑梗死患者 48 例分为对照组。采用颈动脉超声测定内中膜厚度(IMT)、舒张末期血流速度(EDV)、阻力指数(RI),同时检测两组患者血脂三酰甘油(TG)、总胆固醇(TC)、高密度脂蛋白(HDL-C)、低密度脂蛋白(LDL-C)。通过受试者工作特征(ROC)曲线下面积评估各因子预测颈动脉狭窄的效能。结果:观察组患者颈动脉 IMT、RI 分别为(1.050.13)mm、0.820.10,均显著高于对照组;EDV 为(20.751.36)cm/s,较对照组明显降低,差异有统计学意义(P0.05)。观察组患者颈动脉 HDL-C 为(2.920.43)mmol/L,较对照组明显降低,LDL-C、TG 及 TC 分别为(1.740.56)mmol/L、(2.480.32)mmol/L 及(5.940.56)mmol/L,均显著高于对照组,差异有统计学意义(P0.05)。Logistic 多因素分析发现,IMT、EDV 及 LDL-C 是脑梗患者发生颈动脉狭窄的独立危险因素。IMT、EDV 及 LDL-C 及联合因子对脑梗患者发生颈动脉狭窄诊断的 ROC 曲线下面积分别为 0.734、0.851、0.843 及 0.915,联合检测的诊断效能最佳,其灵敏度、特异度分别为 88.9%、86.1%。结论:IMT、EDV 及 LDL-C 及其联合可作为脑梗死并发颈动脉狭窄的早期诊断的观察指标,联合因子的预测价值优于单一指标评估,对临床脑梗死患者并发颈动脉狭窄的早期诊断预测具有重要意义。关键词 脑梗死;血液黏稠度;颈动脉狭窄 近年,脑缺血、脑梗死等脑血管疾病频发,同时伴发颈动脉狭窄,严重甚至会导致脑缺血猝死 1。研究证实 20%的缺血性脑卒中是由颈动脉狭窄造成的1,2,其病理基础是动脉粥样硬化形成血栓堵塞了脑血管。国内外学者报道,急性脑梗死时常伴随血流动力学紊乱和血脂代谢异常,例如低密度脂蛋白(LDL-C)水平升高导致血液黏稠度增加,是引起动脉粥样硬化的重要因素3。颈动脉彩超作为一种无创、简单、有效可行的检查手段,在评估颈动脉狭窄应用非常广泛,通过颈动脉血流情况可以反映颅内动脉硬化的程度4。为评估脑梗死患者颈内动脉狭窄发生情况及远期预后,本研究分析颈动脉超声联合血脂的应用价值。1 资料与方法1.1一般资料:选取深圳市坪山区妇幼保健院2021 年 1 月2021 年 12 月收治的 84 例脑梗死患者进行研究。研究对象纳入标准4:头部血管超声及颅脑 CT 或 MRI 确诊为脑梗死;有明显颈动脉狭窄症状者,如头晕、患侧肢体、短暂性脑缺血发作等;术后配合随访且临床资料完整者。排除标准:有血液性、血管炎类疾病者;非动脉粥样硬化性颈动脉狭窄者;有周围血管疾病如下肢深静脉血栓者;有精神疾病,不配合治疗者。将合并颈2733吉林医学 2023 年 12 月第 44 卷第 12 期