支架植入对迂曲冠状动脉血流动力学环境影响：基于数值模拟模型的研究结果

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：The impact of stenting on hemodynamic environment of tortuous coronary artery: results derived from a numerical simulation model

　　

背景：在伴有轻中度冠状动脉迂曲的血管中进行支架植入术，由于靶血管相关心肌梗死或缺血驱动的靶血管血运重建发生率较高，导致靶血管失败率增加。局部壁面剪切应力(WSS)的变化可能促成这一现象。本研究旨在探讨支架植入对数值模拟模型中迂曲冠状动脉血流动力学环境的影响。材料与方法：建立数值模拟模型，探究模拟支架植入前后迂曲冠状血管内的血流动力学参数特征。该模型由四个迂曲弧段组成。通过控制这些弧段的曲率，形成低、中、高三组不同迂曲度的组别。通过改变每组第三个弧段的直径，形成四种不同的狭窄程度（40%、50%、60%和70%）。最终分析了12种具有不同狭窄程度和迂曲度的模型。结果：在模拟低、中、高迂曲度冠状动脉血管的迂曲节段中，支架植入后，随着狭窄程度的增加，速度和WSS呈比例降低。结论：研究结果表明，迂曲冠状动脉在支架植入术后进一步降低的WSS可能导致内皮功能障碍、血管炎症和新生内膜增生加剧，这些因素共同促进支架内再狭窄(ISR)的形成，尤其是在伴有严重狭窄的迂曲冠状动脉中。

论文解读：支架植入对迂曲冠状动脉血流动力学环境影响的多尺度数值模拟研究

本研究聚焦于冠状动脉介入治疗后长期疗效受限的关键病理现象——支架内再狭窄(ISR)，特别是在冠状动脉存在解剖学迂曲特征的病例中，ISR发生率显著升高。既往临床观察表明，在中等至重度冠状动脉迂曲的患者中，支架植入后的靶血管失败率更高，这主要与靶血管相关心肌梗死或缺血驱动的靶血管血运重建风险增加有关。尽管已有研究提示，支架植入后血管几何形态由弯曲变为平直，可能通过改变局部流体力学环境诱发新生内膜增生，但其深层机制尚未完全阐明。特别是在不同迂曲度和不同狭窄程度并存的情况下，血流动力学参数的具体变化规律及其对ISR风险的贡献度仍不明确。为此，研究人员构建了理想化的数值模拟模型，旨在通过计算流体动力学(CFD)手段，量化分析支架植入前后，在不同冠状动脉迂曲度和狭窄程度组合下，血流速度及壁面剪切应力(WSS)等关键指标的变化特征，从而为临床干预提供生物力学依据。该研究成果已发表于《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》。

在研究技术方法层面，研究人员首先构建了由四个连续圆弧组成的理想化冠状动脉几何模型，通过调节各弧段的曲率定义了低、中、高三种迂曲度组别；随后通过改变第三个弧段的直径，在每组内分别建立了40%、50%、60%和70%四种狭窄程度的病变模型，共计12个分析模型。为模拟支架植入后的血管形态改变，研究将第三个弧段进行了拉直处理。网格划分采用ANSYS Fluent Meshing工作流，选用四面体单元并设置五层边界层以提高近壁面流场分辨率，通过网格无关性验证确定平均网格尺寸为0.25 mm。计算流体动力学分析基于ANSYS Fluent软件，血液设定为不可压缩牛顿流体（密度1060 kg/m³，动力粘度3.5 mPa·s），采用瞬态求解器及SIMPLE算法，入口设置为充分发展的抛物线流速剖面，出口施加压力边界条件，模拟一个完整心动周期（1 s）的血流动力学响应，并提取平均速度及WSS进行统计分析。

研究结果部分，研究人员首先关注了速度降低(Velocity reduction)。数据分析显示，在同一迂曲度范围内，冠状动脉狭窄程度越高，支架植入后的流速降低效应越显著。在进行组间比较时发现，虽然流速降低幅度随迂曲度的降低而减小，但相较于狭窄程度的影响，这一趋势极其微弱。具体而言，对于平均速度，狭窄程度从40%增至70%时，降幅增加了约29%–33%，而相同狭窄水平下不同迂曲度组间的差异仅为0.2%–3.4%。

其次，关于WSS降低(WSS reduction)的分析，其趋势与流速分析相似。结果显示，在相同迂曲度下，支架植入后的WSS降幅随狭窄程度的增加而增大。而在相同狭窄组别下进行对比时，WSS的降低也与迂曲度呈正相关，但同样，这种变化幅度远小于狭窄程度本身带来的影响。定量分析表明，平均WSS的降幅在狭窄程度从40%升至70%时增加了约11.5%–12.0%，而固定狭窄水平下不同迂曲度组间的变异性仅为0.02%–0.53%。

在讨论部分，研究人员指出，本研究的主要发现证实了在模拟低、中、高迂曲度的管状节段中，支架植入后速度和WSS会随狭窄程度的增加而显著降低。鉴于WSS的降低与ISR密切相关，该研究结果为解释迂曲血管支架术后ISR风险增加的生物学机制提供了实验证据。特别值得注意的是，这种WSS的降低在伴有严重狭窄的迂曲血管中更为显著。定量比较还表明，血流动力学变化的幅度与狭窄严重程度的相关性远高于与迂曲度的相关性，提示在现有模型框架下，狭窄程度可能对血流动力学指标产生更强的影响。这一发现强调了在临床决策中，针对伴有严重狭窄的迂曲血管进行支架植入时需格外审慎，因为此类操作可能通过大幅降低WSS，进而引发内皮功能障碍、血管炎症及新生内膜增生，最终导致ISR。同时，研究人员也指出了本研究的局限性，包括未考虑真实支架梁的几何结构、采用刚性血管壁假设以及未纳入非牛顿流体特性等，建议未来研究应结合患者特异性三维血管模型和流固耦合分析以进一步验证相关结论。

研究结论部分总结如下：研究人员的数值模拟结果表明，迂曲冠状动脉在支架植入术后进一步降低的WSS可能导致内皮功能障碍、血管炎症和新生内膜增生的加剧，这些因素共同促进支架内再狭窄(ISR)的形成，尤其是在伴有严重狭窄的迂曲冠状动脉中。未来需要进一步的临床研究来验证这一源自模拟模型的结论。