李昭明，邓丽，王茂生

（1.广东医科大学 第一临床医学院，广东 湛江 524000；
2.高州市人民医院 体外循环科，广东 高州 525200；
3.高州市人民医院 心血管外科一区，广东 高州 525200 ）

心血管疾病是心脏和血管疾病的统称，泛指由于高血压、高脂血症、血液黏稠、动脉粥样硬化等原因导致的心脏、血管及全身组织发生的缺血性或出血性疾病。据调查，中国心血管病患病率处于持续上升阶段，目前心血管疾病患病人数达3.3 亿，在城乡居民疾病死亡构成比中，心血管疾病高于肿瘤及其他疾病，处于首位［1］。

1.1 主要检查方法及治疗

目前对心血管疾病常用的检查手段主要是超声心动图、计算机断层扫描血管造影（computed tomography angiogram,CTA）、磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI）、放射性核素心肌显像、数字减影血管造影（digital subtraction angiography,DSA）等。超声心动图是目前许多心血管疾病检查时的首选无创检查，可以实时观察心脏及大血管的解剖结构及功能状态，对心包积液、心肌病、先天性心脏病、各种心瓣膜病等心血管疾病有重要的诊断价值［2］，但超声心动图分辨率较低，且容易出现漏诊，在临床中常常作为初筛检查。CTA、MRI、放射性核素心肌显像、DSA 等放射影像学检查手段可以清楚显示心血管疾病的病变部位和解剖结构，还可以对病变数量及范围进行精确测定，指导临床治疗，然而放射影像学检查手段并不能反映心脏及血管内血流状态的变化。心血管疾病的治疗方式较多，包括药物保守治疗、血管内治疗、外科手术治疗等，对于疗效的评价常常是医师通过检查进行判断，容易掺杂有个人主观因素，目前对于心血管疾病治疗后疗效的评价仍缺乏更为客观、准确的手段。

1.2 血流动力学与心血管疾病的关系

血流动力学（hemodynamics）是研究血液在心血管系统中流动的力学，主要研究血流量、血流速度、血流阻力、血流状态、血压以及它们之间的相互关系。不同的心脏病理解剖和病理生理异常，均会产生不同的异常血流流场。为了检测心脏疾病导致的血流流场异常，掌握心脏内血流变化过程及其时空分布就显得非常重要［3］。血流动力学与心血管疾病的发生、发展、治疗都有非常紧密的联系。

1.3 计算流体力学研究心血管疾病

随着计算机技术的发展，诞生了计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD），它以电子计算机为工具，通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析，以解决各种实际问题［4］。近年来，CFD 被应用于模拟人体心血管系统中血流情况，将难以直接分析的血流动力学问题直观地展示出来，获取血管内某个时间点各部位血液的流速、壁面压力、壁面剪切力（wall shear stress,WSS）等数据，还可以发现血流动力学参数变化的情况，在疾病的诊断、风险评估、术后评估、疾病进展、模拟手术、手术方案设计、医疗器械设计等都有巨大的潜力。早期，研究者在应用CFD 研究人体内血流动力学时只考虑流体的运动情况，将人体血管壁和组织简化为刚性边界，然而真实的人体血管壁和组织是有弹性的，忽略血管壁和组织弹性边界对血流动力学的影响，计算所得的结果可靠程度不高，且无法了解血流对血管壁和组织的影响，应用十分局限［5］。王枫等［6］分别用刚性边界和弹性边界对血管进行研究时发现流固耦合（fluidstructure interaction,FSI）的数值模拟将得到更为可信的仿真结果。余龙等［7］对比了刚性壁和弹性壁颈动脉狭窄模型中血流储备分数，发现弹性壁与刚性壁的血流储备分数相对差异随着狭窄率的增加而增加。因此，通过CFD 模拟分析心血管疾病时，应用FSI 能更真实地模拟患者血流情况，有助于临床医师作出更准确的决策。

2.1 背景

FSI 是CFD 与计算固体力学（computational solid mechanics,CSM）交叉而产生的一门力学分支，主要研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用。心脏及血管壁是具有弹性的，心脏及血管壁与血液组成了一个固体与流体交互作用的系统——流固耦合系统。

2.2 FSI 模拟的方法

2.2.1 建模流程 FSI 模拟的流程如图1 所示，目前常用有限元方法进行分析，即将模型进行光顺化处理后划分为有限数量个单元，单元之间按一定方式相互联结在一起，通过对单元进行方程运算，再进行整体分析，可以得到整体的运动情况。2.2.2 边界条件 血液定义为不可压缩的牛顿液体，理想条件下人体血流雷诺数Re=1 137，当Re小于临界值（通常为2 300）时，模型中的血流视为层流［8］。血管视为各向同性线弹性材料，根据前人研究的数据，血管密度为1 120 kg/m3，弹性模量为5.0 MPa，泊松比为0.45［9］。获取血管内精确的血流流速需要对受试者采用侵入性的方法才能获取血流相关数据，这样的操作具有一定风险性，在实际临床上很难实现，可以通过四维相位对比磁共振成像和多普勒超声测速，分别获得血管内的三维血流速度分布和流速［10-11］。

图1 FSI 模拟的流程

2.3 FSI 目前的挑战

由于FSI 是基于影像学图像进行建模分析的，因此，影像学图像成像质量将很大程度上影响FSI分析的准确性。人体的心脏、血管的形状是在心动周期内变化的，依据影像学图像构建出来的模型与真实的心血管模型会有一定差距，只是在一个时间段内“平均”的几何模型。而且，由于血液流动和血管壁的运动是偶联的，因此既要研究血管的几何形状，也要了解血管壁的物理特性和运动规律［12］，而准确描述组织的物理特性，是目前最大的挑战［13］。

3.1 动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是由内皮损伤引发的，与血流动力学参数的异常值有关，其中WSS 是描述血流与动脉内皮细胞之间摩擦力的血流动力学指标，研究表明WSS 在斑块发展中的复杂作用，因为低WSS 和高WSS 都与斑块的生长和不稳定有关［14］。但许多研究只把时间平均壁面剪应力（time average wall shear stress,TAWSS）作为研究粥样斑块进展的指标，没有考虑血流的多向性，因此人们开发了新的指标来分析这种多向流动问题，如振荡剪切指数（oscillatory shear index,OSI）、相对停留时间（relative residence time,RRT）、错流指数（cross-flow index,CFI）等，而这些指标只有在FSI模拟中才能准确地被识别出来［15-16］。HOOGENDOORN 等［17］在猪的动脉粥样硬化模型中用FSI 方法进行分析，发现在低TAWSS 或高多向WSS 区域的斑块生长速率最高，其中在多向WSS 区域中，最大的斑块生长出现在OSI、RRT和CFI 初始水平高的区域，随斑块的增大这些参数水平将会降低，他们利用MRI 和组织病理学验证了该结论。BENITEZ 等［18］为研究钙化灶对动脉粥样斑块应力的作用，在建立的模型中把钙化灶替换为脂质和动脉组织进行FSI 分析并比较，发现相比于脂质和动脉组织，钙化灶可以为斑块纤维帽分担一部分受到的应力，减少破裂的风险，但钙化灶本身会受到更大的WSS，因此若钙化灶位于纤维帽内时，反而会增加纤维帽破裂的风险；
另外，他们还发现钙化灶形状也会影响所受到的应力大小，薄凹弧形钙化受到的应力最大。

3.2 二叶主动脉瓣（bicuspid aortic valve,BAV）

BAV 指主动脉瓣先天性只有两个瓣膜，是最常见的先天性主动脉瓣狭窄畸形，根据融合嵴线的数量分为0 型、1 型和2 型［19］，不同分型的BAV 血流动力学上差别很大。FSI 方法适用于模拟主动脉瓣瓣叶变形和血流情况，通过计算模型可以评估所有类型的BAV。DE OLIVEIRA 等［20］通过FSI 分析了3 种病理类型的BAV，发现0 型BAV 呈现最低的峰值速度、WSS 及范式等效应力（von Mises stress），0 型是临床影响最小的类型，其瓣膜尖端应力的分布和钙化的发生位置相关；
1型BAV 血流动力学及瓣膜力学改变与其中缝的位置无关，但1 型BAV 可使升主动脉壁WSS 明显升高，容易引发升主动脉病变；
2 型BAV 收缩期峰值速度和WSS 是所有分型中最大的，因此推断为发生升主动脉病变的可能性最大。

3.3 动脉瘤

动脉瘤是一种病理性的局部动脉扩张，破裂可造成危及生命的后果。目前，动脉瘤直径和膨胀率是评估破裂风险最常用的指标，但是基于直径的动脉瘤血栓栓塞风险评估的敏感性和特异性相对较差［21］。通过FSI 方法模拟用计算模型评估动脉瘤血流动力学可能有助于识别更准确的血管破裂或血栓形成的预测因素，进行风险分级，从而指导临床决策［22］。有研究同时使用刚性壁和FSI 模拟了BAV 所致的胸主动脉瘤中的血流，发现螺旋流的差异不显著，但在CFD 模拟中刚性壁模型估计的压力显著降低［23］。一项计算研究调查了腹主动脉瘤破裂部位的血流特征，发现更多患者的瘤体在WSS 较低的区域发生破裂，这与以往认为高WSS 容易导致瘤体破裂的认知相反，研究者认为与再循环区域大量血栓沉积相关［24］。SOUDAH 等［25］发现腹主动脉瘤不对称程度与瘤体内不对称血流之间存在相关性，可能导致内皮功能障碍、血栓形成和最终破裂的风险更高。雷倩等［26］通过双向FSI 模型对胸主动脉瘤进行分析，发现在心动周期内，动脉瘤组织整体呈现出“呼吸式”往复形位移变化，且动脉瘤组织变形最大值随血液流速变化，两侧变化率较上、下部大，这种循环作用将导致血管瘤在连接区域出现疲劳现象，并有可能因此而引起动脉瘤破裂。

3.4 主动脉夹层（aortic dissection,AD）

AD 是一种严重的心血管疾病，定义为主动脉中层破裂，破裂部分形成内膜瓣（intimal flap,IF），将主动脉分离为真腔（true lumen,TL）和新形成的假腔（false lumen,FL）［27］。过往许多研究AD 时把主动脉壁假设为刚性无位移的，但这并不符合人体真实的主动脉性质，ALIMOHAMMADI 等［28］的对主动脉夹层分别进行刚性壁和FSI 模拟后发现某些低WSS 和OSI 区域只有在FSI 模拟中识别出来，而这些区域和主动脉夹层的进展密切相关。血液与主动脉的相互作用对主动脉夹层的严重程度和进展至关重要。通过4D-flow MRI 观察，IF 在心动周期中是不停运动的，许多研究并没有把IF的运动考虑到AD 参数的计算中，而IF 对AD 主动脉内血流动力学有显著影响［29］。KERAMATI等［30］应用双向FSI 分析研究内膜瓣的振荡，他们分别计算了血流对IF 的作用及IF 对血流的作用，计算内膜瓣运动的时间和空间行为，发现IF 发生最大位移是在心脏收缩期，他们测量了IF 震动的频率，并描绘了曲线。

3.5 肥厚性梗阻性心肌病（hypertrophic obstructive cardiomyopathy,HOCM）

HOCM 的特征是肥厚心肌和左室流出道梗阻。这种疾病的患者可能会出现严重的心力衰竭甚至突然死亡。手术治疗是治疗该疾病最有效的手段［31］，但手术切除的范围很难确定，因为切除不充分不能消除左心室流出道梗阻，而过度切除可能引起室间隔缺损或心律失常。有研究者将6 例HOCM 患者手术前后的计算模型进行比较，术前左室心内膜受到的压差及WSS 较高，而术后患者左室心内膜受到的压差及WSS 明显下降，他们还提出建立一个能模拟大部分HOCM 患者的通用模型，以加快临床中对HOCM 患者进行CFD分析［32］。

3.6 模拟手术

袁俊杰等［33］为研究血管植入支架后血液流速变化、管内压力变化及二者对植入支架的影响，建立不同形状的复杂血管模型、血管支架模型、血液模型，模拟在病变位置植入支架，建立血管-血液-支架的装配模型，运用FSI 将血流对于血管支架作用作为载荷施加到血管支架上，对其进行结构的有限元分析，仿真结果表明在各种情况下，血管支架的强度均校核安全。经导管主动脉瓣置换术（TAVR）是目前治疗心脏瓣膜病的重要手段，但是，术中安全锚定经导管心脏瓣膜（THV）是手术成功的关键，WU 等［34］开发并应用了一种新的浸入式FSI 框架，用于TAVR 过程的建模和仿真，以研究THV 的锚固能力，他们同时计算和研究了径向摩擦力和摩擦力，得到摩擦力与径向力的比值，通过将计算值与给定的摩擦系数进行比较，可以判断THV 的锚固能力，从而改变THV几何形状以降低移位风险。

尽管FSI 在研究心血管系统疾病的血流动力学、手术模拟等方面有巨大的潜力，这是常规检查手段难以完成的，但FSI 在心血管疾病中的应用尚在实验研究阶段，很少应用到临床诊疗中，其中很重要的原因就是FSI 模拟过程复杂，耗费时间长，对操作人员技术要求高。通过机器深度学习实现当前FSI 模拟流程的自动化，在未来可以明显加快对患者的建模计算，并且对操作人员技术要求也明显降低，临床医生也可快速完成［35］，是未来的发展方向。

猜你喜欢主动脉动力学心血管“心血管权威发布”公众号简介心血管病防治知识(2022年23期)2022-11-10《空气动力学学报》征稿简则空气动力学学报(2022年4期)2022-08-23COVID-19心血管并发症的研究进展现代临床医学(2022年3期)2022-06-06具有Markov切换的非线性随机SIQS传染病模型的动力学行为黑龙江大学自然科学学报(2022年1期)2022-03-29胸主动脉阻断联合主动脉旁路循环技术建立大鼠脊髓缺血损伤模型昆明医科大学学报(2022年2期)2022-03-29主动脉球囊反搏应用于胃贲门癌手术1例心肺血管病杂志(2020年5期)2021-01-14lncRNA与心血管疾病医学研究杂志(2015年8期)2015-06-22胱抑素C与心血管疾病的相关性医学研究杂志(2015年11期)2015-06-10基于随机-动力学模型的非均匀推移质扩散浙江大学学报（工学版）(2015年2期)2015-05-30TNAE的合成和热分解动力学火炸药学报(2014年1期)2014-03-20