研究背景冠状动脉粥样硬化性疾病(Coronary Atherosclerotic Disease, CAD),指冠状动脉粥样硬化使血管腔狭窄或阻塞,和(或)因冠状动脉功能性改变(痉挛)导致心肌缺血缺氧或坏死而引起的心脏病,统称冠状动脉性心脏病,简称冠心病。CAD病理基础是冠状动脉粥样硬化,临床的冠脉事件90%由冠状动脉粥样硬化引起。目前公认的危险因素包括高血压、高血脂、高胆固醇、高胱氨酸血症、高血糖、吸烟、超重、肥胖,遗传因素以及微量元素的摄入不足等。冠心病的病理基础是冠状动脉粥样硬化的长期慢性的复杂过程,业已证实,CAD是一种多因性疾病,涉及到基因、代谢、环境等多种因素的相互作用,其中炎症介质、动脉血流变化、脂质沉积等因素的影响在在斑块的发生、变化、破裂过程起重要作用。目前有多种发病学说在试着解释粥样硬化的病理机制,如脂质浸润学说,单克隆学说、切应力学说、损伤反应学说、同型半胱氨酸学说、内皮功能紊乱学说、精氨酸学说、氧化应激、内皮祖细胞功能失常学说等,但仍然未完全阐明粥样硬化发生、发展的机制及其影响因素。冠心病的患病率与病死率均高,而且高危人群的基数庞大,防治冠心病的负担沉重,除了冠心病的一级预防即不良生活方式干预及危险因素干预措施外,在易患人群中对冠心病的大量筛查也是防治冠心病的重要措施。冠脉血流变化可导致血液中脂质,白细胞、血小板等有形成分的不均匀性分布,在局部血流动力学变化较大的区域,常常出现血液的缓流、滞留,可致血液中的有形成分的沉积,逐渐形成粥样斑块,粥样斑块的继续发生、发展,常可导致血管腔的狭窄和血管支配的相应供血区缺血,最终患者表现出明显的临床症状。然而,由于技术难度大,在体或者离体实验研究血流动力学不可行。近年来血流动力学数值模拟发现,粥样硬化好发于脑动脉、颈动脉以及冠状动脉等具有血管分叉或明显弯曲处等血流变化明显的部位,而上述危险因素均不能完全解释动脉粥样硬化发生的局部性。因此可以推测,这种斑块形成在解剖学上的明显倾向,是与某种有选择定位作用的致病因素联系在一起,因此,本实验通过比较解剖结构复杂程度不同的正常右冠状动脉与不同狭窄程度偏心性右冠状动脉的血流动力学差异,探索粥样斑块的易发部位及斑块的发生发展与解剖结构的关系。第一章正常右冠状动脉的血流动力学数值模拟[目的]本实验利用数值模拟技术建立带有侧分支的理想右冠状动脉和个体右冠状动脉有限元模型,探索解剖因素对血流动力学参数血管壁面剪切应力(Wall Shear Stress, WSS)和血管壁面压力(Wall Pressure Gradient, WPG)的具体影响,比较扭曲右冠状动脉与非扭曲右冠状动脉的血流动力学差异,为临床评估患者发生粥样斑块的倾向性提供依据。[方法]1、基于个体右冠状动脉(Right Coronary Arteries,RC As)的解剖特点,用Proe5建立125例带有侧分支的理想右冠状动脉模型及一例侧分枝成60度的直管作为参照模型,模型差异表现在主干弯曲程度、侧分支的弯曲程度及侧分支与主干血流方向的成角角度三个方面；2、用MIMICS10.01把疑似冠心病患者的胸部CT血管造影(CTA.CTAngiography)的二维图像重建成三维模型后,挑选三例解剖结构差异较大的冠脉A、B和C,其主干全程未见狭窄,A是典型的非扭曲型右冠状动脉,C是典型的扭曲型右冠状动脉,B的解剖结构复杂程度介于A和C之间；然后采用Geomagic Studio2012进行光顺、裁剪等处理,建立个体右冠状动脉的三维数字化模型；3、采用CFX软件对建好的三维模型进行网格划分,赋予相同的生理边界条件、求解控制条件,并均求解成功,统一在收缩期速度峰值时刻采集各个冠脉模型的WSS分布云图,WPG分布云图,平均壁面剪切应力(average Wall Shear Stress, WSS)及冠脉出入口两端之间的压降(Pressure Drop, AP),并进行参数化分析。[结果]1、理想右冠状动脉中,局部低WSS和低WPG区域位于粥样斑块的易发部位,即弯曲的屈侧和分叉的对侧。平均壁面切应力值和冠脉出入口两端之间的压降与冠脉主干弯曲程度、侧分支与主干血流方向成角角度以及侧分支弯曲程度成正相关,其中,冠脉主干弯曲程度的影响最大；2、个体右冠状动脉中,解剖结构不同,WSS和WPG分布不同；在弯曲的屈侧和分叉对侧总是出现局部的低WSS和WPG区域；局部高WSS区域总是位于分叉处；同时冠脉近端分叉处的局部高WSS值大于冠脉远端分叉处；右冠状动脉C的wss值和冠脉出入口两端之间的压降AP均大于右冠状动脉A和B；3、个体右冠状动脉的局部低WSS和WPG区域出现的位置与理想右冠状动脉的一致,但分布云图较理想右冠状动脉复杂,压降AP值也是理想右冠状动脉的2-3倍。[结论]本实验通过建立理想冠脉模型,利用数值模拟方法,参数化分析了右冠状动脉主干弯曲程度、侧分支与主干血流方向成角角度对右冠状动脉的血流动力学影响,结果表明：局部低WSS和WPG位于粥样斑块易发部位,与文献报道一致。扭曲型右冠状动脉因受WSS和WPG的空间分布和幅度的更显著影响,加速了粥样斑块的发展,可应用于临床评估冠脉严重扭曲患者发生粥样斑块的倾向性；由于侧分支与主干血流方向成角角度的大小,影响到冠脉的血流动力学,也参与扭曲右冠状动脉更易于发生心肌缺血和粥样斑块,所以,针对右冠状动脉严重病变并无法进行支架植入术,必须施行冠状动脉移植术的患者,移植血管与闭塞冠脉下段的成角角度有待优化,因此,本研究可为冠状动脉旁路移植术的基础手术设计和施行提供理论依据。第二章高度弯曲的进展性狭窄冠脉的流固耦合分析[目的]利用计算流体力学技术建立不同狭窄程度的偏心性高度弯曲右冠状动脉三维数字模型,采用双向流固耦合分析(two-way Fluid-structure Interaction Analysis,FSI)方法分析弯曲右冠状动脉出现狭窄后的血流动力学变化情况。[方法]1、用Proe5建立一支正常高度弯曲右冠状动脉及9支带有粥样斑块的不同狭窄程度的偏心性高度弯曲右冠状动脉的三维数字化模型,10支冠脉的不同之处为弯曲屈侧出现的偏心性粥样斑块的高度和长度逐渐增加,即冠脉腔的狭窄程度逐渐增加。2、采用ANSYS Transient Structure模块和CFX软件对建好的三维模型进行网格划分,结合应用ANSYS Transient Structure模块和CFX模块对赋予了相同的生理边界条件、求解控制条件的有限元模型进行流固耦合分析,求解成功后统一在速度峰值时刻采集各个冠脉模型的WSS分布云图、WPG分布云图、粥样斑块最狭窄平面上的von Mises应力分布云图、wss、冠脉出入口两端之间的压降AP及最狭窄平面上的von Mises应力的最大值和最小值,并进行参数化分析。[结果]冠脉自发生粥样斑块至明显狭窄的过程中,局部低WSS区域向冠脉屈侧下游移动,局部低压力区域由冠脉远段移动到冠脉屈侧下游,von Mises应力在粥样斑块最狭窄平面上呈不均匀性分布。并且,冠脉的平均壁面切应力值和冠脉出入口两端之间的压降及粥样斑块最狭窄平面上von Mises应力最大值和最小值与狭窄程度成正相关。[结论]高度弯曲的进展性狭窄冠脉的流固耦合分析成功展示了冠脉从无病变到出现轻微狭窄致发展到重度狭窄过程中的动态血流动力学变化。局部低WSS和低WPG区域的动态变化,与文献报道一致,可应用于揭示粥样斑块发生发展的形态学变化趋势；冠脉自发生粥样斑块至明显狭窄的过程中,随着狭窄程度的增加,冠脉的平均壁面切应力值和冠脉出入口两端之间的压降增加,可加速粥样斑块的发展,同时,压降AP的增加,与血流阻力的增加密切相关,对压降的测量,可应用于评估冠脉的狭窄严重程度；粥样斑块最狭窄平面上von Mises应力最大值和最小值与狭窄程度成正相关,可能与易损斑块的破裂相关。