基于CT颅内动脉瘤支架的表面剪切应力分析

BACKGROUND: Numerical stimulation technology is a good method to analyze blood flow changes after intracranial aneurysm stenting that often result in restenosis.     

冠脉支架内再狭窄的血流动力学研究进展

冠脉支架术后再狭窄是严重且高发的医学事件。局部血流动力学因素,特别是壁面剪切应力(WSS),对冠脉粥样硬化斑块的形成、发展和不均匀性有着重要的影响。最近的基础和临床在体研究表明,WSS也可能与支架内再狭窄的发生有关。从支架内再狭窄的形成机制出发,分析冠脉支架后的力学环境对再狭窄的作用机制,详细阐述近年基于计算流体力学（CFD）方法的冠脉支架内再狭窄的血流动力学研究进展。     

剪切应力对血管内皮细胞的影响

血管内表面覆盖有一层内皮细胞。这层内皮细胞曾被认为是血液成分与血管壁之间的屏障，仅在血管内外的养料、氧和一些大分子物质的交换时起中介作用。六十年代，病理解剖发现动脉粥样硬化常发生于血管分支处与血管弯曲部位，因而激发了人们对血管内皮细胞及其血流动力学环境的研究举。研究表明，血管内皮细胞在体内不断地受到脉动血流的剪切作用，这种血流动力学环境对内皮细胞生物学特性和内皮细胞正常功能至关重要。目前已研究发现     

血管壁面剪切应力的测量及其临床研究进展

总结血管壁面剪切应力(WSS)的几种测量技术和计算方法,主要包括基于磁共振或磁共振结合计算流体动力学(CFD)、计算机断层扫描(CT)、血管内超声、传统超声、超声向量血流成像和超声粒子流的血流速度测量技术,以及根据速度计算WSS的几种不同运算方法。介绍WSS计算时的另一个重要参数--血液黏滞系数(又称“血黏度”),描述该参数在精确测量WSS时的选取和计算。此外,通过现有文献论述三维向量WSS的测量以及WSS相关临床参数的计算方法,对现有的WSS临床研究做综述性的讨论。针对颈动脉、主动脉、冠状动脉、肱动脉、股动脉等不同血管,列举WSS相关的临床研究结果,并从中归纳出绝大多数临床研究认可的3个主要结论。     

基于动脉系统旋动流原理的一种血管内支架旋流导引装置的优化

血管内支架是目前治疗心血管疾病的主要方法之一。但是支架植入后的血管再狭窄问题至今未获完全解决。研究表明,支架植入后导致的局部血流紊乱和流场异常是造成再狭窄的主要原因之一。基于动脉系统的旋动流原理,设计了一种能够引导血流产生旋动的血管内支架旋流导引装置,并用计算流体力学的方法,对其进行了优化设计。流场数值研究表明,优化设计得到的旋流导引装置可产生足够强度的旋动流。我们相信,该装置产生的旋动流可有效抑制支架结构对血流的扰动,从而达到减缓血管再狭窄的目的。     

支架植入后趋直现象对血管壁局部生物力学环境的影响

目的研究支架植入后趋直现象对病变处血管壁力学环境变化的影响,探索支架植入后再狭窄的生物力学成因及支架优化方法。方法基于患者CT扫描图像,使用Mimics、Geomagic和Pro/E软件完成动脉、球囊以及理想与趋直两种支架模型的构建,应用ABAQUS软件建立球囊-支架-冠状动脉左前降至血管之间的力学模型,根据数值模拟计算结果,分析趋直对病变处血管壁力学环境的影响。结果在1.013 MPa充气压力下撑开支架后,与理想支架模型相比较,趋直支架模型的血管壁内表面出现Von Mises应力增大和明显的应力集中现象,尤其是在近心端、远心端及沿心肌表面区域。理想支架模型血管内壁平均和最大Von Mises应力分别0.39、5.12 MPa;趋直支架模型血管内壁平均和最大Von Mises应力分别为0.45、7.43 MPa。结论支架植入后发生的趋直现象将引起应力分布不均匀,出现应力集中,增大对血管壁造成的伤害,可能会引起血管的机械损伤及管壁重建,诱发支架内再狭窄的发生。研究结果可为术后支架内再狭窄的机理分析提供帮助,也为血管介入手术方案及支架优化设计提供参考。     

支架植入动脉后的血流动力学特性的研究方法

支架植入术是当今治疗动脉粥样硬化冠心病的一个非常重要的方法,而支架内血栓和新生内膜增生所致的再狭窄是导致冠脉内支架植入术失败的主要原因。大量研究表明支架的血流动力学特性影响了血栓的形成和新生内膜的增生,从而导致了支架内的再狭窄。我们回顾了病变血管支架术的重要性及其存在的问题,通过分析支架血流动力学特性的研究方法,综述了该领域的研究成果和进展。     

血管支架内再狭窄的研究进展

冠状动脉粥样硬化性心脏病是心血管疾病死亡的重要原因之一 ,血管支架植入治疗已经成为一个标准的血管成形术方法 ,但是支架内再狭窄仍然是制约其应用的一个主要的问题 ,据统计 ,冠状动脉血管支架植入在 6个月后的再狭窄率仍然高达 2 0～ 30 % ,成为制约支架临床应用的一个最主要的问题。本研究综述了血管支架内再狭窄机理以及再狭窄发生过程的研究进展 ,介绍了金属支架涂层以及高分子血管支架的最新研究进展。     

药物涂层支架的研究进展

冠状动脉粥样硬化是导致人类因心脏病死亡的最主要原因，经皮冠状动脉成形术是其主要治疗手段，但是术后再狭窄的发病率高达10％-60％，目前大量研究表明，药物涂层支架能显著降低经皮冠状动脉成形术后再狭窄率，具有广阔的应用前景。就药物涂层支架的最新进展做一综述。     

药物洗脱支架高度对药物浓度和壁面切应力分布影响的数值分析

目的研究药物洗脱支架(drug-eluting stent,DES)突起高度对药物释放动力学和血流动力学的影响,为DES的优化设计提供依据。方法采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,对血流动力学和药物释放动力学进行耦合分析,考虑3种不同突起高度支架,研究血管壁组织中药物含量和壁面切应力的分布。结果支架突起高度的增加将有利于药物的沉积,但将增加低切应力区长度。比较而言,血管壁中药物含量随着突起高度增加的幅度远小于低切应力区长度的增加。结论综合考虑药物浓度和壁面切应力两种因素,建议适当降低支架的突起高度,以便更有效地降低再狭窄产生的几率。     

不同设计心血管支架的血流动力学分析

血液对血管壁的剪应力在支架内膜增生过程中起着非常重要的作用，低剪应力往往能促进内膜增生。我们利用计算流体动力学的方法，分析了定常流与脉动流两种条件下，支架植入引起的血管壁面剪应力的变化。结果发现：支架尺寸与结构的变化能够引起血管壁面剪应力的明显变化，这对于心血管支架的设计具有一定的指导意义。     

振荡流动对组织工程用灌注式生物 反应器中剪切力分布影响

目的 考察振荡流动以及三维支架孔径和孔隙率对生物反应器内流速和剪切力分布的影响,并根据理论计算结果为脱细胞骨三维支架和灌注式生物反应器制备提出优化方法。方法 针对实验室前期制备的骨组织工程用脱细胞骨三维支架和灌注式生物反应器,将脱细胞骨三维支架简化为各向同性的多孔介质,对生物反应器内的流速和剪切力分布进行理论建模。结果 振荡流作用时,多孔支架材料内速度和达西剪切力呈现一致的变化规律,不同半径处流速和达西剪切力差异减小,有利于在骨组织工程中对种子细胞进行均匀三维培养。提高入口灌流速度可提高平均达西剪切力;增加多孔支架孔径或孔隙率对支架内流速峰值影响不大,但会显著降低平均达西剪切力;提高入口振荡流动振荡频率可降低支架内流速最大峰值,显著减小不同半径处流速的差异。结论 适宜的振荡流易产生利于骨组织工程干细胞所需剪切力,研究结果有望为优化骨组织工程中种子细胞的三维培养方法提供理论指导。     

一种血管内支架的有限元模型及计算流体动力学分析

支架植入所造成的血栓、血管损伤及其对血流动力学的影响是造成支架内再狭窄的主要原因。我们利用有限元模型与计算流体动力学的方法,分析了一种支架在植入过程中与斑块、血管的相互作用及其对血流情况的影响。结果发现：支架植入后端部发生翘起,这容易损伤血管壁;支架植入模型所对应的即刻回缩率明显高于支架自身的回缩率,其结果分别为12.3%、3.1%;支架壁厚与连接筋设计能够引起血管壁面剪应力的明显变化。这对于血管内支架的设计具有一定的指导意义。     

支架介入治疗颈内动脉狭窄和动脉瘤对动脉瘤壁面压力的影响

目的研究当狭窄与动脉瘤毗邻时,使用支架介入治疗后对动脉瘤壁面压力产生的影响。方法使用计算流体动力学分析的方法对动脉瘤模型及狭窄和动脉瘤毗邻的模型进行对比研究。构建3个模型(M1、M2、M3)对压力变化进行分析比较。M1是颈内动脉瘤模型(无狭窄、无支架),在M1中的动脉瘤前构造一段狭窄动脉形成M2,在M2的动脉瘤部位植入支架后形成M3。结果 M2、M1两个模型相比较,轻度狭窄(50%)引起的动脉瘤部位的压力增加约为1.369 9 kPa(10.3 mmHg)(收缩期的峰值时刻),一个心动周期内动脉瘤部位的平均压力增加约为0.572 kPa(4.3 mmHg)。M3、M2两个模型相比较,动脉瘤部位的压力增加大约为1.037 kPa(7.8 mmHg)(收缩期的峰值时刻),一个心动周期内动脉瘤部位的平均压力增加大约为0.399 kPa(3 mmHg)。结论当使用支架治疗狭窄与弯曲颅内动脉瘤毗邻的患者时,轻度狭窄不会导致显著压力增加。载瘤动脉的形状、动脉瘤或动脉狭窄疾病确实对动脉瘤部位压力变化有影响。     

The influence of surface micro-structure on endothelialization under supraphysiological wall shear stress

Interaction between platelets and artificial materials within cardiovascular devices triggers blood coagulation and represents a frequent adverse response to implant deployment. Avoidance of this interaction is obtained through the generation and sustenance under flow of a confluent and stable endothelial monolayer covering the luminal device surface, altogether defined as the process of endothelialization. Supraphysiological wall shear stress (WSS) levels generated within vascular assist devices (VADs) constitute a major challenge toward endothelialization. Here we report the experimental demonstration that stable endothelialization can be achieved at supraphysiological WSS levels by pure means of appropriate surface micro-structuring. Using a custom-designed flow bioreactor we exposed endothelial monolayers to physiological and supraphysiological WSS levels and investigated the resulting integrity of cell-to-cell junctions, the cell density and the cell polarization. At physiological WSS levels, optimal endothelialization was obtained independently from surface topography. However, at higher WSS levels, only monolayers grown on appropriately micro-structured surfaces preserved optimal integrity. Under these flow conditions, endothelial cells polarized by the contact with the micro-structure and, interestingly, oriented themselves in the direction perpendicular to flow. Such endothelial layers withstood WSS levels exceeding of 100% or more the thresholds detected on flat substrates.     

自发性高血压大鼠颈总动脉的平均壁面切应力和周向应力

目的确定自发性高血压大鼠(SHR)颈总动脉的平均壁面切应力(WSS)和周向应力(CS),并与同龄正常血压大鼠(WKY)相对比,观察SHR和WKY大鼠颈总动脉平均WSS和CS的特征。方法选取12周龄SHR作为动物模型,同龄WKY为对照组;通过在体测定颈总动脉的平均血流量与平均血压,离体测量颈总动脉的无载荷状态形态学数据,以及在体轴向伸长比条件下颈总动脉段的压力(p)-容积(V)关系,确定颈总动脉平均WSS和CS;同时比较SHR和WKY颈总动脉的平均血压和血流量、无载荷和载荷状态几何尺寸以及平均WSS和CS的特征。结果与正常血压的WKY组相比,SHR组颈总动脉血压明显增高、流量明显降低;无载荷和载荷状态下SHR组动脉的内外半径均增大,载荷状态下SHR组动脉壁厚减小;SHR颈总动脉平均WSS明显降低,而CS明显增高。结论高血压和低流量引起了SHR颈总动脉重建;低WSS和高CS是SHR颈总动脉血液动力学参数的重要特征;WSS和CS的协同作用可能是反映动脉重建的敏感指标之一。     

Computational fluid dynamics analysis of balloon-expandable coronary stents: Influence of stent and vessel deformation

In many computational fluid dynamics (CFD) studies of stented vessel haemodynamics, the geometry of the stented vessel is described using non-deformed (NDF) geometrical models. These NDF models neglect complex physical features, such as stent and vessel deformation, which may have a major impact on the haemodynamic environment in stented coronary arteries. In this study, CFD analyses were carried out to simulate pulsatile flow conditions in both NDF and realistically-deformed (RDF) models of three stented coronary arteries. While the NDF models were completely idealised, the RDF models were obtained from nonlinear structural analyses and accounted for both stent and vessel deformation. Following the completion of the CFD analyses, major differences were observed in the time-averaged wall shear stress (TAWSS), time-averaged wall shear stress gradient (TAWSSG) and oscillatory shear index (OSI) distributions predicted on the luminal surface of the artery for the NDF and RDF models. Specifically, the inclusion of stent and vessel deformation in the CFD analyses resulted in a 32%, 30% and 31% increase in the area-weighted mean TAWSS, a 3%, 7% and 16% increase in the area-weighted mean TAWSSG and a 21%, 13% and 21% decrease in the area-weighted mean OSI for Stents A, B and C, respectively. These results suggest that stent and vessel deformation are likely to have a major impact on the haemodynamic environment in stented coronary arteries. In light of this observation, it is recommended that these features are considered in future CFD studies of stented vessel haemodynamics.     

具有梯度的流体切应力促进血管内皮细胞增殖

目的探讨流体切应力(shear stress,SS)对血管内支架边缘内皮细胞(endothelial cells,ECs)增殖的影响。方法应用具有切应力梯度的平行平板流动腔(梯度切应力组)和普通矩形平行平板流动腔(恒定切应力组),分别对ECs施加0.566￣1.438Pa和1.137Pa的切应力,加载时间6h,以未施加切应力的ECs为静止对照组。流式细胞仪检测各组ECs细胞周期的变化。结果梯度切应力组ECs在受力6h后进入S期与G2+M期细胞明显多于静止对照组与稳定切应力组(P<0.05);恒定切应力组的ECs受力后进入S期与G2+M期细胞明显少于其他两组(P<0.05)。结论梯度切应力促进ECs进入分裂增殖期,而稳定的层流切应力则产生对ECs细胞周期的抑制作用。提示血管内支架植入后,继发的血流切应力改变诱导细胞进入分裂、增殖期,这可能是引起支架内再狭窄过程中血管内膜增生的原因之一。     

Computational Approach to Estimating the Effects of Blood Properties on Changes in Intra-stent Flow

In this study various blood rheological assumptions are numerically investigated for the hemodynamic properties of intra-stent flow. Non-newtonian blood properties have never been implemented in blood coronary stented flow investigation, although its effects appear essential for a correct estimation and distribution of wall shear stress (WSS) exerted by the fluid on the internal vessel surface. Our numerical model is based on a full 3D stent mesh. Rigid wall and stationary inflow conditions are applied. Newtonian behavior, non-newtonian model based on Carreau-Yasuda relation and a characteristic newtonian value defined with flow representative parameters are introduced in this research. Non-newtonian flow generates an alteration of near wall viscosity norms compared to newtonian. Maximal WSS values are located in the center part of stent pattern structure and minimal values are focused on the proximal stent wire surface. A flow rate increase emphasizes fluid perturbations, and generates a WSS rise except for interstrut area. Nevertheless, a local quantitative analysis discloses an underestimation of WSS for modelisation using a newtonian blood flow, with clinical consequence of overestimate restenosis risk area. Characteristic viscosity introduction appears to present a useful option compared to rheological modelisation based on experimental data, with computer time gain and relevant results for quantitative and qualitative WSS determination.