基于血管内超声的冠脉三维薄片模型和流固耦合模型对斑块增长的研究

发布时间：2020-09-14 18:56

　　心血管疾病是人类健康的头号杀手。其中大部分临床事件的发生如急性心脏病、心绞痛以及中风都与动脉粥样硬化过程有着密切的联系。随着大量有关动脉粥样硬化易损斑块增长与破裂研究的开展,越来越多的证据表明力学因素在易损斑块的增长与破裂过程中扮演着重要的角色。研究人员引进了多种基于医学多模态影像的计算生物力学仿真模型以求理解斑块增长和破裂的机理,并为临床诊断提供更多有用的信息。由于易损斑块的结构复杂性,成分多样性,三维流固耦合易损斑块模型的搭建及求解需要大量的时间,这也限制了将生物力学模型应用于临床辅助诊疗的可能性。二维模型虽然大大减少了建模及求解时间,以三维流固耦合模型作为金标准,二维模型的精度不足以满足临床要求。因此,本文引入一种三维薄片模型作为三维流固耦合模型的近似,探究三维薄片模型替代三维流固耦合模型以及应用三维薄片模型于冠脉斑块增长预测分析和临床应用的可行性。本文采用已有的四组病人的初访(T1)及随访(T2)数据,包括血管内超声图像(IVUS)以及血管造影数据搭建了8个三维流固耦合模型及385个三维薄片模型,提取两种模型的斑块壁面应力、斑块壁面应变及壁厚进行对比分析,确定三维薄片模型替代三维流固耦合模型产生的误差。同时本文选取壁厚增长为斑块增长的度量,分别研究比较了两种模型计算得到的应力、应变及壁厚三组力学影响因子与斑块增长的相关性及其差异。本文还进一步对力学模型中的周向收缩率、轴向拉伸过程以及循环弯曲对两种模型计算结果带来的影响进行了仔细的研究。结果表明,三维薄片模型与三维流固耦合模型的平均壁面应力与应变的差异均小于10%(应力:9.1%;应变:8.4%)。同时,两组模型的斑块增长与影响因子的相关性也体现出了一致性(正相关负相关结论相同率:87.5%).。从时间成本考虑,三维薄片模型将构造三维流固耦合模型的10-15天压缩至数个小时,在保证一定精度的前提下,大大缩短了模型建模与求解的时间,为生物力学模型应用于临床诊断辅助分析提供了可能性。三维薄片模型仍需大量的患者数据以获得进一步的验证。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R54;TP391.41
【部分图文】：

动脉粥样硬化斑块

图1-1 展现了易损斑块在冠状动脉中发展及破裂的过程。图 1-1 动脉粥样硬化斑块的生长及破裂[6]血流动力学异常也会造成血管内皮细胞的损伤。较低的剪切力会导致脂质等粒子慢慢积聚，从而诱发动脉粥样硬化斑块的生长[7]。动脉粥样硬化与血流动力学壁面剪切力的高度相关性被广泛研究。流体力学的壁面剪切力直接影响着血管壁内皮细胞的形态及细胞骨架结构。壁面剪应力使原本自由取向、多边形鹅卵状的动脉内皮细胞，趋向于与流动方向一致的排列。内皮细胞在正常水平下的动脉壁面剪切应力（大于15dyne/cm^2）的影响下致密排列，抑制着内皮细胞的翻转，而在壁面剪应力降低的情况下（小于4dyne/cm^2），内皮细胞有着很高的翻转率，导致内皮细胞间的缝隙增大，形成通道，使低密度脂蛋白更易进入内皮下间隙。同时，低水平壁面剪应力还会影响生物合成酶活性，使得内皮细胞超氧负离子的含量增加，内皮细胞的黏附作用增大，诱发动脉粥样硬化。另外，血管局部的结构会随着心脏的搏动而改变，因此导致血流在局部形成涡流，这种不稳定的壁面剪应力对内皮细胞的结构功能也会产生较大的影响。从而影响动脉粥2

斑块,核磁共振图像,组织切片,类型

生长程度的斑块做了分类[21-23]。表1-1和图1-2分别给出了斑块分类指数的定义和实例。表 1-1 易损斑块的形态分类指数与 AHA 分类标准的对比[20]形态分类指数 AHA 分类斑块特征描述斑块形态V = 0 类型Ⅰ或类型Ⅱ 正常或有轻微的内膜增厚非常稳定V = 1 类型Ⅲ有中等程度的内膜增厚，无细胞外的脂质、钙化物或明显的炎症稳定V =2 类型Ⅳ，类型Ⅴ较小的脂质核（不超过斑块大小的 30%）；可出现钙化物；纤维帽较厚（超过 200μm）轻微不稳定V = 3 类型Ⅴ中度的脂质核（占斑块大小的 30%-40%）和纤维帽较厚（65μm -200μm）；中度的斑块内出血；中度的炎症中度不稳定V = 4 类型Ⅵ大脂核（超过斑块的大小的 40%）薄纤维帽（小于 65μm）；大斑块内出血；肩部有大量炎症；有早期破裂迹象。高度不稳定3

图像数据

earch Foundation 提供，主要包含四位患者（F1、F4、F5、F7）的冠状动脉 IVUS 图切片分割轮廓数据，冠状动脉 CT 造影的动态图像数据。这些数据（已经过除名处的使用均已经过伦理委员会的审查和批准。IVUS 图像是借助有创的超声导管所采集的，先将金属导管定位在控制台的近端借同时给血管管腔内的远端导丝施加约束，而后导管伸至目标位点后约 2cm 处，然拉导管，回拉过程中要注意避免导管旋转。病变位点的数据则由一个 20MHz，2.9-F相控阵探头记录。同时在回拉过程中，将 RF 数据做图像重建得到血管内超声的 B图像轮廓的检测是使用 IVUS 成像系统（Volcano Crop., Rancho Cordova, CA）自动 VH 软件（Version 3.1）来提供切片几何形状及斑块成分的输出。我们称 VH 软件出斑块成分的图像为 VH 图像，如图 2-1（a）所示，VH 图像经过图像分割得到轮，包含有每片切片的不同成分的轮廓信息，如图 2-1（b）所示，这部分数据是由Zheng 教授研究组提供。a) (b)

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