劉鵬飛，趙昆，王川，張昱昕，趙軒鋮

樂普（北京）醫(yī)療器械股份有限公司 研發(fā)部，北京市，102200

0 引言

支架內血栓作為冠脈支架植入后的重要并發(fā)癥，是臨床和學術界近年來的研究熱點。血栓形成的原因是多方面的，支架結構設計是影響血栓形成的主要原因之一[1]。血小板是血栓形成的始動因子[2-5]，其有近壁面區(qū)域集中分布的特性[6]。當壁面剪切應力低于0.5 Pa，血小板易發(fā)生貼壁粘附[7-9]；而當壁面剪切應力大于9 Pa，剪切力會誘導中間介質血管性血友病因子(von Willebrand Factor,vWF)大量形成，從而導致血小板迅速聚集而形成血栓[10-11]。振蕩剪切應力指數(shù)與相對停留時間增大，會促進內膜增生與細胞擴散[12-13]，增加血液中脂質與栓子和血管壁進行交互的停留時間，更容易導致血栓的形成，從而增大后期并發(fā)癥的發(fā)生概率[14-15]。

完全可降解支架（BRS）具有完全降解，重建血管舒縮功能，恢復血管彈性，改善患者的長期預后的優(yōu)勢，被譽為PCI的第四次革命[16]。雅培Absorb BRS支架壁厚與早期臨床研究較高的血栓發(fā)生率相關[17-19]，引起醫(yī)生和學者對BRS早期支架內血栓的擔憂和質疑。最新Absorb China和樂普NeoVas支架的臨床結果表明，通過優(yōu)化支架結構設計并嚴格使用優(yōu)化后的BRS植入策略（PSP），將會極大降低血栓發(fā)生率，提升可降解支架的安全性。NeoVas支架術后隨訪表明血栓發(fā)生率分別為0.9%（3年）和0.4%（1年）。

本研究基于樂普NeoVas完全可降解支架嚴格采取PSP植入策略的前提，根據(jù)支架植入即刻OCT數(shù)據(jù)建立流場模型，利用有限元方法研究NeoVas支架植入后壁厚、桿寬和血管直徑因素對其血流動力學的影響，探究其與血栓形成的關系。

1 材料和方法

1.1 流體模型的三維重建及模型參數(shù)確定依據(jù)

根據(jù)NeoVas生物可吸收冠狀動脈雷帕霉素藥物洗脫支架系統(tǒng)的隨機對照試驗，進行OCT亞組研究，隨訪植入即刻、1年與3年后OCT圖像（如圖1），測量植入即刻87位患者OCT影像支架絲暴露在血管中的厚度與支撐段血管直徑（如表1所示）。臨床中NeoVas支架壁厚范圍為0.13～0.21 mm，平均壁厚為0.17 mm，同時計算出薄壁支架（支架壁厚為0.13 mm）相關參數(shù)。在可降解支架材料屬性不變的情況下，通過有限元模擬分析與實際測量可降解支架徑向支撐力發(fā)現(xiàn)[20-22]，NeoVas支架的徑向支撐力與支撐單元桿寬的關系為二次方正相關，徑向支撐力與支架壁厚呈一次方線性正相關。

圖1 NeoVas支架與植入即刻、1年后內皮化與植入3年后完全降解OCT圖片F(xiàn)ig.1 The NeoVas stent image and the OCT images of Neo Vas stent implantation immediately,endothelialization after 1 year and complete degradation after 3 years

表1 血管直徑與支架絲暴露厚度數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(mm)Tab.1 Statistics of blood vessel diameter and stent filament exposure thickness

國內外對支架植入后的血流動力學環(huán)境的研究大部分均忽略支架絲嵌入血管內的部分[3-4]，支架絲暴露于血液中的厚度與桿寬是引起支架植入后血流動力學變化的主要因素。根據(jù)患者OCT與支架幾何結構使用soliderworks三維重建8種類型支架植入后的流體模型。

1.2 模擬計算與邊界條件

1.2.1 控制方程

有限元模擬計算使用的血液流動控制方程為三維不可壓縮N-S（納維-斯托克斯）方程組[23]：

公式中u和p分別代表速度矢量和壓力，ρ和μ是血液的密度（1 050 kg/m3）和粘度（0.003 5 kg/(m.s)）[5]。

后處理使用ANSYS Fluent 15.0軟件模擬計算得到數(shù)據(jù)，根據(jù)下面公式來編寫特定的Matlab程序來自動處理數(shù)據(jù)[24]。時間平均剪切應力（TAWSS）是一個完整心動周期的壁面剪切應力（WSS）的平均值，時間平均剪切應力的公式為：

公式中T為一個心動周期，WSS為瞬時壁面剪切應力矢量。

振蕩剪切力指數(shù)（OSI）是描述血管內壁所受剪切力方向變化的衡量參數(shù)。OSI的公式為：

相對停留時間（RRT）是用來定義近壁的物質的停留時間。RRT的公式為：

1.2.2 邊界條件

根據(jù)文獻中血管狹窄患者冠狀動脈左前降支脈動血液流量圖設定血管入口速度[25-26]。不同直徑血管計算相對應的血液流速，入口處設置為相對應的脈動流血液流速情況，設置雷諾數(shù)為270[27]。計算模型的血管壁面及支架表面，均采用固壁、無滑移邊界條件[28-29]。

2 結果分析

2.1 不同壁厚和直徑可降解支架植入血管后對局部血流動力學環(huán)境的影響

2.1.1 血液流速與渦流面積分析

如圖2速度云圖與跡線所示，不同壁厚支架植入相同直徑血管后速度與跡線基本不會發(fā)生明顯變化。并且均隨著植入處血管直徑增大，平均血流速度減小。流速分析發(fā)現(xiàn)，0.17 mm壁厚的支架植入2.25 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm血管的平均血流速度分別為0.374 5 m/s、0.332 9 m/s、0.211 7 m/s、0.171 2 m/s，對比同血管直徑薄壁支架平均血流速度降低0.11%、0.20%、0.09%和0.05%，差值隨著直徑增大而縮小。

圖2 不同規(guī)格支架植入后血管剖面速度云圖及跡線局部放大圖Fig.2 Velocity cloud map and local enlarged streamlines in vascular section after implanting stent with different specifications

如圖3所示，不同壁厚支架渦流面積都隨著植入血管直徑增大而迅速減小，渦流面積差值越來越小。0.17 mm壁厚支架在植入血管直徑大于2.5 mm時有更小的渦流面積，且植入血管直徑為3.5 mm時的渦流面積比2.25 mm時降低了68%，而薄壁支架只降低了36%。當植入處血管直徑小于2.5 mm時，0.17 mm壁厚支架渦流面積增大比薄壁支架更明顯。

2.1.2 壁面剪切應力與時間平均剪切應力

如圖4所示，對比0.17 mm壁厚支架平均壁面剪切應力，薄壁支架整體壁面剪切應力更大，特別是當血管直徑小于2.5 mm時，壁面剪切應力大于9 Pa與小于0.5 Pa分布面積更大。不同壁厚支架平均壁面剪切應力均隨著植入血管直徑增大而明顯減小；血管直徑越大，不同壁厚支架整體壁面剪切應力越趨于安全范圍，兩者差值越小。

圖3 支架植入后渦流面積與血管直徑趨勢圖Fig.3 The vortex area and vessel diameter after BRS implantation chart

圖4 支架植入平均壁面剪切應力與血管直徑趨勢圖Fig.4 The average wall shear stress and vessel diameter after BRS implantation chart

如圖5所示為支架植入后危險區(qū)域占比（時間平均壁面剪切應力小于0.5 Pa與大于9 Pa的分布面積占總體支架植入?yún)^(qū)域面積的百分比）與血管直徑趨勢圖。0.17 mm壁厚支架在植入血管直徑為2.25、2.5與3.5 mm時危險區(qū)域占比均小于同等條件下的薄壁支架，差值最大為7.05%。兩種支架類型的整體危險區(qū)域占比，均隨著植入處血管直徑增大快速降低。0.17 mm壁厚支架植入處血管直徑由2.25 mm變?yōu)?.5 mm時，危險區(qū)域占比將降低71%。當植入處血管直徑小于2.5 mm，薄壁支架危險區(qū)域占比更明顯增大。

2.1.3 振蕩剪切應力指數(shù)和相對停留時間

如表2所示，不同規(guī)格NeoVas支架的平均振蕩剪切應力指數(shù)整體數(shù)值均很低，低于0.000 7；不同壁厚支架OSI均隨著血管直徑增大而減小。不同厚度支架植入同等直徑血管OSI基本無差別。植入相同直徑的血管，對比0.17 mm壁厚支架，薄壁支架的相對停留時間數(shù)值更大。

圖5 支架植入后時間平均壁面剪切應力危險區(qū)域占比與血管直徑趨勢圖Fig.5 The TAWSS dangerous area and vessel diameter after BRS implantation chart

表2 平均振蕩剪切應力指數(shù)和平均相對停留時間Tab.2 The average OSI and RRT

3 結論

本研究根據(jù)患者OCT數(shù)據(jù)重建支架植入后模型，利用有限元方法對比兩種不同壁厚設計可降解支架植入后血流動力學環(huán)境?；谀M計算與臨床實際數(shù)據(jù)，研究支架壁厚、桿寬與直徑對血流動力學環(huán)境的影響，及其與血栓形成的關系。

（1）不同壁厚的NeoVas支架植入相同直徑后不會造成局部血流動力學環(huán)境顯著變化；血管直徑變化所導致局部血流動力學變化遠遠大于壁厚與桿寬變化。

（2）在植入血管大于2.5 mm時，0.17 mm壁厚可降解支架比薄壁支架有更好的血流動力學環(huán)境，其壁面剪切應力、危險區(qū)域占比與渦流面積比薄壁支架值更小，有更低的血栓形成概率。即在同等支撐力條件下，厚壁窄桿比薄壁寬桿有更好的血流動力學環(huán)境。

（3）有限元模擬結果與臨床中NeoVas支架較低的血栓發(fā)生率相符合，RCT 1年與3年隨訪血栓發(fā)生概率僅為0.4%與0.9%，OCT（1 098例）2年隨訪血栓發(fā)生概率僅為0.8%，對照組Xience支架1年與3年隨訪血栓發(fā)生率為0.35%與0.7%。

（4）在植入血管小于2.25 mm時，不同壁厚支架相關血流動力學參數(shù)互有優(yōu)勢，但是整體壁面剪切應力、危險期區(qū)域占比及渦流面積均會顯著增大，血流動力學環(huán)境會更加惡劣，從而增大血栓等不良事件發(fā)生的概率，與臨床發(fā)現(xiàn)相符合。根據(jù)血流動力學模擬分析與臨床效果可以看出目前可降解支架的桿寬與壁厚應避免小直徑血管植入使用。