摘要
目的 研究桥血管远端不同处理方式对其血栓生成的不同影响。方法 针对远端侧-侧吻合(distal-end side-side anastomosis,DESSA)冠脉搭桥术,构建桥血管远端裁剪和不裁剪两种模型。使用生化反应的血液物质传输扩散模型,同时考虑血流动力学的切变率、流体滞留时间和血小板分布参数,评估血栓形成的可能性,使用数值模拟方法探讨DESSA冠脉搭桥中血栓生长。结果 对于桥血管远端无裁剪处理的模型,血栓首先在桥血管远端内壁面上形成,随后向其内部生长,直至血栓占满大部分桥血管远端区域,血栓进入稳定状态,体积不再变化,生成血栓体积为15.051 mm。对于桥血管远端裁剪处理模型,生成血栓体积为7.352 mm,同远端无裁剪模型相比,生成血栓体积减小51.2%。桥血管远端裁剪处理后,吻合口上方桥血管内壁上有血栓生成,壁厚约为0.16 mm,为桥血管半径的10.65%。上述两种术式中,桥血管远端区域形成多个漩涡流(流速小于10 mm/s),促进桥血管远端血栓形成;计算结果和临床报道的血栓形成区域相一致。结论 临床DESSA冠脉搭桥术时,对桥血管远端进行裁剪处理,减小了桥血管生成血栓体积,但吻合口上方桥血管壁面生成血栓对冠脉搭桥术后影响还需进一步研究。
关键词:
血栓
远端侧-侧吻合
标量对流扩散
计算流体力学
近年来,以大隐静脉作为移植物,采用远端侧-侧吻合(distal-end side-side anastomosis,DESSA)方式进行冠脉搭桥术逐渐增多。DESSA具有以下优点:① 大隐静脉和冠脉有较大的直径比,可以相同的吻合口尺寸进行缝合 ;② 桥血管和冠脉接口尺寸匹配,吻合口周围不容易出血;③ 两者在同一平面内进行搭桥术,吻合口不容易发生扭结弯曲等变形;④ 术后需进行检查时,可将远端桥血管切开取出手术夹后进行检查。当然,同端-侧吻合方式相比,DESSA冠脉搭桥术后会在大隐静脉远端形成血栓。为避免血栓脱落引发血管栓塞,日本医生建议夹闭大隐静脉远端时尽可能靠近吻合口 。中国医生建议距吻合口足尖2～3 mm位置以大约 45°角方向将超出吻合口的大隐静脉截掉 。以上建议均基于临床经验,无理论依据。目前,针对DESSA桥血管血栓形成的数值模拟研究还鲜有报道。
本文将血流动力学模型与考虑了生化反应的血液物质传输扩散模型相结合,对桥血管DESSA血栓形成进行数值模拟研究。首先,对使用的血栓预测模型进行实验验证,以保证使用血栓预测模型的可靠性;随后,使用SolidWorks进行模型构建,得到DESSA冠脉搭桥几何模型,开展血流动力学数值模拟,获得冠脉搭桥术后的血流动力学参数;最后,基于血栓预测模型对桥血管DESSA方式血栓形成情况进行预测。研究结果可为DESSA冠脉搭桥术桥血管远端的处置方式提供理论指导。
计算方法验证部分使用经典台阶(backward-facing step, BFS)模型 。DESSA冠脉搭桥几何模型如 图1 (a)所示,桥血管和冠脉直径分别为3、1.5 mm,吻合角为30°(桥血管近端部分中心线和冠脉中心线之间夹角),吻合口长度(沿冠脉中心线方向)为3 mm。从冠脉搭桥术后的统计结果看,50%患者术后10年桥血管再次狭窄 。有医生建议将桥血管远端区域尽可能多得截掉 ,但裁剪位置距离吻合口有一最短距离(一般为2～3 mm),显然不能将桥血管远端区域全部截掉。这自然就出现将桥血管远端截掉部分区域后是否能避免桥血管远端产生血栓的问题。为此,将 图1 (a)模型进行修改,获得 图1 (b)所示裁剪桥血管远端冠脉搭桥模型。56°为裁剪角度(桥血管远端距离吻合口2 mm处 A 点与足尖 C 的连线 AC 同线段 AB 的夹角为裁剪角)。 图1 中尺寸均为大隐静脉与后降支冠脉DESSA时的典型尺寸。
本文使用Menichini等 发展的血栓预测模型。血液为不可压缩非牛顿流体,在BFS以及DESSA冠脉搭桥模型中均使用红细胞压积为30%的Quemada模型表示血液的非牛顿流体剪切流动行为 。设置血管壁为刚性。引入静止血小板(resting platelets, RP)、活化血小板(activated platelets, AP)、凝血剂(coagulant, C)、结合血小板(bound platelets,BP)等血液物质表示血栓形成过程,同时考虑了以上成分及生成血栓对血液流动的影响。血栓形成是涉及大量复杂生物化学反应及血液物质运输的生物力学过程。开始C在低剪切区血管内壁上形成;当C、AP和停滞时间(residence time,RT)足够大时,BP形成并激活凝血因子的反馈机制,进一步促进凝血因子形成。当BP浓度超过一定阈值,血栓开始形成。虽然血液中蛋白质和凝血因子在血管中心区域以对流传输为主,但在近管壁区域及血流低速和粒子高停滞时间区域中,凝血因子以扩散传输为主。由于血栓生成和其形成过程中的生化反应所需时间有数量级的差别,为使模拟血栓形成的计算切实可行,模拟计算时分别考虑了对流主导的流动和以扩散为主的血栓表面的生化反应,即通过对C剪切依赖的扩散机制的传输建模来实现的。在初始形成血栓表面,C的扩散传输,进而BP形成、浓度增加表示血栓的生长。血栓形成调节反馈路径如 图2 所示 。
在ANSYS ICEM CFD 14.5中进行网格划分,类型为非结构化四面体加三棱柱的混合网格。由于血管壁面附近的流动状态和血栓生成密切相关,在血管壁面的法向采用逐渐加密的三棱柱网格。为减小网格数量对计算精度的影响,通过3次尝试逐渐加大网格数量(网格数量分别为842 756、2 676 718、5 335 296),然后计算同一位置点的壁面剪应力并进行对比;当前后模拟计算的壁面剪应力相对误差小于5%后,就认为网格精度已满足要求。以第3次网格数量的参数设置进行网格划分,边界层初始层厚为15 μm,共10层,各层层厚以1.05倍的生长因子增长。
用于实验验证的BFS模型,血流以0.76 L/min不变流量流入,出口以0 Pa作为边界条件。首先,进行3个心动周期(心动周期为1 s)的无血栓预测模型的血液流动计算,模拟血管内的血液流动环境;再进行血栓预测模型的计算(以先进行计算的最后时刻结果作为初始条件)。计算工具使用ANSYS CFX 14.5,总计算时间为50 s,时间步长为10 ms 。
DESSA搭桥模型入口速度曲线如 图3 所示 [9-10] 。此速度下,1 min内血液入口流量为30 mL;出口处压力设置为0 Pa。同BFS模型计算类似,先进行3个周期(心动周期为0.9 s)的血液流动计算,营造出血管内的血液流动环境。然后使用血栓预测模型进行计算。经多次尝试计算,确定计算总时间为18.9 s(生成血栓已稳定)。18.9 s的计算时间由血栓形成前的血液流动环境计算时间(2.7 s)及血栓形成的计算时间(16.2 s)组成。时间步长为10 ms,以血栓生成过程中的典型时刻计算结果进行血液物质和流场参数分析。无论桥血管远端未裁剪模型还是远端裁剪模型,所使用的计算方法、参数以及边界条件均相同。
BFS模型中血栓从出现、发展至最大的分布情况如 图4 所示。当BP浓度大于200 nmol/L时,则判定血栓形成 。血栓开始出现在台阶下部顶点附近,并沿径向和轴向两个方向增长。血栓高度长至2.5 mm,同时宽度为8.66 mm时( t =28 s时血栓基本为此状态),血栓沿径向不再增长;随着时间推移,血栓沿轴向继续增长,长度为24.98 mm后不再增长。根据Taylor 等 的实验,血栓生长的最大长度为24.6 mm。本文模拟结果较好复现了Taylor等 实验,为该血栓模型的拓展应用奠定了基础。
对于桥血管远端无裁剪模型, t =0.1 s时,桥血管入口速度为0.246 m/s。当血液从桥血管近端入口流入时,在桥血管远端区域形成了1个逆时针旋向的涡流,且流速小于60 mm/s。在吻合口足尖附近冠脉血管内也形成了1个逆时针旋向涡流,且流速大于60 mm/s。在心动周期末期,血液从桥血管入口流出时,血管内流动情况较为复杂[见 图5 (a)]。原来有的桥血管远端区域内的涡流继续存在,旋向未变,但血流速度更小( v <30 mm/s)。在桥血管远端上下两端点附近,各有1个顺时针旋向的涡流,这两个涡流面积小,流速小于10 mm/s。计算可知,血栓就是从这两个位置开始形成。在足尖右下方冠脉血管内,形成了1个逆时针旋向的涡流,且流速更低( v <10 mm/s)。
对于桥血管远端裁剪模型, t =0.1 s时,在桥血管远端右下角很小区域范围内形成了1个流速很低的涡流。在吻合口足跟正下方冠脉血管内也形成了1个逆时针旋向涡流。在心动周期的末期,在吻合口足尖上方偏右桥血管远端裁剪后剩余的区域内有1个顺时针旋向的涡流,流速小于10 mm/s[见 图5 (b)]。
桥血管远端无裁剪模型血栓形成过程如 图6 (a)所示(为显示内部血栓生成情况,以对称平面作为对称面显示了50%模型)。血栓在 t 1 =5.4 s(第6个心动周期)已经开始出现,血栓覆盖除了桥血管远端左下角部分外的区域,并且血栓在桥血管远端上下端点附近厚度相对较大。
随着时间的推移,血栓不断从内壁面向血管中心部位生长,并且上半部分和桥血管远端端面部分增长较快。同时,血栓沿着内壁面从桥血管远端向近端也有增长。 t 1 时刻 F 点(轴对称平面内桥血管远端血栓最左位置点)距离 t 9 时刻 F ′点(轴对称平面内桥血管远端血栓最左位置点)沿冠脉轴线方向距离为0.83 mm。到 t 9 =16.2 s(并非血栓生成的实际时间,而是计算时间)时,血栓覆盖了多半部分桥血管远端区域(吻合口足尖以上部分区域,心部呈内凹形状;但 F ′ GH ( G 点为桥血管远端上部生成血栓的第9层边界层网格与轴对称平面最左侧交点, H 点为轴对称平面内桥血管远端下部血栓距离足尖最近点)3点所围成区域血栓仅覆盖血管内壁,不再增长;另外值得关注的是, t 9 时刻图中 D 点处箭头所指位置有一面积很小的血栓。从 图6 (a)还可明显看出,在冠状动脉近端区域(吻合口足跟左侧部分)均为血栓所覆盖(在 t 1 =5.4 s之前就已经形成)。随着时间的推移,这部分的血栓逐渐向吻合口足跟部分推进,但始终没有越过足跟位置。在 t 9 =16.2 s时,血栓最左侧边缘点距离吻合口足跟为0.6 mm。经计算,在 t 9 时刻生成的稳定状态的血栓体积为15.05 mm 3 。
对桥血管远端裁剪模型进行类似计算,模型对称面内的血栓形成情况如 图6 (b)所示。对比发现,在桥血管远端裁减模型中,桥血管远端区域血栓明显减小,但在桥血管远端右下角存在一个血栓区域,并沿端面向上延伸(宽度逐渐减小)。经计算,此模型中桥血管远端血栓区域体积为7.35 mm 3 。
由于RT和壁面切变率( γ )同血栓的生成密切相关,提取未裁剪模型桥血管远端壁面上 F ′、 E 1 、 E 2 、 H 、 D 5点的RT和 γ ,点 E 1 、 E 2 为轴对称平面内桥血管远端血栓上、下部最右位置点[见 图6 (a) t 9 时刻], 表1 列出了具体数据。
桥血管远端裁剪模型吻合口上方壁面有血栓生成,而远端未裁剪模型相应位置没有血栓生成。主要原因是将桥血管远端截掉一部分区域后,由于血管几何结构的变化,导致桥血管远端区域血流特性发生变化。特别是这部分区域的 γ 有较大变化。为了具体说明这些变化,在桥血管吻合口上方壁面取5点(见 图6 t 8 时刻 P 1 ～ P 5 点,两个模型5点位置相同,未裁剪模型5点处没有生成血栓,而裁剪模型这5点位置处有血栓生成),然后提取这些点的 γ 和RT,结果见 表2
表2 桥血管吻合口上方壁面5点滞留时间和壁面切变率
本文结果表明,在血栓生成前,无论是未裁剪桥血管远端模型还是裁剪远端模型,在桥血管远端区域均有涡流,且血流速度低,意味血液中物质在这些区域内停留的时间长,可能发生各种生化反应,进而生成血栓。DESSA模型桥血管远端区域以及冠脉血管近端区域(吻合口足跟左侧区域)血液流动速度低,进而这些区域壁面附近的流体RT明显大于其他区域,而RT大则表明凝血酶浓度大 。同时,这些紧邻桥血管远端端面区域 γ 小于给定阈值(100 s -1 ) 。如 表1 数据所示,这些区域的RT大而 γ <100 s -1 ,进而C浓度大,导致血栓主要在这两个区域生成。和桥血管远端未裁剪模型相比,裁剪模型中桥血管远端剩余区域内流动特性发生变化,但生成血栓的流动条件依然存在。
对于桥血管远端未裁剪模型,桥血管区域血栓体积为15.05 mm 3 ;对于桥血管远端裁剪模型,桥血管区域血栓体积为7.35 mm 3 。两者相比较,桥血管远端裁剪后生成的血栓体积减小了约51.2%,血栓减小量明显。51.2%的血栓体积减小量,由两部分组成:一部分是桥血管远端裁剪掉的体积(血栓减少);另一部分是吻合口上方生成的壁厚很薄的血栓(血栓增加)。如 图6 t 9 所示,在吻合口上方桥血管区域,紧贴血管壁有血栓生成。此部分血栓面积较大,最厚处壁厚约为0.16 mm,为桥血管半径(1.50 mm)的10.65%。而在桥血管远端无裁剪模型中,吻合口上方及左侧区域无血栓生成。Kato等 的临床研究指出,使用大隐静脉(远端没有进行裁剪处理)DESSA冠脉搭桥术后 1 年的血管造影结果表明,桥血管远端血栓并没有引发副作用。临床上对桥血管远端的裁剪处理,其术后长期效果如何值得关注。目前还鲜有关于临床上桥血管远端不裁剪和裁剪的术后对比研究。
从 表2 数据可以看出,对于桥血管远端裁剪模型,所选取的5个点 γ <100 s -1 ,故在这些位置均有C生成;而对于桥血管远端未裁剪模型, P 4 和 P 5 点的 γ >100 s -1 , P 3 点除了16.2 s时刻外, γ >100 s -1 ,在这些位置就没有C生成。并且这3点的RT要比桥血管远端裁剪模型相应位置小(仅 P 3 点在16.2 s例外),综合作用的结果是BP浓度小于200 nmol/L,即没有血栓生成。而对于 P 1 和 P 2 点,两个模型 γ <100 s -1 ,但在桥血管远端未裁剪模型在此位置没有血栓生成。究其原因,主要是由于两个模型桥血管远端结构不同,进而流动特性不同,导致裁剪模型在 P 1 、 P 2 点AP及C的浓度大于未裁剪模型,在计算过程中未裁剪模型 P 1 、 P 2 点的BP浓度始终小于200 nmol/L,而裁剪模型在计算开始不久, P 1 、 P 2 点的BP浓度就大于200 nmol/L,即生成了血栓。
本文的主要局限性在于没有直接试验验证,但通过和文献[5]试验结果的定量比较,以及文献[12]报道的冠脉搭桥术(桥血管远端没有进行裁剪处理)后短时间内在桥血管远端(越过吻合口足尖点)形成了一个人为的血管无血液流动空间(即血栓区域),可以确保本文计算结果的可靠性。
本文使用血流动力学结合考虑生化反应的血液物质传输扩散模型的方法,初步研究DESSA桥血管远端血栓形成及分布情况。计算结果表明,临床中进行DESSA冠脉搭桥术,对桥血管远端进行裁剪处理,虽然可以有效减小桥血管生成的血栓体积,但吻合口上方桥血管壁面生成血栓对冠脉搭桥术后的影响还需进一步研究。
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