多重力学刺激作用下新内膜重塑模型构建和数值模拟研究

作     者：杨煜佳 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：乔爱科

授予年度：2023年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 

主      题：新内膜重塑 支架内再狭窄 数值模拟 动脉应力 壁面切应力 

摘      要：支架植入术是治疗冠心病,恢复血运重建的常见手段,然而,这种手术会导致管壁受到超生理负荷,并引起血流环境变化,从而发生新内膜重塑。支架植入后的新内膜重塑过程受到多重力学刺激的影响,主要包括动脉应力(arterial stress,AS)与壁面切应力(wall shear stress,WSS)。目前,这些力学刺激对新内膜重塑过程的作用效果尚不明确,重塑过程中新内膜组织对血管应力分布的影响也有待研究。因此,本研究以力学刺激与新内膜重塑的关系作为切入点,通过构建力学刺激作用下的新内膜重塑模型,模拟支架植入后新内膜重塑过程,以观察单一力学刺激作用下新内膜重塑的特征及多重力学刺激共同作用下新内膜重塑时血管应力分布的变化。具体研究内容分为三个部分:(1)模拟AS作用下新内膜重塑。在考虑血管残余应力的基础上,使用有限元方法求解支架植入后血管壁上的AS,并提出构建AS作用下新内膜重塑模型的方法。探讨AS作用下新内膜重塑的特征及管腔形貌变化。(2)模拟WSS作用下新内膜重塑。构建支架植入后血管流腔模型,应用计算流体力学仿真方法获得支架段血管WSS分布,并建立WSS作用下的新内膜重塑模型模拟该力学刺激下新内膜重塑过程,探讨WSS作用下新内膜重塑的特征及管腔形貌变化。(3)模拟AS和WSS共同作用下的新内膜重塑过程。生理状态下新内膜重塑会同时受到AS和WSS的影响,因此构建AS和WSS共同作用下的新内膜重塑模型来还原完整的新内膜重塑过程。并通过观察此过程中血管壁应力分布以及高应力区域的变化,来探究新内膜组织对支架植入后血管力学环境变化的作用效果。针对三部分研究内容得到结果如下:(1)支架植入后,血管应力集中出现在支架两端花冠附近的血管内壁上,应力峰值为0.278 MPa。AS作用下,初期新内膜局部增殖速度较快。随后支架段血管原有内膜逐渐被新内膜组织覆盖。由于应力分布差异带来的增殖差异,支架附近新内膜重塑存在凸起或凹陷形态,但不明显。(2)支架植入后较高的WSS区域为支架上、下游以及支架网孔附近的血管壁面。支架植入初期,在支架上游和支杆处率先形成新内膜,随后下游新内膜厚度逐渐增大。支架网孔处的新内膜厚度始终较小。(3)AS和WSS共同作用下,新内膜最先出现在上游支架花冠处,随后在整个支架附近逐渐形成新内膜组织,最终,整个支架段血管均被较厚的新内膜组织覆盖。重塑前后血管壁上的应力峰值由原来的0.278 MPa降低至0.097 MPa,高应力区域呈减少的趋势,到第28天重塑完成时高应力区域体积减少了约64.6%。基于上述结果,得出以下结论:(1)新内膜重塑速度与发生位置受AS和WSS力学刺激的影响有显著性差异。WSS作用下,新内膜重塑范围更广,除支架段还包括支架上、下游;受AS作用新内膜主要集中在支架段,并随时间向上、下游发展。通过不同力学刺激易发生新内膜重塑的特征,提示了WSS作用下新内膜重塑与支架局部的血流扰动密切相关,而AS作用下新内膜重塑受到支架边缘影响较大,因此,可基于这些特征寻找减少支架内再狭窄发生的关键方法。(2)随着支架附近新内膜组织的形成,血管壁上应力减小,高应区域体积减少了一半以上。这表明尽管新内膜不能完全平衡支架植入带来的高应力,但随着AS减小,新内膜重塑将逐渐减弱。