建立及评价适于血流储备分数CT成像模拟的小型猪慢性冠状动脉狭窄模型

马 跃，侯 阳*，李东玉，刘兴利，乔爱科，侯映映，王玉科，郭启勇>

(1.中国医科大学附属盛京医院放射科，2.心脏外科，3.第3心血管内科，辽宁 沈阳 110004；4.北京工业大学生命科学与生物工程学院，北京 100124；5.辽宁省人民医院放射科，辽宁 沈阳 110016)

研究[1-5]显示，血流储备分数CT成像(fractional flow reserve derived from coronary computed tomography angiography， FFRCT)可实现对冠状动脉解剖学狭窄及功能性缺血的一站式评估。建立可用于FFRCT模拟研究的慢性冠状动脉狭窄动物模型,对于明确不同狭窄时血流动力学变化及模拟靶血管两端边界条件的设置具有重要意义。本研究拟采用Ameroid缩窄环制备慢性冠状动脉狭窄模型，并通过冠状动脉CTA监测狭窄进展，探讨制备适合用于FFRCT动物模型的可行性。

1 材料与方法

1.1 研究对象 健康巴马小型猪16头，雌雄不限，体质量22～30 kg，平均(25.1±2.5)kg，由我院实验动物中心提供。Ameroid 缩窄环直径2.5 mm，外环为硬塑料。本实验经我院医学伦理委员会审核通过(2013PS96K)。

1.2 模型建立 将实验猪保定于手术台，经药物诱导麻醉后，以气管插管、呼吸机辅助呼吸及异氟烷吸入维持麻醉；开胸后，游离冠状动脉左前降支(left anterior descending artery， LAD)近段或中段约0.5～1.5 cm(避开第1对角支)后植入Ameroid环，调整环的位置使其位于左心耳和肺动脉间沟；确认无活动出血后关胸、正常饲养。模型建立后第2周对模型动物进行冠状动脉CTA，如管径狭窄(diameter stenosis， DS)<25%则监测时间间隔为1周，如25%≤DS<50%则监测时间间隔为3天，直至DS超过50%。最后1次冠状动脉CTA当日进行超声检查，2日内进行冠状动脉造影及血流储备分数(fractional flow reserve， FFR)测定。

1.3 影像学检查

1.3.1 冠状动脉CTA 采用Philips Brilliance 256 iCT，回顾性心电门控扫描。以高压注射器经耳缘静脉注射对比剂(碘海醇 350mgI/ml)35 ml，速率3 ml/s，跟注生理盐水15 ml冲管。管电压100 kV，管电流200～600 mAs，准直128×0.625 mm、重建层厚0.9 mm，采用自动阈值触发扫描。ROI置于升主动脉。30%～80% R-R间期10%为间隔重建，选取图像质量最佳时相进行分析，观察Ameroid环位置和冠状动脉狭窄程度。

图像质量及冠状动脉狭窄程度由2名工作经验丰富的医师采用盲法独立评价，意见不统一时协商解决。冠脉CTA图像质量以4分法评定[6]：1分，无伪影；2分，少许伪影；3分，基本满足诊断要求；4分，无法评价。冠状动脉狭窄程度采用目测法分为5级[7]：轻微狭窄(DS<25%)、轻度狭窄(25%≤DS<50%)、中度狭窄(50%≤DS<70%)、重度狭窄(70%≤DS<99%)及次全-完全闭塞(DS为99%～100%)。

基于冠状动脉CTA图建立计算流体力学模型并计算FFRCT值(由北京工业大学生物医学工程实验室完成)，步骤见图1。原始CTA数据经Mimics、Geomagic、SolidWorks处理后，采用ANSYS Workbench进行有限元网格划分，输入端施加冠状动脉入口流速波形，出口端施加压力波形，心动周期按实际测量值确定。采用ANSYS提供的CFD求解器进行迭代计算，经后处理，获得可视化压力云图，对FFRCT值进行计算。模拟FFRCT=最大充血态全心动周期狭窄远端平均压(Pd)/全期主动脉根部平均压力(Pa)。

1.3.2 冠状动脉血管造影 采用Siemens Axiom Aritis DTA心血管造影数字减影机。5F导管手动注入威视派克270 mgI/ml，10 ml，行左冠状动脉造影，冠状动脉狭窄评定程度同冠状动脉CTA。冠状动脉造影后，采用微量泵通过耳缘静脉注射ATP 140 μg/(kg·min)，诱发冠状动脉最大充血稳态，用导管Volcano S5(Volcano公司)行冠状动脉FFR测定，5 min后重复测量，取均值。

图1 基于冠状动脉CTA图像建立计算流体力学模型及FFRCT值的计算过程

1.3.3 超声检查 采用Philips iU22超声诊断仪。待实验猪全身麻醉后取左侧卧位，在胸骨旁LAD入口处选取垂直于血管长轴方向测量血流速度波形并保存。

1.4 统计学分析 采用 SPSS 20.0统计分析软件。FFRCT值与实测FFR值比较采用配对样本t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 建模结果 共16头实验猪(编号1～16)中，对15头(编号1～4、6～16)成功将缩窄环放置于LAD近段或中段，对另1头(编号5)开胸后即发现冠状动脉变异、未找到LAD。成功放置缩窄环的15头实验猪中，1头(编号1)死于术中心室颤动，2头(编号2、11)死于术后早期(2周内)狭窄冠状动脉急性痉挛所致的心肌缺血，1头(编号6)死于术后早期(2周内)重症肺炎，1头(编号7)死于术后第4周冠状动脉造影检查时的麻醉意外。其余10头(编号3、4、8～10、12～16)均成功建模，并存活至完成影像学检查，成功率为62.50%(10/16)。

2.2 影像学检查结果 对10头成功建模实验猪共完成冠状动脉CTA检查24次，图像质量均达到诊断要

求(1分17次，2分7次)。冠状动脉CTA显示，术后第2周LAD均呈轻微狭窄，随时间延长，狭窄程度逐渐加重，术后第3周9头实验猪狭窄>50%，术后第4周其余1头狭窄>50%。以最后1次CTA检查与冠状动脉造影进行对比，两者的狭窄程度符合率为100%(表1，图2)。对10头实验猪中9头获得FFR值，另1头因完全闭塞导丝未通过闭塞处，FFR值为0(表1)。

2.3 模型血流动力学模拟可靠性验证 通过计算流体力学方法，对10头实验猪均成功建模并获得FFRCT值(表1，图2)。FFRCT值为0.65±0.27、实测FFR值为0.59±0.28，差异无统计学意义(t=-1.13，P=0.29)。

表1 实验猪LAD冠状动脉CTA及冠状动脉造影检查

注：LAD近、中段平均直径为冠脉CTA图像中测量实验猪LAD近段与中段(非环处)的直径并计算二者的平均值

图2编号5的动物模型，实验猪体质量23 kg，术后22天冠状动脉CTA显示LAD中段狭窄约80%狭窄(A)，并经冠脉造影检查证实(B)，FFR实测值为0.62(C)，FFRCT值为0.76(D)，置缩窄环处血管腔变小、壁增厚(E) (箭示LAD中段狭窄)

3 讨论

本研究将Ameroid缩窄环置于巴马小型猪LAD近段或中段，可有效建立适用于FFRCT研究的慢性冠状动脉狭窄模型，成功率较高。模型的冠状动脉CTA图像质量符合诊断及建立血流动力学模型的要求。本研究基于冠状动脉CTA图像得出的计算流体力学模拟指标FFRCT值与实测FFR值差异无统计学意义(t=-1.13，P=0.29)，表明模型可靠性好。

参照既往研究[8]，本研究选用小型猪作为建模对象，冠状动脉CTA图像质量可满足定量分析要求。既往[9-12]研究中，通过Ameroid缩窄环建立模型时多选用左回旋支(left circumflex, LCX)，因为小型猪LCX支配的心肌有相对多的侧支循环，当其发生狭窄后不易造成猝死，动物存活率较高、存活时间较长，但其缺点是位置较深不易分离，侧支循环血管较多，易引起分离时出血及靶血管周围炎性粘连，且管径相对较小，不利于影像学观察。本实验采用小猪LAD建模，避免了上述缺点，提高了靶血管的CTA图像质量，且不易形成侧支循环，慢性心肌缺血模型更易形成，且小型猪LAD管径较粗，更适用于冠状动脉CTA观察；同时，Ameroid缩窄环外层材料选择塑料结构，避免CTA图像中金属伪影干扰。

祝曙光等[13-14]研究表明，Ameroid缩窄环建立模型时，靶血管通常在4～6周达到重度狭窄甚至闭塞。本研究旨在制作可引起心肌缺血的中、重度狭窄模型，故通过冠状动脉CTA监测靶血管狭窄进展时，起始时间设定为第2周。同时，为避免靶血管闭塞无法进行FFR测量，根据前次血管狭窄程度为轻微或轻度狭窄，分别设定重复检查时间间隔为1周或3天；结果表明通过CTA监测90%的靶血管被成功制成中、重度狭窄，其中存在血流动力学障碍血管占66.67%，且90%的成模时间为3周内。本研究还发现，开胸手术操作的轻柔度、术后预防感染及实验动物的个体差异均可影响靶血管的狭窄程度及速度，其中Ameroid缩窄环与靶血管直径的匹配度影响较为重要。本研究靶血管均选用直径为2.5 mm的Ameroid缩窄环，其中1头实验猪LAD直径为2.0 mm，明显小于缩窄环直径，其在第4周狭窄程度才>50%；1头实验猪靶血管于第3周进展为完全闭塞，可能与其直径稍大于缩窄环直径及个体差异有关，还需要进一步大样本实验来补充和完善相关数据。

本研究建模成功率较高，与术中无菌操作及术后重视预防感染有关；仅1头实验猪于术后13天死于重症肺炎。有学者推荐[15]建模后连续肌注青霉素(400万U)3天预防感染。

本研究显示，模拟指标FFRCT值与造影实测的FFR值差异无统计学意义，进一步验证了本研究动物模型的冠状动脉CTA图像符合血流动力学模拟研究的要求，可用于模拟冠状动脉病变时血流动力学指标的研究。同时，通过模拟FFRCT值可进一步评价动物模型是否存在心肌缺血，实现对动物模型靶血管的解剖形态学及血流动力学一站式评价，使模型制作更准确、更符合研究需求。

本研究的局限性：①模拟FFRCT时，边界条件中靶血管入口处流速为超声实测波型，增加了建模的复杂程度，建模时间较长(约4 h)，有待进一步简化；②样本量较少，靶血管的狭窄程度及速度尚不能精确控制，有待进一步增大样本研究。

总之，Ameroid缩窄环置入巴马小型猪LAD近段或中段，并通过冠状动脉CTA监测靶血管狭窄程度及进展，可制备出符合血流储备分数CT成像研究的慢性冠状动脉狭窄模型，为进一步分析冠状动脉不同程度狭窄时血流动力学变化规律及流体力学建模边界条件的设置奠定基础。

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