心脏相位选择对计算流体动力学分析的影响

《Journal of Cardiovascular Computed Tomography》：Impact of cardiac phase selection on computational fluid dynamics analysis

心脏CTA多相位重建对CFD血流动力学参数的影响研究。纳入40例（含ARCA、MB及正常组）患者，对比 systolic/diastolic 与 mid-diastolic/diastolic 重建的 pRCA 和 pLAD 几何参数及CFD指标（TAWSS、OSI、RRT、CT-FFR）差异。结果显示几何参数存在显著相位依赖性（p<0.05），CFD参数中OSI变异最大（63.9%），TAWSS（21.3%）、RRT（28.1%）及CT-FFR（2.4%）相对差异较小。结论强调标准化相位选择对血流动力学参数计算的必要性。

　　冠状动脉在冠状动脉CT血管造影（CCTA）中所处的相位可能会影响计算流体动力学（CFD）所推导出的血流动力学指标。然而，这种影响的程度在异常冠状动脉解剖结构中尚未得到充分量化。本研究旨在评估在正常和异常冠状动脉中，CCTA相位选择如何影响CFD结果。研究中涉及了40名患者的数据，其中包括30名具有收缩期和舒张期重建的患者（10名为异常右冠状动脉[ARCA]，10名为心肌桥[MB]，10名为正常解剖结构），以及10名额外的正常患者，他们进行了中舒张期和舒张期的重建。研究分析了不同相位之间的几何差异，并计算了CFD推导出的参数，如时间平均壁面切应力（TAWSS）、振荡剪切指数（OSI）、相对停留时间（RRT）以及CCTA推导出的分数流量储备（CT-FFR）。通过比较不同相位下的参数，研究评估了相位依赖性，包括在正常收缩期与舒张期、以及中舒张期与舒张期之间，对右冠状动脉（pRCA）和左前降支（pLAD）的测量差异。此外，还比较了在异常ARCA与正常冠状动脉、MB与正常冠状动脉之间的pRCA和pLAD测量差异。

研究结果表明，在pRCA和pLAD段，不同相位之间的管腔面积存在显著的组间差异（p < 0.05）。在MB组中，pLAD的绝对相对差异显著小于正常组（中位数为5.31% [IQR 2.61%–7.46%]）与正常组（15.99% [6.23%–31.98%]）之间的差异（p = 0.0125）。虽然TAWSS、OSI和RRT显示出相位依赖性，但这种依赖性并非特定于患者群体或冠状动脉区域。CT-FFR的相对差异变化范围（最大2.4%）通常小于TAWSS（21.3%）、OSI（63.9%）和RRT（28.1%），且所有参数的相对差异均未显著偏离零值。

研究结论指出，冠状动脉的几何结构显示出明显的相位依赖性。因此，在使用CCTA进行TAWSS、OSI和RRT的定量分析时，不应忽视相位依赖性。为了提高准确性与临床一致性，标准化CCTA中的相位选择在CFD分析中是至关重要的。

### 1. 引言

基于CCTA的计算流体动力学（CFD）已被广泛应用于解决各种临床和生理问题。CCTA推导出的分数流量储备（CT-FFR）使得对冠状动脉狭窄的函数意义进行非侵入性评估成为可能。此外，壁面切应力（WSS）的计算对于动脉粥样硬化的初始化和进展也有重要意义。其他一些CFD推导出的参数也引起了研究的兴趣，包括时间平均壁面切应力（TAWSS）、振荡剪切指数（OSI）以及粒子相对停留时间（RRT）。这些参数的计算高度依赖于动脉的几何形状和相关的边界条件。因此，高质量的冠状动脉影像对于准确的CFD分析至关重要，需要使用硝酸甘油来最大程度地扩张冠状动脉，并且在数据采集时与心电图同步，以校正冠状动脉的运动。通常情况下，多相数据会被采集，覆盖收缩期和舒张期，特别是在较高心率或心律不齐的情况下。然而，冠状动脉的几何形状在心脏周期中变化显著，这种变化在使用硝酸甘油后更为明显。

在基于CCTA的CFD用于研究WSS和CT-FFR的临床应用中，通常只使用心脏周期中的一个相位。目前，对于CFD模拟的最优相位选择尚未达成共识，且相位选择对CFD指标的影响仍不明确，特别是在具有异常解剖结构的冠状动脉中，如心肌桥和异常右冠状动脉。因此，本研究旨在探讨CCTA相位的选择如何影响几何特征，如横截面积，以及CFD结果，包括在静息状态下TAWSS、OSI和RRT，以及在充血状态下CT-FFR。为此，我们评估了这些参数在正常动脉、心肌桥和异常右冠状动脉之间在两个相位之间的相对差异。

### 2. 材料与方法

#### 2.1. 患者与CCTA处理

研究共纳入了40名患者（10名具有心肌桥，10名具有异常右冠状动脉，以及20名正常解剖结构），他们接受了CCTA以评估疑似冠状动脉疾病。这些患者来自两个中心（山东大学附属医院，济南，中国；南京军区总医院，南京，中国）。本研究已获得当地机构伦理委员会的批准。由于本研究是回顾性的，因此不需要书面知情同意。

CCTA使用双源CT扫描仪（Somatom Force，西门子医疗，德国）进行，遵循SCCT临床指南。在CCTA采集前，所有受试者均接受舌下硝酸甘油（剂量为0.1 mg，硝酸甘油吸入剂，济南中国药业有限公司），并在扫描前2-3分钟给予。10名患者接受了40-45 ml的碘海醇（350 mg I/ml，北京北陆药业有限公司）通过20号导管以4-4.5 ml/s的流速注入前臂静脉。造影剂注射后立即给予相同流速的40-45 ml生理盐水。通过在升主动脉根部放置感兴趣区域（ROI）并使用兴趣区域跟踪技术进行数据采集。图像采集在达到100 Hounsfield单位的衰减阈值后开始，参数包括探测器宽度（96 × 2 × 0.6 mm3），旋转时间（250 ms），管电压（90 kV），以及自动管电流调节（CARE Dose 4D）。CCTA使用前瞻性心电图触发，时间为R-R间隔的35%至75%。35%至43%的R-R间隔被重建为收缩期，而68%至75%被重建为舒张期。对于本研究，10名患者的R-R间隔的55%至60%也被重建为中舒张期。图像使用0.75 mm的切片厚度、0.5 mm的重建间隔和中等软组织卷积重建内核（I26f/Bv40）进行重建。患者的平均剂量长度乘积为683.3 ± 129.7 mGy·cm，相当于平均有效剂量为9.6 ± 1.8 mSv。

#### 2.2. 收缩期与舒张期之间的几何差异

对于pRCA和pLAD，横截面积在中心线上以0.5 mm的间隔生成。对于每位患者，几何信息随后通过收缩期和舒张期之间的切片差异进行提取。计算公式为：面积差异 = （舒张期面积 - 收缩期/中舒张期面积）/ 舒张期面积 × 100%。其中，舒张期面积和收缩期/中舒张期面积分别为同一位置在舒张期和收缩期/中舒张期的切片面积。

#### 2.3. 计算流体动力学分析

基于分割结果构建CFD模型，并在主动脉入口处施加时间依赖的压强加载，以及在主动脉出口和每条冠状动脉的出口处施加时间依赖的血流。4%的总流入量被分配在右冠状动脉（RCA）和左冠状动脉之间。冠状动脉树中的血流分布基于参考文献。对于每条冠状动脉树的层次，血流分布的计算公式为：Qbranch/Qmain = (Abranch/Amain)^δ/2，其中Q是血流，A是平均面积，δ是经验常数，取值为2.6，而阈值则设定为5%。CFD模拟在ADINDA 9.6（Bentley Systems, Inc., Exton, PA）上进行。假设血液为不可压缩、牛顿流体、粘性和瞬时层流。血液与血管壁之间没有滑动。主导方程为不可压缩Navier-Stokes方程，其中v是流速，p是压强，μ和ρ分别为血液粘度和密度。血液密度和粘度分别为1.06 g/cm3和0.035 P。在充血状态下，微血管阻力被降低至0.24，以应用4.17倍的血流因素进行CT-FFR计算，基于欧姆定律。每项模拟使用5个心脏周期，分析结果来自最后一个周期。

#### 2.4. 后处理

对于血流动力学特征，TAWSS、OSI和RRT通过WSS进行计算。TAWSS的计算公式为：TAWSS = (1/Tc) ∫0^Tc |τw| dt，其中Tc是整个心脏周期的持续时间，τw是壁面切应力。OSI的计算公式为：OSI = (1/2)(1 - |∫0^Tc τw dt| / ∫0^Tc |τw| dt)。RRT的计算公式为：RRT = [ (1 - 2 × OSI ) × TAWSS ] -1。在充血状态下，CT-FFR的计算方法为：CT-FFR = TAPnode / TAPaorta，其中TAPnode是给定节点的平均压强，TAPaorta是主动脉的平均压强。分析使用R软件版本4.2.2进行。

#### 2.5. 统计分析

采用线性混合效应模型分析收缩期、舒张期和中舒张期之间的横截面积差异。对于横截面积差异，使用患者作为随机效应以考虑个体间差异，同时将距离作为固定效应。对于血流动力学特征，使用Mann-Whitney U检验比较异常动脉与正常动脉组之间的相对差异及其绝对值。Wilcoxon符号秩检验用于比较相对于零的相对差异。当需要时，使用单因素方差分析和广义Fisher精确检验进行组间比较。所有分析均在R版本4.2.2中进行，p < 0.05被认为是统计学上显著的。

### 3. 结果

研究纳入了40名患者的CCTA数据（平均年龄55.23 ± 8.79岁，32名男性）进行分析。其中，10名患者具有异常右冠状动脉，10名具有心肌桥，其余20名患者具有正常解剖结构。在这些患者中，10名具有异常右冠状动脉和心肌桥的患者进行了收缩期和舒张期的重建，而另外10名正常患者进行了中舒张期和舒张期的重建。在三个组之间，年龄、性别和风险因素均无显著差异（见表1）。

在pRCA段，不同相位之间的横截面积差异显著，且存在距离与组的交互作用（p = 3.74 × 10^-4）。对于pLAD段，MB组和正常组之间也存在显著的距离与组的交互作用（p = 3.70 × 10^-3）。这些结果在图5中进行了展示。进一步的相位与解剖结构比较在补充材料中的表A.1和A.2中提供。

在pRCA和pLAD段，所有四个参数（ΔFFR、ΔTAWSS、ΔOSI和ΔRRT）的相对差异在正常中舒张期与正常舒张期组之间无显著差异（所有p > 0.05）。在MB组和正常组之间，这些参数的相对差异也无显著差异。在比较不同相位下的CFD分析时，没有显示出过估计或欠估计的趋势，因为ΔFFR、ΔTAWSS、ΔOSI和ΔRRT均未显著偏离零值（所有p > 0.05）。

进一步的分析表明，绝对相对差异不依赖于患者群体。除了MB组的ΔOSI，其绝对值比正常组低（中位数为5.31% [IQR 2.61%–7.46%]）外，pRCA段的ΔTAWSS、ΔRRT、ΔOSI和ΔCT-FFR在异常右冠状动脉和正常组之间均无显著差异（所有p > 0.05）。同样，在MB组和正常组之间，pLAD段的这些参数也无显著差异。在正常冠状动脉组中，这些参数在收缩期、中舒张期和舒张期之间也无显著差异（所有p > 0.05）。

### 4. 讨论

本研究显示，横截面积在不同相位下存在显著差异，并强调在使用不同相位的CCTA进行TAWSS、OSI和RRT计算时，需要考虑相位依赖性。这一观察在所有观察到的冠状动脉变异中都成立，包括正常冠状动脉解剖、异常右冠状动脉和心肌桥。这些差异在右冠状动脉和左前降支中均被观察到。与几何参数如横截面积相比，血流动力学参数，特别是CT-FFR，对相位变化的敏感性较低。

在基于收缩期和中舒张期的CCTA分析中，未发现一致的过估计或欠估计趋势。这一观察并不意味着CFD分析可以基于任何相位进行。在正常情况下，OSI在pRCA段的相对差异范围最大，超过100%。TAWSS、OSI和RRT的中位数相对差异通常在15%左右。因此，在评估TAWSS、OSI或RRT时，应注意其相位依赖性。

与WSS衍生参数（如TAWSS、OSI和RRT）相比，CT-FFR的相位依赖性较小，其中位数范围在正常、异常右冠状动脉或心肌桥病例中分别为0.45%至1.54%。侵入性分数流量储备（FFR）被推荐为类Ia，用于指导对中间度狭窄（伴有心绞痛或心绞痛等价）的经皮冠状动脉介入（PCI）决策，由美国心脏病学会/美国心脏协会联合委员会推荐。此外，用于评估中间度狭窄的血流动力学相关性的欧洲心脏病学会也推荐使用FFR。然而，存在一个灰区，即FFR值在0.75至0.80之间的截断值。一方面，DEFER试验（Deferral of Percutaneous Intervention）表明，截断值为0.75。另一方面，FAME试验（Fractional Flow Reserve Versus Angiography for Multivessel Evaluation）建议截断值为0.80以指导治疗。因此，在CCTA推导出的相位依赖性可能在截断值附近导致完全不同的治疗策略。

在具有异常右冠状动脉或心肌桥的患者中，|ΔTAWSS|、|ΔOSI|、|ΔRRT|和|ΔCT-FFR|的范围通常比在正常冠状动脉组中更窄。然而，本研究表明，CFD模拟比传统面积测量提供了更深入的动脉血流洞察，特别是在考虑ROI前后段的影响时。因此，CFD模拟应被视为评估动脉几何复杂性时有价值的补充工具。

此外，切片面积差异在正常与异常解剖组之间存在显著变化，当考虑距离与组的交互作用时（见表2）。ARCA组的面积差异在动脉前部（6–14 mm）显示出显著的正趋势，随后在后部（14–22 mm）出现负趋势。相比之下，正常pRCA显示出相反的趋势。这种分离可能非常显著，以至于即使距离作为固定效应，也显示出ARCA组与正常组之间的显著差异。在ARCA病例中，动脉的前部与肺动脉之间的长度比正常pRCA更长，导致前部的正趋势可能由收缩期时更严重的压缩引起。动脉的限制性血流可能导致ARCA远端段的变形减少，从而引起负趋势。对于正常冠状动脉，预期在舒张期时有较好的血流，因此可能在动脉起始部分观察到负趋势。此外，在pLAD动脉的远端段（16–26 mm）也明显观察到分离趋势（见图5b）。在MB的收缩期，入口处的容量可能增加，从而在MB处补偿变化，这种变化可能不如在包裹心肌的区域那样明显。

尽管研究结果具有一定的科学价值，但本研究也存在一些局限性。首先，在评估不同相位之间的管腔面积差异时，虽然仔细选择了标志物如分叉点，但仍可能存在位置匹配的问题；其次，分析中假设动脉壁为刚性，而流速并非患者特异性；第三，仅考虑了没有动脉粥样硬化的情况，其他情况如由动脉粥样硬化斑块引起的管腔狭窄可能导致不同的相对差异，需要专门研究；第四，未考虑其他CFD衍生参数，如WSS的空间梯度；第五，患者数量较少；第六，由于不必要的额外辐射暴露，在使用硝酸甘油前后的扫描未被考虑。

### 5. 结论

冠状动脉的横截面积在心脏周期的不同相位中显著变化，而对CFD分析的影响则观察到但较为轻微。这一模式在正常和异常冠状动脉中均成立。这些发现强调了在进行此类分析时，标准化心脏相位的重要性，并确保在不同研究中保持一致的解释。