综述：生物力学因素在斑块破裂和侵蚀中的作用：基于血管内成像的计算模型研究

这篇综述聚焦于冠状动脉生物力学，探讨结构壁应力、应变和血流壁切应力（WSS）等对斑块进展、破裂和侵蚀的影响。通过整合血管内成像技术与计算模型，分析相关机制，为急性冠状动脉综合征（ACS）个性化治疗提供依据，极具学术与临床价值。

　　

生物力学因素在斑块破裂和侵蚀中的作用：基于血管内成像的计算模型研究

急性冠状动脉综合征（ACS）严重威胁全球人类健康，是心血管疾病（CVD）致死的重要原因。ACS 的发生常与易损斑块的破裂和侵蚀密切相关，其中斑块破裂约占 ACS 病例的 55 - 60%，斑块侵蚀约占 30 - 35%。深入探究斑块破裂和侵蚀的机制，对 ACS 的早期预防、新疗法开发以及临床决策意义重大。

冠状动脉在人体中不断承受着生物力学力的作用，这些力主要源于脉动血流与动脉血管壁运动的相互作用。应力是指单位面积上作用的力，在冠状动脉研究中，周向应力较为关键。正常动脉中，周向应力沿血管壁径向均匀分布，平均值在 100 - 200kPa 之间；而在动脉粥样硬化血管中，其值可能升高至约 300kPa，进而引发斑块破裂。应变则反映结构在外部作用力下的变形程度，粥样硬化斑块往往表现出较高的应变分布，且与斑块破裂部位一致。壁切应力（WSS）是血流作用于内皮表面单位面积的切向摩擦力，在生理条件下，动脉血管系统中平均 WSS 值为 1 - 7Pa。在动脉分叉外壁和弯曲内壁等部位，血流动力学条件紊乱，会出现低 WSS，这与早期动脉粥样硬化斑块的形成密切相关。然而，在体内直接测量这些生物力学应力颇具挑战，借助血管内成像技术构建的计算模型，能在患者特定环境下模拟这些应力，助力研究其与斑块行为的关系。

在血管内成像技术方面，尸检研究曾为急性冠状动脉综合征相关的动脉粥样硬化病变形态描述奠定基础。如今，血管内超声（IVUS）和光学相干断层扫描（OCT）在体内斑块成像中表现出色。IVUS 可深入观察血管壁深层结构，穿透深度达 4 - 8mm，但分辨率为 100 - 200μm，难以准确检测薄帽厚度（阈值 65μm）的易损斑块。OCT 虽穿透深度仅 1 - 2mm，局限于观察浅表结构，但其 10 - 20μm 的高分辨率，使其在显示血管腔表面和粥样硬化斑块微观结构（如纤维帽、血栓和钙化）方面优势显著，对评估斑块侵蚀和斑块破裂中的纤维帽破坏尤为适用。Jia 等人提出的基于体内 OCT 图像的病理底物分类方案，明确了斑块破裂和侵蚀的定义，为后续构建计算模型提供了重要依据。

基于图像的生物力学建模是研究冠状动脉粥样硬化力学机制的有力手段。计算流体动力学（CFD）模型主要关注血流运动，利用 Navier - Stokes 方程模拟 WSS、流体速度和压力等血流动力学因素；计算固体力学模型聚焦冠状动脉斑块壁，其控制方程复杂，包含运动方程、位移 - 应变关系和本构方程等，本构方程描述的冠状动脉壁和斑块成分的力学性能对模拟血管内生物力学条件至关重要；流固耦合（FSI）模型则综合考虑流体和固体模型，能同时分析冠状动脉壁和血流的综合生物力学条件。目前，多数冠状动脉斑块计算模型，特别是固体和 FSI 模型，基于 IVUS 和 OCT 图像构建，以准确重建血管壁几何形状和多种斑块成分。构建计算模型时，需综合考虑冠状动脉几何重建、材料属性、控制方程、边界条件、初始条件和残余应力 / 应变等要素。

生物力学应力在易损斑块研究中扮演着重要角色。在易损斑块的发展和进展过程中，低 WSS 与斑块起始和进展紧密相关，多项临床研究表明，低 WSS 区域易出现斑块生长。同时，壁应力也有助于预测斑块进展，不过目前对于壁应力与斑块进展的定量关系尚不明确。对于斑块破裂，薄帽纤维粥样瘤（TCFA）被认为是易破裂的前体病变，但仅依据斑块形态难以准确预测其破裂风险。从力学角度看，当局部壁应力超过斑块材料强度时，斑块易破裂，破裂通常发生在纤维帽或肩部区域，与最大壁应力部位重合。动物实验和计算研究均证实，高壁应力是冠状动脉斑块破裂的重要触发因素，其还可通过机械转导途径影响纤维帽强度。虽然 WSS 对斑块破裂的影响研究相对较少，但有证据表明，破裂常发生在 WSS 升高的部位，高 WSS 可能通过激活基质金属蛋白酶（MMPs）、促进纤维帽变薄和偏心重塑等机制，增加斑块破裂风险。Pedrigi 等人提出的统一理论认为，高壁应力和剪切应力诱导的斑块弱化共同作用，最终导致斑块破裂，但这一理论仍需进一步研究验证。

相比之下，斑块侵蚀作为 ACS 的新兴机制，相关机械因素研究较少。WSS 被认为可能是驱动斑块侵蚀的因素之一，但早期动物研究和临床研究结果存在矛盾。部分研究表明低 WSS 与内皮细胞凋亡相关，进而导致斑块侵蚀；而另一部分研究则发现高 WSS 可使内皮细胞脱落和血栓形成。目前，多数基于医学图像的 CFD 分析认为，高 WSS 和 WSS 梯度可能是斑块侵蚀的关键触发因素，但由于研究样本量小、模型构建差异等原因，尚未得出明确结论。关于壁应力和应变与斑块侵蚀的关系，目前研究较少，仅有 Campbell 等人的研究表明，机械应变与斑块侵蚀无明显关联。

从临床角度来看，目前冠状动脉粥样硬化疾病的临床诊断和管理主要依赖斑块形态特征，但这不足以准确识别导致不良冠状动脉事件的罪犯病变。整合形态学和生物力学因素，有助于更深入地理解斑块行为。机器学习等人工智能方法可纳入更多风险因素，提高对斑块行为的预测准确性。生物力学建模在冠状动脉疾病的诊断、临床决策和治疗中应用日益广泛，如基于冠状动脉造影的 CFD 技术可计算血流储备分数（FFR），指导经皮冠状动脉介入治疗（PCI）。此外，通过计算模型识别高斑块破裂风险部位，有望为临床提供更精准的诊断标准。在治疗方面，控制血压可降低冠状动脉周向应力，预防 ACS 患者斑块破裂；调节 WSS 相关因素，改变局部血流动力学环境，有助于预防斑块侵蚀。

未来，为了更深入地理解斑块破裂和侵蚀的机制，仍有许多工作需要开展。对于斑块破裂，虽然高周向壁应力与破裂密切相关，但炎症、纤维帽微观结构和强度等因素也不容忽视，将生物力学指标转化为临床应用仍面临诸多挑战。对于斑块侵蚀，其生物力学机制尚未明确，需统一研究方法，开展大规模计算研究和动物实验，以确定触发侵蚀的机械因素。大规模临床研究对验证生物力学机制至关重要，当前多数生物力学研究样本量较小，易受患者个体差异影响，未来应开展更多大规模研究，获取更具说服力的结果。此外，实现计算模拟过程的自动化，有助于降低成本，满足早期筛查需求，但目前在生成有限元网格、求解复杂控制方程和获取斑块成分力学性能等方面仍面临困难。组织工程血管等新型体外模型为研究冠状动脉粥样硬化提供了新途径，有望克服动物模型和二维细胞培养模型的局限性，深入研究斑块行为的微观机制，但该技术仍处于起步阶段，需要进一步探索和完善。

生物力学应力在影响内皮功能、血管重塑、斑块发展以及导致 ACS 的有害斑块行为中起着关键作用。借助计算生物力学模型与形态学特征相结合的方法，研究斑块破裂和侵蚀机制具有重要意义。高分辨率 OCT 图像基础上的有限元模型已揭示了导致纤维帽破裂或浅表侵蚀的生物力学环境差异。深入理解机械力对斑块行为的影响，将推动新型药物研发、提升诊断工具性能，并为斑块破裂和侵蚀的个性化管理提供临床决策依据，助力心血管疾病防治领域的进一步发展。