《ARCHIVES OF COMPUTATIONAL METHODS IN ENGINEERING》：The Anatomy of Coronary Risk: How Arterial Geometry Shapes Coronary Artery Disease Through Blood Flow Haemodynamics – Latest Methods, Insights and Clinical Implications
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尽管心血管医学已取得长足进展，但在优化冠状动脉疾病（CAD）的预防与治疗策略方面仍存在显著空间。当前的核心局限在于对疾病形成及进展机制的理解不足。冠状动脉解剖结构在局部血流动力学中发挥关键作用，调控内皮健康状态进而决定病理生理反应。患者间冠状动脉解剖存在显著差
尽管心血管医学已取得长足进展，但在优化冠状动脉疾病（CAD）的预防与治疗策略方面仍存在显著空间。当前的核心局限在于对疾病形成及进展机制的理解不足。冠状动脉解剖结构在局部血流动力学中发挥关键作用，调控内皮健康状态进而决定病理生理反应。患者间冠状动脉解剖存在显著差异，且不同人群中存在明确趋势，这进一步增加了阐明疾病进展细节的复杂性。本综述系统梳理了冠状动脉血流研究领域的现状与认知进展，汇总了解剖结构血流动力学效应的现有证据及相关评估分析方法，重点讨论了医学成像技术与计算血流动力学分析的最新进展。基于纳入文献的分析，研究人员明确了该领域持续存在的知识缺口与挑战，进而阐述了未来研究方向与机遇，旨在深化对广泛人群代表性个体CAD核心机制的理解，并推动相关成果向临床实践转化。
1 引言
冠状动脉疾病（CAD）作为全球发病与死亡的首要原因，其社会经济负担持续加重，且存在显著的卫生不平等现象。动脉粥样硬化性斑块是最常见的CAD类型，其特征为慢性进行性病理改变：冠状动脉因粥样硬化发展逐渐狭窄，导致心肌供血进行性不足，最终引发呼吸困难、胸痛、心力衰竭甚至死亡。值得注意的是，动脉粥样硬化更易发生于解剖结构复杂的冠状动脉节段，血管壁面承受的血流剪切力通过影响内皮功能驱动这一进程。1983年Friedman等人提出的“解剖学风险”概念指出，血管几何特征可能是个体及群体动脉疾病的潜在风险因素，其中分叉区域及重度弯曲节段是病理进程的高发部位。计算研究已证实上述区域存在不良血流动力学分布，且分叉角度、血管曲率、直径等解剖特征的效应相互依赖，共同影响局部流场模式。深入理解解剖学风险可优化现有风险评估策略，尤其有助于识别无标准可干预危险因素（SMuRFs）的人群——这类患者在急性冠脉综合征中的占比正逐年升高，且住院死亡率与心源性休克发生率更高。此外，解剖特征通过血流动力学调控疾病起始与进展，但冠状动脉存在显著的个体间及群体间差异，加之年龄与疾病阶段的动脉重构动态变化，使得相关机制解析极具挑战。近年来，计算资源成本下降、成像技术革新、开放数据集增多及分割能力提升，为开展大规模人群研究提供了可能。通过整合计算方法与临床信息，CAD机制研究持续推进，计算流体力学（CFD）在临床中的应用潜力日益受到心血管医师关注。本研究将围绕图像采集重建、冠状动脉几何分割、血流动力学计算分析及解剖与血流动力学的关联四个核心模块展开论述。
2 图像采集与重建
2.1 冠状动脉成像技术
冠状动脉成像技术可分为无创与有创两类。无创技术包括冠状动脉计算机断层扫描血管造影（CTCA）与磁共振血管造影（MRA），有创技术包括侵入性冠状动脉造影（ICA）、光学相干断层扫描（OCT）与血管内超声（IVUS）。传统有创成像分辨率更高但成本高、患者风险大，近年CTCA在斑块负荷评估、成分分析及风险分层中的价值日益凸显，还可同步评估心外膜脂肪组织、细胞外容积（ECV）等风险指标。人工智能增强的成像软件已实现机器学习驱动的血管壁评估，进一步提升风险分层能力。但管腔边界的微小误差会显著影响血流动力学分析结果，EMERALD试验结合CTCA与CFD预测易损斑块的成功经验表明，非侵入性CT目前仍是平衡各类因素的优选模态。MRA虽无需对比剂与辐射，可评估管壁结构、斑块特征及微循环功能，但空间时间分辨率不足、扫描时间长、禁忌症限制等问题仍待解决，压缩感知人工智能（CSAI）框架有望突破相关瓶颈。ICA仍是狭窄检测的金标准，但对斑块成分与管壁特征显示不佳；IVUS与OCT作为腔内成像技术，分别在高穿透深度与高分辨率方面各具优势，光谱虚拟组织学（VH-IVUS）可实现斑块定量表征与血管重构分析。为克服单一技术局限，光子计数CT、混合成像系统（如IVUS-OCT导管、NIRS-IVUS、DeepOCT-NIRS）及PET/CTCA等新技术不断涌现，但目前主要应用于科研场景。人工智能在斑块表征、狭窄量化及血流动力学风险分层中的应用，将成为未来诊断效能提升的核心驱动力。
2.2 冠状动脉几何分割
冠状动脉图像需经后处理重建三维管腔结构。心脏容积扫描技术（CTCA、MRA）可通过曲面多平面重组与容积再现实现狭窄与斑块的半定量表征，腔内成像（IVUS、OCT）则通过多模态融合技术实现解剖结构与斑块特征的同步评估。过去十年，基于CTCA、ICA、OCT及IVUS的冠状动脉分割技术取得显著进展，从早期依赖手动验证的半自动化工具（如3D Slicer、ImageJ、VMTK、Simvascular等开源库及Materialise Mimics、OsiriX等商业软件），逐步发展为以全监督深度学习为核心的自动化方法。为解决标注数据依赖问题，半监督学习、多模态学习及域适应技术得到广泛应用，无监督学习与自监督学习也成为研究热点。但自动分割仍面临三大挑战：一是图像噪声、运动伪影及钙化与支架导致的晕状伪影干扰真实管腔边界识别；二是模型在不同扫描设备与协议下的泛化能力不足；三是冠状动脉解剖复杂多变，现有算法对小众解剖特征的识别精度有限。随着公开标注数据集的增加，全自动分割的准确性与普适性将持续提升，为后续血流动力学分析奠定坚实基础。
3 冠状动脉血流动力学计算分析
图像采集与分割完成后，可通过CFD模拟获取血流动力学参数，补充解剖与斑块特征之外的功能学信息。血流储备分数（FFR）是计算血流指标临床转化的成功范例，其通过压力导丝测量狭窄远端与近端压力比评估狭窄功能学严重性，指导经皮冠状动脉介入治疗（PCI）。目前基于CTCA的FFRCT与基于ICA的定量血流分数（QFR）已分别被ESC与ACC/AHA指南推荐用于临床实践。QFR实现了无导丝功能学评估，但准确性受操作者经验与造影图像质量影响，不适用于主动脉开口病变、严重血管迂曲等场景；FFRCT可提供无创缺血评估，但在中度狭窄及广泛钙化患者中准确性下降。二者均显著降低了患者风险与医疗成本，是新型计算方法的重要基准。
3.1 数值方法
冠状动脉血流建模可根据维度分为零维集总参数模型、一维分布参数模型、二维平面模型及三维全域模型。集总参数模型计算效率最高但无法解析局部血流张量；一维模型可模拟沿血管的脉冲波传导；三维模型能提供最详细的流场信息但计算成本最高。多尺度耦合模型（如0D-3D、1D-3D）可兼顾效率与精度，是目前的主流方向。求解控制方程的方法包括有限体积法（FVM）、有限元法（FEM）、格子玻尔兹曼法（LBM）与光滑粒子流体动力学（SPH），其中LBM在大规模并行计算中优势显著，SPH适用于复杂几何与移动边界问题。为提升计算效率，卷积神经网络（CNN）已被用于预测内皮剪切应力（ESS）分布，将模拟时间从小时级缩短至分钟级，物理信息神经网络（PINNs）通过将Navier-Stokes方程嵌入训练过程，降低了对大规模标注数据的依赖，但在复杂流场（如重度狭窄湍流）中的精度仍需提升。
3.2 数值假设
血液流变学方面，非牛顿模型（如Carreau-Yasuda、幂律模型）在低剪切率场景中更具优势，但牛顿假设在多数研究中已能满足精度需求。血管壁力学方面，刚性壁假设在周期平均血流分析中与流体-结构相互作用（FSI）结果一致性良好，但瞬时血流参数（如振荡剪切指数OSI）受血管运动影响显著，FSI模拟对斑块易损性与破裂风险评估至关重要。FSI可分为单向与双向耦合，后者能更准确模拟流固双向作用，但动脉组织材料属性的个体差异大、离体实验条件不一致等问题限制了高保真FSI的应用，Holzapfel应变能模型是目前表征血管各向异性行为的常用方法。边界条件设置是CFD模拟的核心，入口与出口条件可基于体内测量数据（如TIMI帧计数、多普勒超声、热稀释法）设定，也可采用基于Murray定律的Doriot拟合缩放策略，或多尺度Windkessel模型模拟微血管阻力。参数调优作为边界条件设定的关键环节，可通过最小二乘优化、贝叶斯估计及数据同化技术实现，机器学习方法的引入进一步提升了调优效率。为确保模型可信度，必须严格执行验证、验证与不确定性量化（VVUQ）流程：验证需通过网格收敛性测试控制离散化误差；验证需对比体内测量数据评估模型真实性，标准化边界条件与结果处理策略可减少不确定性；不确定性量化可通过蒙特卡洛方法与高斯过程模拟，识别输入参数变异对目标输出量的影响，为结果置信区间提供依据。
4 冠状动脉解剖与血流动力学的关联
4.1 血流动力学与病理生理相关性
CAD的本质是血管功能障碍导致的管壁不良重构，内皮细胞直接响应血流剪切力调控血管功能。低剪切力与振荡剪切力促进炎症与管壁重构，高剪切力则与斑块 destabilization 及破裂相关。目前已建立一系列近壁血流动力学 descriptor，包括时间平均内皮剪切应力（TAESS）、横向内皮剪切应力（transESS）、振荡剪切指数（OSI）、相对滞留时间（RRT）及拓扑剪切变异指数（TSVI），其中TAESS反映一个心动周期内剪切应力幅值的平均水平，OSI量化血流方向振荡程度，RRT指示粒子滞留时间，TSVI表征剪切力收缩/扩张的周期性变异。全局流场特征方面，生理性螺旋流具有抗动脉粥样硬化保护作用，其强度可通过螺旋度指标量化；再循环流、二次流与射流则常见于分叉、弯曲及狭窄区域，其中二次流表现为一对反向旋转的涡旋，射流由狭窄处血流加速产生。这些流场特征与能量转换（动能与旋转能）共同决定了斑块发生发展的风险，近期研究证实血流能量可有效预测未来心肌梗死事件。但目前各类血流动力学参数的阈值尚未统一，限制了临床转化，未来需通过多中心随机对照试验确立标准化阈值与解剖学风险标志物。
4.2 解剖特征的影响
现有研究多聚焦于左主干分叉区域，对其他节段的关注不足，而急性冠脉综合征易损斑块与自发性冠状动脉夹层（SCAD）更多发生于前降支近端以外及中远段血管。人群解剖存在显著异质性，且不同种族间正常冠状动脉解剖存在差异，这对大规模人群研究提出了需求。解剖特征对血流动力学的影响并非独立，分叉角度、曲率、分支直径等因素存在显著交互效应：分叉通过改变血流路径诱导再循环与二次流，曲率通过压力梯度偏移导致二次流不对称，分叉角度对血流动力学的影响弱于曲率与直径的综合效应；Finet比率（FR，即入口直径与出口直径之和的比值）与低TAESS呈强相关，直径与曲率的联合效应比单一因素更能解释血流分布特征。单独解剖特征的研究也揭示了复杂规律：血管迂曲与高螺旋度相关，但其对TAESS的影响存在争议，可能与性别特异性解剖差异及曲率测量方法不统一有关，平均绝对曲率被证实是与不良TAESS相关性最强的指标。狭窄病变通过加速局部血流产生高ESS与高螺旋度，下游则形成低TAESS、高OSI与高RRT的扰动流场，最小管腔比（MLR）作为狭窄 abruptness 的指标，是未来心肌梗死的强预测因子。支架植入后，strut周围会产生局部再循环区，加剧血流扰动，可能导致支架内再狭窄。
5 当前局限与未来机遇
尽管QFR与FFRCT的临床应用验证了计算血流动力学的价值，但详细血流动力学参数（如TAESS、TSVI）仍需高保真模拟支持。当前研究面临四大局限：一是样本量小，多数研究仅纳入少量病例，且集中于左主干分叉，对中远段血管的关注不足；二是解剖特征多维交互效应复杂，传统单因素分析难以揭示真实关联；三是分割与模拟流程耗时，自动化程度不足；四是血流动力学参数阈值缺乏标准化。未来研究应聚焦以下方向：首先，扩大样本量并开展群体特异性研究，通过功效分析确保统计效力，结合不确定性量化评估解剖与生理变异的影响；其次，采用统计形状分析等方法解析多解剖特征的联合效应，构建代表性平均解剖模型；再次，开发全自动分割与快速血流分析算法，提升研究效率；最后，推动计算策略的标准化，明确建模不确定性的来源与范围，为临床转化奠定基础。值得注意的是，本文所述的分割与计算流程可推广至颈动脉、主动脉、脑血管等其他血管区域，通过调整边界条件即可开展跨血管床的血流动力学研究，为全身血管疾病的机制解析提供通用框架。
6 结论
冠状动脉血流动力学数值分析已开展多年，但解剖、生理与方法学的复杂性仍构成显著挑战，计算结果的可信度与可重复性有待提升。本研究系统梳理了相关领域的技术进展与现存问题，指出扩大样本量、解析多因素交互效应、开发自动化算法及推进标准化是解决当前局限的核心路径。明确建模过程中的不确定性边界并建立统一的验证标准，将显著提升研究的临床价值，推动冠状动脉血流动力学从基础研究向临床实践转化。
