重压下的决策

作者 Paul D. Morris,谢菲尔德大学英国心脏基金会临床研究培训院士,英国谢菲尔德教学医院荣誉心脏病专科住院医师。

测量动脉阻塞压降的无创计算方法可帮助心脏病专家制定更客观准确的治疗决策。

Save PDF 订阅
Decision under pressure

2008年全世界死亡人数中有30%死于某种形式的心血管疾病。

冠状动脉疾病就是为心脏供血的动脉发生阻塞,是当今世界导致死亡的主要原因。世界卫生组织指出,世界上大约30% 的死亡是因心血管疾病所致。[1]这种疾病的发病数量和地域范围还在不断增大,因此制定新的诊断及治疗方案已迫在眉睫。

参加英国谢菲尔德大学VIRTUheart™项目的 临床心脏病专家和仿真专家正在使用ANSYS 计算流体动力学(CFD)仿真技术改进对特定患者冠状动脉疾病严重程度的诊断。对整个病变(阻塞)的压降进行无创建模可为临床心脏病专家提供量化指标,帮助他们判断是进行有创治疗(例如植入支架或接受心脏搭桥手术等),还是对不太严重的患者进行简单的药物治疗。

对于患者而言,减少不适、创伤和风险,增加成功治疗的效果具有意义重大。简化治疗过程、减少支架安装并避免进行昂贵的心脏搭桥手术所省下的治疗费用,对医疗费用愈来愈不堪重负的世界而言,也同样具有极大的价值。

是否治疗?

当一位抱怨胸口疼的病人进入心导管插入实验室时,需要通过血管造影获得冠状动脉结构图。如果动脉收缩显示有病变,此时需要回答两个问题:收缩情况有多糟糕?应该采取什么措施?

这个决定主观性比较强,取决于心脏病专家的经验和判断。如果咨询多位心脏病专家对同一病变进行判断,很可能得到几个不同的意见。需要迅速做出决策。

与血管造影片中所示的纯粹结构数据不同,生理数据可通过如下方法获得:将带有小型压力传感器的导线插入病变的血管中,并测量病变处两侧的压力。整个病变处的压降可说明阻塞的严重程度。用较低压除以较高压,可得到一个介于0 和1 之间的数,这个数称为血流储备分数(FFR)。如果FFR 大于0.80,这一收缩就不太可能造成任何临床症状或问题。若该值低于0.80,就说明血流会受阻。高FFR 对患者而言是个好消息,但如果FFR 远远低于0.80,则明显需要进行支架植入或心脏搭桥手术。在FFR 接近0.80 临界点时,最难进行决策。

很明显,使用这种技术得到的FFR测量值(mFFR)可为心脏病专家提供一个客观值,帮助他们做出治疗决策,更少地依赖医生凭经验所做出的主观判断。但令人遗憾的是,获得mFFR 值的压力测量过程在英国支架植入手术案例中占比不及10%。该过程需要在动脉中插入一根导线,因此它不仅会增加费用,而且还会延长患者的不适时间。因此即使压力测试过程可提供明显的优势,世界各地已采用这一有创方法的医生的比例也并不高。

Angiogram of coronary artery

Simulation of coronary artery

冠状动脉及其分支的血管造影图(左);使用ANSYS CFD所获得分支冠状动脉结构的虚拟模型(右)。高压显示为红色和橙色,而较低压则显示为绿色和蓝色。

VIRTUheart的心脏病专家和仿真专家正在使用ANSYS CFD加快和改善对特定患者冠状动脉疾病严重程度的诊断。

用虚拟方法确定

ANSYS 解决方案在INSIGNEO 研究所获得广泛使用,因此在谢菲尔德大学的Silico Medicine 中,自然需要通过对冠状动脉进行建模仿真来获得虚拟无创FFR 值(vFFRTM)。研究人员希望该解决方案将能为冠心病治疗决策中更多采用这种有价值的措施清除障碍。改善患者恢复结果的潜在优势是推动这一调查研究的强大力量。

研究人员使用ANSYS CFD 对19 位冠状动脉病情稳定的患者开展了试点研究,总共涉及35 处收缩的动脉。[2] 他们通过获得旋转冠状动脉造影提供了冠状动脉的3D 图片。(在本次临床试验之后还开展了其它研究,以避免进行旋转冠状动脉造影,因为与标准2D 血管造影仪相比,该仪器不太常用。本次研究的结果尚未披露。)该团队将血管造影片分割开,形成了3D 动脉几何图形。自定义软件创建了由大约150 万个单元组成的表面网格和体积网格。与患者的专用模型不同,研究人员需要将一般压力和流体边缘条件应用于该模型,然后将网格几何结构导入ANSYS CFX进行整个病变的CFD 仿真以及vFFR 的计算。

试点研究所获得的mFFR 值和vFFR值非常吻合。vFFR 的整体诊断准确度高达97%。vFFR 与mFFR 对照图的关联系数为0.84。

VFFR 的优势

Coronary lesion
vFFR=0.47的冠状动脉病变明显需要治疗
Coronary lesion simulation
流经冠状动脉病变部位的血流
Angiogram
正在进行的血管造影

拥有虚拟判断FFR 的能力,应该最终能让这种有价值的生理参数更广泛地应用于判断动脉病变的正确治疗方法。这种vFFR 方法只需血管造影图和CFD仿真,无需在患者动脉中有创插入带压力传感器的导线。仅凭这一点,vFFR就能够为患者治疗效果和医疗费用节省产生巨大的积极影响。

此外,vFFR 还能提供作为建模对象的完整动脉系统的压力图,这与mFFR方法获得的单点压降值相比,是一项重大进步。C F D 仿真过程中的压力分布可清楚显示压力变化最显著的区域。mFFR方法无法提供这种综合而全面的详细信息,只能提供单点压力测量。

如果单根冠状动脉中存在两三处病变,病变部位就会构成一个病变系统。心脏病专家可能会倾向于为每个病变部分植入支架。但为上游的第一个病变部位植入支架可能会改善压力状况,这样下游病变部位可能就无需植入支架了。

The VIRTUheart team
VIRTUheart团队
Coronary artery mesh
仿真前用于冠状动脉的网格划分

VIRTUheart 的研究人员现在正在研究该模型的扩展功能,其将实现虚拟支架植入。例如,心脏病专家最终可在该模型中虚拟植入支架,观察支架对系统中其它病变及动脉可能产生的影响。能够在实际治疗患者之前以电子形式预览治疗,应该可以通过减少支架的植入数量,实现更好的疗效,节省医疗费用。

虽然试点研究显示,vFFR 的诊断精确度高达97%,但仍然有改进的空间。最初的研究是采用血压及血流的一般边界条件实现的。VIRTUheart 研究人员正着力调查研究如何使用患者特定边界条件提升vFFR 诊断的精确度。

最后,关于心血管病变治疗方法的决策会成为患者寿命及生命质量的决定性因素。决定采用心脏搭桥手术、支架植入还是简单的药物治疗方法,可能会有很大的差别。如果您是躺在心导管室手术台上的患者,您一定希望您的医生尽量获取所有必需的数据之后再做出决策。ANSYS 与VIRTUheart 通力合作,帮助医生为患者做出最佳的治疗决策。

参考资料

[1] 世界卫生组织网站: www.who.int/mediacentre/factsheets/fs317/en/

[2] Morris P.D.、Ryan, D.、 Morton, A.C. 等,《通过冠状动脉血管造影获得虚拟血流储备分数:为冠状动脉病变严重程度建模:VIRTU-1(通过冠状动脉血管造影获得虚拟血流储备分数)结果研究》,摘自《美国心脏病学会杂志· 心血管植入》2013 年第6 卷第2 期第149 页~157 页。

与 ANSYS 取得联系

联系我们
Contact Us
联系我们