有限元分析和计算流体力学阐明冷冻象鼻技术后远端支架诱导新内膜破口的机制
学术
健康
2024-11-28 17:30
上海
*仅供医学专业人士参考
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导读：升主动脉长度与主动脉疾病不良事件之间的关系近年来受到关注。升主动脉长度延长可能是主动脉壁应力增加的结果，易导致夹层和破裂。本文通过模拟冷冻象鼻支架远端机械环境解释远端支架诱导新内膜破口的发展机制。
目的：升主动脉长度近期被认为是主动脉疾病不良事件的新型预测因子，但其在冷冻象鼻支架(frozen elephant trunk, FET)远端支架诱导新内膜破口(distal stent graft-induced new entry, dSINE)中的预后价值尚不明确。本研究旨在通过模拟FET远端的机械环境来阐明dSINE的发展机制。
方法：采用有限元分析计算FET置入后主动脉壁的应力分布。使用计算流体力学模拟主动脉和FET模型腔内的血流。在考虑FET弹性回缩的条件下，对FET超尺寸率从0到30%进行多种情况的模拟。结果：FET的弹性回缩使其远端边缘推向主动脉大弯侧，导致主动脉周向应力集中并增加壁面剪切应力(wall shear stress, WSS)。弹性回缩还在主动脉小弯侧形成不连续的凹陷，引起血流淤滞。增加FET超尺寸率会扩大大弯侧的周向应力面积并增加最大应力。相反，降低FET超尺寸率会增加WSS并扩大高WSS区域。结论：超尺寸FET导致的周向应力集中和尺寸偏小的FET导致的高WSS均可引起dSINE。单纯选择较小尺寸的FET可能无法预防dSINE。
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图1 用于结构分析的几何模型：(A)主动脉，(B)切除升主动脉后，(C)FET，(D)主动脉与FET组合。(E)考虑主动脉和FET之间物理相互作用后得到的结构分析几何模型。(F)用于血流模拟的血管腔几何模型。图中还显示了模拟中使用的入口流量波形。
本研究使用有限元分析计算主动脉壁内的应力分布，同时采用计算流体力学确定FET置入后主动脉管腔表面的壁面剪切应力。由于设备的弹性回缩，FET远端的周向应力显示出与超尺寸率的相关性，随着超尺寸率增加而增加。计算流体力学进一步揭示，较小尺寸的FET会导致FET出口处的血流速度加快和更高的WSS。相对于原生主动脉直径的FET超尺寸率通常被认为是dSINE的危险因素。然而，Hiraoka等人报道，无论FET超尺寸率如何，dSINE都可能发生。如本研究所示，可能存在多种导致dSINE发生的机制。FET的弹性回缩在主动脉壁的大弯侧引起高周向应力和高WSS。如预期所示，FET超尺寸率越高，FET远端的周向应力越大且范围越广（图2）。相反，如图5所示，WSS高值区域随着超尺寸率的降低而扩大。这些发现提示，无论FET的超尺寸率如何，dSINE都可能发生。高周向应力和高WSS区域并不一定重合；高周向应力仅在FET远端边缘处被检测到（图2），而最大WSS区域位于下游约10mm处。因此，我们推测在FET尺寸选择的背景下，dSINE的发展存在两种机制。图2 主动脉壁周向应力的等值线图 (A)FET弹性回缩前(超尺寸率=15%)和(B-H)FET弹性回缩后；(B)超尺寸率=0%，(C)5%，(D)10%，(E)15%，(F)20%，(G)25%和(H)30%。图5：主动脉壁壁面剪切应力的等值线图 (A)FET治疗前和(B-H)FET弹性回缩后：(B)超尺寸率=0%，(C)5%，(D)10%，(E)15%，(F)20%，(G)25%和(H)30%。
弹性回缩（即FET随时间推移趋于变直的趋势）是常见现象。Hiraoka等报道，随访期间发生dSINE的患者FET表现出更强的弹性回缩。即使FET远端部署在降主动脉直段，FET也经常在随访过程中进一步变直并从主动脉壁凸起。这种变形可能对主动脉壁造成显著的机械应力。较长的FET可能导致较小的弹性回缩、较低的WSS，从而减少dSINE的发生。临床上，Li等确定支架长度较短是胸主动脉腔内修复术后发生dSINE的预测因素。然而，关于FET，一些研究组显示FET长度与dSINE发生率之间没有关联。在高应力条件下，在动脉粥样硬化病变中，基质金属蛋白酶(matrix
metalloproteinase, MMP)家族酶（介导细胞外基质蛋白降解的酶）据报道表达增高。将超尺寸支架植入猪主动脉会导致主动脉壁弹力纤维和肌纤维减少。这些研究表明，由于高机械应力条件下MMP家族的过度表达可能会降解细胞外基质，使主动脉壁变得脆弱，从而导致dSINE的发展。
非生理性血流动力学会诱导各种血管细胞功能障碍。Han等在细胞培养模型中证实，较高的WSS增加了平滑肌细胞MMP-2和MMP-9的产生。这种MMPs产生的增加预计会导致弹力蛋白和胶原蛋白（均为中膜的结构成分）的降解，使主动脉壁变得脆弱并易于发生主动脉夹层。Wen等发现高WSS的位置与主动脉夹层入口位置一致。此外，研究人员已经证实，长期暴露于异常水平的WSS会导致细胞外基质降解、动脉炎症和弹性层破坏。如图5所示，在FET远端下游立即观察到WSS升高。这些研究结果结合本研究结果表明，dSINE也可能是由于FET弹性回缩导致主动脉变形而产生的升高的WSS引起的。
Misfeld等报道，FET置入后约17%的病例在早期出现部分管腔内血栓形成，这与较高的院内死亡率相关。在该研究中，较小FET的患者更常见血栓形成。在我们的研究中，在FET远端边缘的小弯侧观察到一个无流线的凹陷区域（图4）。推测血流在凹陷区域淤滞，导致血栓形成。较小超尺寸率时凹陷区域更大，这可能解释了Misfeld等报道的较小FET血栓形成率更高的原因。
图4：(A)FET治疗前和(B-H)FET弹性回缩后的流线图：(B)超尺寸率=0%，(C)5%，(D)10%，(E)15%，(F)20%，(G)25%和(H)30%。基于我们的研究结果，提出以下预防dSINE的措施：使用更薄的镍钛合金丝可能减轻FET的弹性回缩并降低支架的径向力，从而减少对主动脉壁的应力。由于FET无论是超尺寸还是尺寸偏小都可能触发dSINE的发展，仅仅谨慎选择FET尺寸可能并不有效。相反，在FET远端添加无支架部分或使用径向力减小的支架有望减少FET边缘的周向应力。然而，尚不确定FET的无支架部分是否能降低主动脉壁的WSS，因为WSS是由血流而非支架本身的机械应力引起的。在zone 3而不是zone 2进行远端吻合也有望减轻置入的FET的弯曲度，可能减少弹性回缩。
Finite
Element Analysis and Computational Fluid Dynamics to Elucidate the Mechanism of
Distal Stent Graft-Induced New Entry after Frozen Elephant Trunk Technique
Shinri
Morodomi1, Homare Okamura2
1日本名古屋工业大学机电工程系
2日本自治医科大学埼玉县医学中心心血管外科
European
Journal of Cardio-Thoracic Surgery 2024Doi：10.1093/ejcts/ezae392
编辑：黄琰
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