冠状动脉树中流体动力学与斑块分布的关系 - Citmd.com

冠 状 动 脉 树 中 流 体 动 力 学 与 斑 块
分 布 的 关 系
Relationship between Flow Dynamics and Plaque Distribution
in Coronary Tree
南 京 市 第 一 医 院 心 内 科
南 京 市 心 血 管 病 医 院
叶 飞 陈 绍 良

冠 状 动 脉 循 环 的 分 布 特 点 :
• 主 干 在 心 外 膜 或 心 外 膜 下 很 浅 表 的 心 肌 下
行 走 , 其 分 支 与 主 干 垂 直 向 心 壁 内 心 肌 发
出 。 其 中 , 分 支 中 的 分 支 型 血 管 进 入 LV 壁
后 很 快 分 支 , 逐 渐 变 细 , 形 成 树 枝 网 状 分
布 , 供 应 心 室 壁 的 外 3/4~4/5; 直 进 型 血 管
进 入 心 室 壁 内 很 少 分 支 , 当 到 达 或 接 近 心
内 膜 下 区 时 方 发 出 分 支 并 吻 合 形 成 血 管
丛 , 供 应 乳 头 肌 、 肉 柱 和 心 内 膜 下 心 肌 。

动 脉 粥 样 硬 化 的 病 因 :
• 多 因 素 : 多 数 学 者 认 为 多 重 危 险 因 素 共 同
作 用 , 脂 肪 浸 润 、 血 栓 形 成 、 血 小 板 聚 集 、
损 伤 炎 症 反 应 、 单 克 隆 等 学 说 ;
• 病 理 学 : 大 动 脉 的 凸 处 、 动 脉 的 分 支 、 冠
状 动 脉 、 脑 动 脉 处 好 发 ;
• 细 胞 流 变 学 : 易 发 生 于 低 切 力 区 而 非 高 切
力 区 ;

动 脉 粥 样 硬 化 的 流 体 力 学 理 论 的 建 立
• 20 世 纪 70 年 代 以 来 , 随 着 新 技 术 的 应 用 , 促 进 了 从
血 液 动 力 学 角 度 来 探 讨 动 脉 粥 样 硬 化 的 发 生 发 展 和
定 位 的 机 理 , 并 已 经 知 道 , 动 脉 粥 样 硬 化 和 其 它 动
脉 损 伤 一 样 , 并 不 是 随 机 地 出 现 于 系 统 脉 管 中 , 某
些 动 脉 如 冠 状 动 脉 树 的 几 何 形 状 对 促 成 这 种 疾 病 有
着 相 当 高 的 几 率 , 特 别 是 易 在 弯 曲 位 置 和 分 叉 的 部
位 发 生 , 动 脉 粥 样 硬 化 的 流 体 力 学 理 论 就 是 在 这 种
基 础 上 建 立 起 来 的 。

流 体 动 力 学 与 动 脉 损 伤 的 实 验 室 发 现 :
• Combill 和 Roach 的 定 量 研 究 发 现 , 限 定 食 物 引 起 兔 的 动 脉
损 伤 , 最 初 出 现 在 自 下 行 主 动 脉 的 所 有 分 叉 的 始 端 到 末 梢 。
• Flasherty 等 人 在 供 给 一 种 致 粥 瘤 性 食 物 的 狗 身 上 , 发 现
了 同 主 动 脉 流 动 分 流 部 位 相 联 系 的 类 似 的 动 脉 损 伤 。
• Monnikko 等 人 在 最 先 研 究 人 冠 状 动 脉 硬 化 损 伤 的 位 置 后 发
现 , 冠 状 动 脉 的 损 伤 主 要 是 同 二 次 分 叉 口 有 联 系 。
• 从 尸 体 解 剖 中 发 现 动 脉 粥 样 硬 化 往 往 具 有 一 定 的 好 发 部
位 , 通 常 认 为 发 病 迹 象 最 明 显 的 区 域 是 在 动 脉 分 叉 部 位 和
曲 率 大 的 地 方 , 根 据 流 体 力 学 原 理 , 弯 曲 和 分 叉 的 区 域 其
局 部 面 积 可 以 产 生 边 界 分 离 、 二 次 流 动 , 并 有 湍 流 等 等 。
湍 流 、 边 界 分 离 等 易 造 成 动 脉 血 管 管 壁 的 内 皮 损 伤 。

湍 流 和 层 流
• 流 动 血 液 的 特 征 , 经 典 的 解 说 是 Poiseuille 流 动 理 论 , 可
是 , 湍 流 的 存 在 使 问 题 变 得 更 复 杂 。Godstein 研 究 了 弯 管
内 流 体 的 螺 旋 运 动 后 认 为 , 由 于 螺 旋 运 动 使 雷 诺 数 (Re 的
物 理 意 义 : 影 响 液 体 流 动 的 力 主 要 有 惯 性 力 和 粘 性 力 , 雷
诺 数 就 是 惯 性 力 对 粘 性 力 的 无 因 次 比 值 。 雷 诺 数 小 , 意 味
着 流 体 流 动 时 各 质 点 间 的 粘 性 力 占 主 要 地 位 , 流 体 各 质 点
平 行 于 管 路 内 壁 有 规 则 地 流 动 , 呈 层 流 流 动 状 态 。 雷 诺 数
大 , 意 味 着 惯 性 力 占 主 要 地 位 , 流 体 呈 紊 流 流 动 状 态 , 因
此 雷 诺 数 的 大 小 决 定 了 粘 性 流 体 的 流 动 特 性 。) 增 加 了 ,
于 是 Timm 作 了 人 体 主 动 脉 模 型 , 令 其 中 流 过 单 相 液 体 , 他
观 测 到 在 弧 形 部 分 保 持 为 层 流 的 流 体 运 动 进 入 直 管 后 就 变
为 湍 流 了 ; 另 一 方 面 ,Stehbens 观 测 到 这 样 一 种 现 象 , 他
使 单 相 液 体 通 过 S 形 管 路 , 当 雷 诺 数 为 550 时 , 就 发 生 了 湍
流 。

湍 流 和 动 脉 粥 样 硬 化 的 关 系
• 湍 流 与 病 变 部 位 一 致 , 如 正 常 人 体 下 述 部 位 的 血 管 内 通 常
有 湍 流 存 在 : 颈 动 脉 窦 、 头 部 血 管 开 口 处 对 侧 的 主 动 脉 弓
小 弯 曲 面 , 以 及 腹 内 诸 大 分 支 开 口 远 端 的 低 位 腹 主 动 脉
干 , 以 及 直 角 开 口 的 分 支 , 如 肋 间 动 脉 、 脑 动 脉 、 冠 状 动
脉 等 处 , 易 出 现 湍 流 现 象 , 则 也 易 产 生 动 脉 粥 样 硬 化 。
• 可 能 的 机 理 :(1) 在 有 湍 流 的 部 位 , 势 必 引 起 血 流 速 度
以 及 压 强 的 起 伏 , 使 大 量 红 细 胞 受 损 , 血 小 板 遭 到 损 伤 ,
因 而 在 内 膜 中 形 成 硬 化 斑 块 或 形 成 血 栓 。 (2) 湍 流 区
由 切 应 力 引 起 的 高 频 震 颤 、 流 速 减 慢 引 起 的 局 部 侧 压 增 加 ,
均 可 损 伤 血 管 内 皮 , 增 加 管 壁 通 透 性 , 使 管 壁 坏 死 、 钙 化 、
脂 质 浸 润 及 形 成 硬 化 斑 等 。 (3) 湍 流 本 身 可 引 起 血 管
内 膜 、 中 膜 增 生 , 管 壁 增 厚 , 妨 碍 管 壁 内 脂 清 除 , 还 使 结
缔 组 织 增 生 。 如 流 速 加 快 , 则 侧 压 降 低 , 使 内 膜 脱 离 中 、
外 膜 而 致 管 壁 损 伤 。

二 次 流 动 、 二 次 螺 旋 运 动
• 血 液 流 经 分 叉 和 弯 曲 的 动 脉 时 , 液 体
的 每 一 体 元 必 须 改 变 其 运 动 方 向 , 这
就 需 要 在 垂 直 于 其 运 动 方 向 上 有 力 的
作 用 , 这 个 力 在 流 体 中 来 自 侧 向 的 压
力 梯 度 。 由 于 运 动 较 快 的 流 体 元 比 运
动 慢 的 流 体 元 较 难 于 改 变 其 运 动 方
向 , 由 此 , 原 来 在 血 管 中 心 运 动 较 快
的 流 体 有 向 弯 曲 管 外 侧 移 动 的 倾 向 ,
而 由 近 管 壁 处 运 动 较 慢 的 流 体 所 置
换 , 如 果 形 成 一 个 横 向 循 环 , 即 二 次
流 动 、 二 次 螺 旋 运 动 。
因 为 二 次 流 动 的 出 现 , 使 靠 近 弯
曲 管 外 侧 处 的 切 变 率 要 比 层 流 流
动 大 得 多 , 因 而 在 这 些 区 域 因 黏
滞 性 而 产 生 的 能 量 消 耗 也 较 大 ,
这 样 , 要 使 流 体 流 经 弯 管 要 比 直
管 作 更 多 的 功 , 导 致 动 脉 粥 样 硬
化 发 生 。
b
a

边 界 分 离
• 是 指 流 体 在 扩 张 的 血 管 中 流 动 时 , 压 力 下 降 比 在
等 断 面 管 路 流 动 时 小 , 即 压 力 梯 度 达 一 定 值 时 ,
管 壁 附 近 较 慢 的 流 体 将 发 生 倒 流 , 这 就 形 成 了 分
离 区 , 即 边 界 分 离 现 象 , 会 产 生 层 流 的 环 流 , 且
当 雷 诺 数 Re 增 大 到 一 定 程 度 时 , 则 分 离 区 也 增
大 ; 当 Re 数 值 相 当 大 时 ( 比 临 界 雷 诺 数 Re 大 许 多
时 ), 在 分 离 区 内 就 发 生 了 湍 流 , 并 伴 随 产 生 明
显 的 能 量 损 失 。

血 管 分 叉 处 的 分 离 现 象 :
• 在 侧 支 管 中 , 同 管 壁 相 接 触 处 的 某 些 部 位 将 产 生
旋 涡 区 , 在 旋 涡 区 的 管 壁 附 近 会 引 起 逆 流 。 同 样
在 弯 曲 管 处 , 当 雷 诺 数 Re 数 值 较 大 时 , 则 和 管 壁
相 接 触 的 某 些 区 域 将 产 生 旋 涡 区 。

边 界 分 离 导 致 斑 块 发 生 的 机 理 :
• 分 离 区 液 体 流 动 缓 慢 、 停 滞 、 逆 向 以 及 旋 涡 形
成 , 使 血 细 胞 向 集 中 减 少 , 而 和 管 壁 的 接 触 机 会
增 加 , 接 触 时 间 延 长 , 有 利 于 脂 质 进 入 管 壁 形 成
“ 粥 样 ” 硬 化 斑 。 如 果 分 离 区 压 力 高 , 更 可 加 速 这 种
浸 润 作 用 。 另 外 , 血 液 黏 性 增 加 则 有 利 于 血 液 停
滞 区 的 形 成 , 血 液 停 滞 会 由 于 血 中 氧 被 消 耗 而 引
起 缺 氧 , 从 而 损 害 内 皮 , 造 成 动 脉 粥 样 硬 化 。
• 边 界 分 离 有 引 起 血 管 内 膜 增 生 的 作 用 。 内 膜 增 生
的 同 时 , 促 进 结 缔 组 织 的 形 成 和 脂 质 的 沉 淀 , 于
是 就 出 现 动 脉 粥 样 硬 化 的 症 状 。

气 蚀 的 概 念 :
• 气 穴 的 概 念 —— 当 气 体 溶 液 在 低 于 饱 和 压 时 , 会
有 气 泡 逸 出 。 流 体 中 可 出 现 不 溶 于 液 体 的 极 微 小
的 气 泡 ( 气 核 直 径 约 0.1-10 微 米 )。 这 种 因 压 力
降 低 而 在 液 体 内 部 发 生 气 泡 的 现 象 称 为 气 穴 , 其
发 生 条 件 为 液 体 内 压 力 p

气 蚀 的 影 响 因 素
• 在 分 叉 、 加 温 和 上 升 等 条 件 下 都 可 发 生 气
蚀 , 其 与 血 管 形 状 变 异 性 、 温 度 (T)、 流
速 (v)、 气 体 饱 和 度 (k)、 液 体 内 的 气
核 数 、 粘 度 等 正 相 关 。

气 蚀 现 象 在 动 脉 粥 样 硬 化 中 的 作 用
• 血 液 是 气 溶 饱 和 液 体 , 血 液 流 动 过 程 中 遇 分 支 、
拐 弯 以 及 其 他 变 化 , 可 出 现 气 蚀 现 象 。 气 蚀 是
一 概 率 事 件 , 若 多 个 气 穴 短 期 内 在 一 小 段 血 管
壁 上 湮 灭 , 可 导 致 内 膜 损 伤 和 胶 原 纤 维 的 暴 露 。
一 定 程 度 的 上 皮 损 伤 可 引 起 血 小 板 的 黏 附 、 凝
血 系 统 的 激 活 , 并 导 致 血 栓 的 形 成 。 根 据 比 例
效 应 血 管 内 的 气 蚀 是 低 概 率 事 件 , 但 反 复 的 较
小 血 栓 及 机 化 形 成 动 脉 粥 样 斑 块 , 对 于 个 体 在
人 生 过 程 中 , 在 各 种 因 素 的 影 响 下 , 和 临 床 中
对 于 疾 病 的 预 防 、 治 疗 却 犹 为 重 要 。

气 蚀 现 象 与 冠 脉 病 变 的 部 位 -1
• 分 叉 和 拐 弯 成 角 部 位 : 分 叉 、 拐 弯 处 的 血 管 壁 由
于 血 流 流 向 的 改 变 ,a 侧 壁 上 必 然 受 到 冲 击 , 而 b
侧 壁 上 压 力 必 定 有 所 降 低 , 流 速 越 大 、 拐 弯 半 径
越 小 , 压 强 变 化 越 大 (ΔP=2ρrve*2/R1)。 若 考
虑 血 液 粘 滞 系 数 , 则 压 强 变 化 大 , 根 据 定 义 内 壁
压 力 越 低 , 气 蚀 几 率 越 大 。
Prox MB
b
Dist MB
b
a
a
b
a

气 蚀 现 象 与 冠 脉 病 变 的 部 位 -2
• 从 图 可 以 看 到 对 于 斑 块 在 其 上 游 见 凸 性 向 对 , 而 下 游 呈 凹
性 相 对 。 根 据 动 量 守 恒 定 律 流 向 的 改 变 必 然 受 到 外 力 作 用
提 示 : 上 游 斑 块 受 到 流 体 冲 击 而 下 游 流 体 受 到 斑 块 吸 引 ,
因 此 下 游 是 低 压 区 , 来 流 越 快 , 来 流 压 力 越 高 , 下 游 低 压
绝 对 值 也 越 大 气 蚀 概 率 越 大 。 可 知 狭 窄 最 重 处 流 速 最 大 ,
压 强 最 低 , 也 是 气 蚀 发 生 最 重 处 , 即 所 谓 上 皮 激 活 的 机 理 。
另 外 斑 块 的 形 状 也 直 接 关 系 气 蚀 发 生 程 度 和 位 置 。 同 理 可
解 释 动 脉 凸 处 的 粥 样 硬 化 , 随 着 粥 样 斑 块 的 形 成 气 蚀 也 逐
步 加 重 , 导 致 恶 性 循 环 。

管 壁 的 弹 性 与 气 蚀 的 关 系
• 随 动 脉 纤 维 硬 化 ( 或 钙 化 ) 的 加 重 , 动 脉 储 存 能
量 的 能 力 也 有 所 下 降 , 压 强 变 化 加 大 导 致 气 蚀 的
加 重 。 这 与 有 人 提 出 的 纤 维 硬 化 与 粥 样 硬 化 的 相
互 促 进 是 一 致 的 , 也 是 高 血 压 在 动 脉 粥 样 硬 化 危
险 因 素 中 排 第 一 位 的 原 因 。 临 床 资 料 表 明 血 栓 与
粥 样 硬 化 程 度 相 关 , 在 流 体 力 学 的 关 于 小 孔 阻 尼
中 提 示 , 流 体 流 经 缩 口 时 , 流 体 位 能 的 损 失 与 缩
窄 的 长 度 成 正 比 , 与 管 径 成 反 比 , 可 知 随 着 缩 窄
长 度 的 加 长 及 管 径 狭 窄 的 加 重 , 位 能 降 低 , 气 蚀
也 进 一 步 加 重 , 最 终 导 致 血 栓 的 形 成 , 这 与 临 床
所 认 为 中 老 年 后 粥 样 硬 化 急 剧 加 重 的 观 点 是 一 致
的 。

冠 脉 血 流 动 力 特 点 与 气 蚀 的 关 系
• 冠 状 动 脉 流 速 与 心 动 周 期 相 关 , 心 射 血 期
时 冠 状 动 脉 以 弹 性 势 能 储 存 大 量 血 液 , 在
冠 状 窦 口 垂 直 的 分 支 也 使 局 部 形 成 低 压
区 ; 心 脏 舒 张 时 血 液 迅 速 通 过 心 内 分 支 导
致 局 部 压 力 迅 速 下 降 。 目 前 认 为 心 脏 的 舒
张 也 是 耗 能 过 程 , 舒 张 期 负 压 加 大 , 这 可
能 是 动 脉 粥 样 硬 化 好 发 于 左 前 间 支 并 导 致
心 肌 梗 塞 的 原 因 , 同 时 心 脏 的 高 温 也 成 为
气 蚀 形 成 的 条 件 , 故 β 阻 滞 剂 对 冠 心 病 和
心 肌 梗 塞 病 人 预 后 的 改 善 。

临 床 意 义 及 展 望
• 对 于 高 血 压 、 短 暂 脑 缺 血 发 作 、 糖 尿 病 、 脑 梗 塞 、 冠 心 病 ,
降 压 的 治 疗 放 在 首 位 , 而 将 抗 凝 放 在 第 二 位 的 原 因 在 于 : 气 蚀 余
量 的 增 加 , 血 管 上 皮 损 伤 几 率 降 低 , 引 起 血 小 板 聚 集 程 度 降 低 ,
随 之 血 小 板 引 起 的 第 二 聚 集 波 的 几 率 降 低 , 这 样 小 血 栓 形 成 几 率
降 低 。 因 此 一 定 程 度 的 抗 凝 能 明 显 提 高 预 后 的 机 理 在 此 , 增 加 抗
凝 药 物 的 剂 量 不 能 抑 制 凝 血 的 瀑 布 反 应 , 因 此 不 能 进 一 步 改 善 预
后 。
目 前 没 有 以 动 脉 血 和 低 流 速 为 实 验 对 象 的 气 蚀 实 验 室 数 据 ,
而 且 血 液 的 流 动 是 脉 动 性 的 , 与 管 壁 的 弹 性 、 频 率 、 血 液 的 流 体
性 质 等 相 关 , 预 测 其 气 蚀 条 件 , 以 及 剥 蚀 速 度 、 血 栓 形 成 概 率 是
困 难 的 。 根 据 速 度 比 例 效 应 , 在 血 管 内 的 剥 蚀 要 比 工 程 中 要 慢 得
多 , 也 增 加 了 实 验 的 难 度 , 另 外 即 使 经 典 的 气 蚀 理 论 也 不 能 准 确
预 测 气 蚀 的 发 生 。 因 此 尽 管 运 用 计 算 机 求 解 仍 可 能 会 使 结 果 进 入
混 沌 , 并 导 致 失 真 。 但 可 以 预 见 一 旦 实 验 室 能 发 现 该 证 据 , 并 找
到 其 条 件 函 数 关 系 , 利 用 气 蚀 剥 蚀 - 上 皮 修 复 的 概 率 叠 加 模 型 可
以 对 临 床 治 疗 、 临 床 预 后 、 药 理 、 人 造 血 管 材 料 等 多 方 面 提 供 较
为 可 靠 的 理 论 依 据 。

结 语 :
• 流 体 力 学 理 论 在 动 脉 粥 样 硬 化 中 的 一 些 研 究 , 为
动 脉 粥 样 硬 化 斑 块 的 发 生 原 因 、 发 病 机 理 提 供 了
物 理 理 论 的 解 释 , 这 样 就 有 可 能 通 过 对 有 关 血 液
流 体 力 学 特 性 的 控 制 达 到 防 止 、 减 轻 或 延 缓 病 变
发 生 发 展 的 目 的 。 流 体 力 学 对 动 脉 粥 样 硬 化 的 发
生 与 定 位 上 , 根 据 目 前 的 研 究 , 认 为 肯 定 是 有 作
用 的 , 但 具 体 细 节 尚 存 在 不 少 假 设 , 还 有 许 多 关
于 动 脉 血 液 流 动 同 管 壁 的 相 互 作 用 的 难 题 没 有 解
决 , 对 有 些 特 殊 问 题 的 解 答 还 没 有 取 得 一 致 意
见 , 有 待 今 后 继 续 深 入 研 究 。

谢 谢