基于有限元分析切割球囊对冠状动脉钙化病变预处理效果

摘    要：

目的 探讨切割球囊在浅部冠状动脉钙化病变预处理中的适用范围，以减少其在钙化病变治疗中严重并发症的发生。方法 采用有限元方法，以普通球囊为对照分析切割球囊对不同弧度、厚度和长度钙化斑块的作用效果。将钙化斑块厚度设置为0.3、0.4 mm,长度设置为2、4 mm。并根据血管内超声(intravenous ultrasound, IVUS)钙化严重程度分级，设置钙化弧度为120°、180°、270°和360°,共16种钙化斑块。对钙化斑块使用脆性断裂模块来模拟钙化断裂情况，在预处理仿真的基础上进行支架虚拟植入，使用钙化断裂情况和支架圆形率来评价预处理效果。结果 对于浅部钙化病变，在小于120°病变中，球囊无法解除钙化斑块阻碍，支架圆形率为82.75%。在厚度小于0.3 mm的180°钙化病变中，切割球囊在1 215.9 kPa下使钙化发生断裂，支架后圆形率为74.42%;普通球囊在安全扩张压力(1 418.55 kPa)下无法使钙化发生断裂。在270°小于0.3 mm厚钙化病变，普通球囊在1 013.25 kPa下产生3处断裂；切割球囊在1 013.25 kPa下产生2处断裂，球囊无法使厚0.3 mm的环状钙化发生断裂。结论 推荐在厚度小于0.3 mm的180°左右钙化病变中使用切割球囊，270°钙化斑块使用普通球囊。对于厚度大于0.3 mm的环状病变，不推荐使用球囊预处理方法。

关键词：切割球囊;冠状动脉钙化病变;钙化斑块;钙化断裂;支架虚拟植入;

冠状动脉钙化是钙盐沉积在冠状动脉血管壁内形成的病变发生在冠状动脉粥样硬化的中后期，主要出现在内膜下[1]。浅部钙化极易造成难以扩张的狭窄，在经皮冠状动脉介入治疗中，出现支架膨胀不全，从而导致血栓形成和支架内再狭窄等不良结局[2]。由于钙化病变表现出强大的球囊扩张阻力，只用普通球囊处理往往很难达到预期扩张效果，而切割球囊表面附着3根刀片形成应力集中从而增强钙化病变处理能力。

Zhang等[3]进行临床回溯性研究发现，切割球囊在钙化病变预处理中比普通球囊，双导丝球囊和棘突球囊有更优的临床效果。虽切割球囊对钙化病变预处理成功率较好，但也有会更多的血管撕裂和穿孔发生[4]。而临床研究发现，不同类型钙化斑块(钙化的弧度、厚度和长度)都会影响冠脉钙化病变预处理效果[5,6,7]。但上述研究没有对这些影响因素进行分级控制变量研究，这些因素如何影响以及带来怎样的影响还未知。因此，本文对钙化弧度、厚度及长度影响因素进行分级研究，对适宜使用切割球囊进行预处理的钙化病变提出建议，从而提高钙化病变介入手术成功率和减少严重并发症的发生。

由于临床无法测量球囊扩张后血管应力情况、斑块与球囊的位置关系及伦理问题，故目前多采用有限元方法来研究该问题[7,8,9,10]。Kawase等[11]采用有限元分析方法比较带有刻痕元件的球囊与普通球囊对2.5 mm厚环状钙化病变的有效性，发现带有刻痕元件的球囊能够以较低压力扩张钙化病变。Song等[12]建立不同厚度360°环状钙化模型，结果发现，随着钙化的增厚，切割球囊刀片处产生的最大主应力越高。Zhu等[13]建立180°钙化病变三维模型，结果表明，当切割球囊有两处刀片面对钙化时能获得更好的效果。上述研究仅使用斑块处最大主应力进行分析，而腔内影像学研究显示，钙化斑块断裂是解除支架膨胀不全的原因[14,15]。因此，结合钙化斑块断裂应变更贴近临床情况，且有利于后续支架虚拟植入，以全面分析预处理效果。

本文采用有限元方法，模拟切割球囊对不同类型钙化病变预处理的钙化断裂情况，随后进行支架虚拟植入，以普通球囊做对照，从而分析切割球囊对不同弧度、厚度和长度钙化斑块的作用效果。

1 材料与方法

1.1 模型构建

为了探讨切割球囊对不同类型钙化病变的作用效果，构建理想模型。在SolidWorks中建立长35 mm、内径为3 mm、外径3.9 mm、最狭窄处直径1.6 mm的三维直血管模型，其材料采用Holzapfel等[16]确立的表征冠状动脉壁材料性能的各向同性超弹性本构关系。通过网格依赖性分析，在ABAQUS中使用网格划分工具按单元最大尺寸为0.1 mm进行网格划分，在狭窄处进行加密，以75 μm进行网格划分。选择单元类型为C3D8R,网格单元数为185 724,节点数为213 048。

斑块分级采用人体常见钙化厚度和长度[17],设置钙化斑块厚度为0.3、0.4 mm, 长度为2、4 mm。并根据IVUS钙化严重程度分级，设置钙化弧度为120°、180°、270°和360°,共16种钙化斑块。临床研究显示，浅部钙化较易影响支架扩张，故将钙化斑块设置为距血管最狭窄处内膜0.23 mm处。通过网格依赖性分析，在ABAQUS中使用网格划分工具按单元最大尺寸为0.07 mm进行网格划分，使用单元类型为C3D8R。

根据普通球囊和切割球囊信息构建额定直径为3 mm的三维模型(见图1)。使用Zhu等[13]的方法构建初始直径为1.42 mm的三褶切割球囊模型，刀片高度为0.127 mm, 刀片基座高0.064 mm, 宽0.344 mm。通过网格依赖性分析，刀片和底座在ABAQUS中选择单元类型为C3D8R进行网格划分，生成6 400个单元和14 460个节点。膜部单元类型为M3D4R进行网格划分，膜厚度为0.02 mm, 生成15 288个单元，节点数为15 366。普通球囊构建为锥形末端的六褶球囊，初始直径为0.8 mm, 网格采用M3D4R类型，膜厚度为0.02 mm, 生成15 288个单元，节点数为15 366。

支架模型使用美敦力(Medtronic)公司的药物洗脱冠脉支架，由15个环状花冠轴向排列的支撑体构成。在软件HyperMesh中进行网格划分，采用C3D8R类型网格，通过网格依赖性分析，使用单元数为120 286,节点数为151 329。

1.2 材料属性

参照以前的研究，以上所有模型的弹性模量和泊松比见表1。

1.3 仿真实验

整个模拟过程中，采用ABAQUS/Explicit求解器进行高度非线性计算。系统的动能不能超过内能的5%,这被认为是一种准静态分析。模型之间的接触设定为一般接触，采用库仑摩擦模型，设置摩擦因数为0.2来描述摩擦行为。

钙化病变预处理目的是通过钙化断裂解除支架扩张阻碍，故在钙化斑块上使用脆性断裂模块。冠状动脉钙化斑块有着与皮质骨相似的形成过程、成分及力学行为[19,20],故使用胫骨皮质骨极限拉伸强度175 MPa和断裂应变为1%[21]描述钙化斑块。在有限元软件ABAQUS中分两步进行仿真实验：① 固定血管两端，将钙化设置为血管内置区域，设钙化斑块距内膜0.23 mm。分别使用普通球囊和切割球囊进行预扩张模拟，在球囊内表面加压强，压强控制在临床上常使用的预处理压力范围(607.95～1 418.55 kPa )内，虚拟扩张后在球囊内表面施加-20.265 kPa压强，模拟球囊回撤，最后得到血管变形和钙化斑块断裂情况； ② 对于偏心性钙化斑块(120°和180°),钙化阻碍支架扩张表现为破坏支架圆形率，故分别对预处理前和预处理后(步骤①后)钙化血管模型进行支架虚拟植入实验，观察预处理解除钙化阻碍支架支撑的效果。首先，导入步骤①变形后的血管网格，由于步骤①中钙化断裂破坏的网格变形极大，不能直接导入变形后网格，故需要在载荷中对钙化模型添加预定义场，将步骤①结果中钙化模型的最后状态作为初始状态进行导入。随后进行支架虚拟植入，使用临床上常用的1 418.55 kPa施加在球囊内表面以带动支架扩张，扩张后在球囊内表面施加-20.265 kPa压强，模拟球囊回撤，从而模拟贴近真实的手术情况。由于偏心性钙化阻碍球囊扩张表现为钙化所对应部位的支架膨胀不良，本研究通过测量管腔最狭窄平面圆形率(管腔轮廓到其质心的最短距离比最长距离)反映支架打开程度。

2 结果

2.1 预处理结果

2.1.1 120°钙化斑块

在长2 mm、厚0.3 mm、120°钙化斑块中在预处理常使用的球囊扩张压力下到1 418.55 kPa时，普通球囊和切割球囊均无法使钙化断裂(见图2)。

2.1.2 180°钙化斑块

在长2 mm、厚0.3 mm、180°钙化斑块中，切割球囊在1 215.9 kPa扩张压力下使钙化发生断裂，且断裂发生在刀片所对应的位置上。普通球囊在安全压力下(1 418.55 kPa)无法使钙化斑块发生断裂。当保持钙化长度不变，钙化的厚度由0.3 mm改变为0.4 mm, 在1 418.55 kPa

球囊扩张压力下，切割球囊和普通球囊均无法使钙化断裂。保持钙化斑块厚度不变，长度为4 mm时，在1 215.9 kPa球囊扩张压力下观察到与2 mm钙化长度时相同结果(见图3)。

2.1.3 270°钙化斑块

在长2 mm、厚0.3 mm、270°钙化斑块中，切割球囊在1 013.25 kPa扩张压力下使钙化产生了两处断裂，一处产生在钙化中部，另一处产生在刀片所对应处。而普通球囊在1 013.25 kPa扩张压力下使钙化产生了3处断裂(见图4)。

2.1.4 360°钙化斑块

在长2 mm、厚0.3 mm、360°钙化斑块中，球囊扩张压力从607.95 kPa增加到1 418.55 kPa后，两种球囊均无法使钙化斑块发生断裂(见图5)。

2.2 支架虚拟植入结果

分别对偏心性钙化斑块(120°和180°)经预处理前和预处理后进行支架虚拟植入，并计算支架后血管最狭窄处圆形率。仿真结果表明，120°钙化斑块中，管腔最狭窄平面圆形率为82.75%。在180°钙化斑块中，在预处理前，管腔最狭窄平面圆形率为69.40%。经过切割球囊作用使钙化产生一处断裂后进行支架虚拟植入，管腔最狭窄平面圆形率为74.42%(见图6)。

3 讨论

沉积在内膜下的钙化斑块在介入手术中表现为强大的球囊扩张阻力，从而造成支架膨胀不良，进而导致血栓形成和支架内再狭窄等严重手术并发症[2]。使用球囊进行预处理可以使钙化发生断裂，从而缓解钙化病变对支架扩张的阻碍。切割球囊刀片形成的应力集中有利于钙化断裂的发生，但存在发生刀片崁顿、血管穿孔等严重并发症的风险，因此明确切割球囊在不同类型钙化病变中使用范围对减少严重手术并发症十分重要。使用OCT观察成功进行预处理的冠脉钙化病变犯罪血管，发现钙化断裂是解除支架扩张阻碍的原因。不同于以往针对钙化斑块切割球囊的研究，使用应力来描述作用效果，本研究对钙化斑块加入脆性断裂模块以更直观和贴近临床，并进一步进行支架虚拟植入分析预处理效果。

Fujino等[22]使用OCT观察138处经过球囊预处理的钙化斑块犯罪血管，发现弧度小于180°是钙化斑块预处理不成功的危险因素。在其随后的研究中观察261处钙化斑块预处理效果，以90°、180°和270°为界研究不同弧度钙化病变预处理成功率[23]。结果显示，在108例0°～180°钙化病变中仅有4例观察到钙化断裂，在33例180°～270°钙化病变中有6例都观察到了钙化断裂，而在30例钙化弧度大于270°患者中有18例都成功处理了钙化斑块。本文与上述研究具有相同发现，即非环状大弧度钙化斑块更易发生断裂。动脉粥样硬化钙化斑块有着与皮质骨相似的力学行为，其抗压强度远大于抗拉强度[24]。球囊预处理时，球囊扩张带动血管扩张，包含在血管内钙化受血管扩张的拉力。在小弧度钙化病变中，尽管切割球囊刀片处形成应力集中但其受到的拉应力较大弧度钙化病变小，不足以使钙化发生断裂。在180°钙化病变中，钙化在血管扩张中所受拉应力增大，但仅靠拉力不足以形成裂痕，在1 418.55 kPa扩张压力下使用普通球囊无法使钙化发生断裂，使用切割球囊刀片形成应力集中与拉应力共同作用下使钙化发生断裂。本实验仅有1处刀片对应斑块。Zhu等[13]实验发现，增加面对斑块的刀片数量能够增加切割球囊的作用效果。在270°钙化病变中，由血管扩张带来的拉应力进一步增大，从而使用普通球囊即可使钙化发生断裂。在切割球囊实验中，相同扩张压力下所产生裂痕较普通球囊少，可能由于刀片应力集中导致钙化所受应力不均匀，在应力集中处断裂后反而使其余钙化所受拉力减小。对于厚度大于0.3 mm的环状钙化，在临床常用的扩张压力下普通球囊和切割球囊无法使钙化发生断裂，此种钙化阻碍支架扩张作用强，盲目使用切割球囊进行处理时可能会发生刀片崁顿的危险，超高压力扩张时还会发生球囊爆破[25]。对于此种病变，应尝试使用旋磨等器械[26]。

球囊预处理难以使小弧度钙化斑块发生断裂。但研究表明，支架椭圆变形与支架内再狭窄、支架破裂和血栓形成相关[27]。由支架虚拟植入结果可见，小弧度钙化病变支架置入后管腔的圆形率为82.75%,相比180°钙化斑块预处理后74.42%的圆形率更高，形成严重不良后果可能性较小。

Fujino等[23]观察261例使用球囊对钙化病变行预处理的患者，以钙化厚度为0.25、0.5、1.0 mm为界，发现钙化厚度大于0.5 mm几乎无法观察到钙化断裂(97例患者中仅有1例),而在100例厚度0.25～0.5 mm钙化病变中有9例观察到钙化断裂，特别在64例厚度小于0.25 mm钙化病变中有18例观察到钙化断裂。本文同样观察到类似的趋势，当钙化呈180°时，在1 215.9 kPa扩张压力下，切割球囊使厚度为0.3 mm钙化斑块产生断裂；当厚度增加为0.4 mm, 在临床安全扩张压力下，切割球囊无法使斑块发生断裂。

除了对钙化厚度和弧度进行研究，本文还比较了钙化长度对预处理效果的影响。在180°钙化斑块中，钙化长度由2 mm增加至4 mm不影响钙化断裂效果。因此，本文认为，主要是钙化厚度和弧度影响钙化斑块预处理效果，而不是钙化长度。

本研究存在一些局限。血管本身表现为各向异性材料，各向异性材料能够更加准确地描述血管的不对称位移[28],以及动脉层中产生的应力水平高于各向同性模型[29]。在后续的研究中，需要使用各向异性血管模型，更加准确地评估切割球囊预处理的适用范围。对于钙化斑块模型，尽管本实验采用基于临床钙化病变统计出的常见类型，但钙化的表现形式多样，尤其会出现不均匀钙化，后续需要进一步对此种钙化开展研究。

4 结论

本研究通过建立普通球囊和切割球囊在不同弧度、厚度及长度钙化病变预处理和支架置入的仿真模型，分析切割球囊在不同程度钙化病变中的使用范围，以增加钙化病变介入手术成功率，并减少血管穿孔、撕裂和刀片崁顿等严重并发症的发生。根据实验结果，本研究推荐在厚度小于0.3 mm的180°钙化病变中使用切割球囊，270°钙化斑块使用普通球囊。对于厚度大于0.3 mm的环状钙化病变，不推荐使用球囊预处理方法。

参考文献：[1]李佳松,曹洪帅,李萌等.基于有限元分析切割球囊对冠状动脉钙化病变预处理效果[J].医用生物力学,2023,38(03):500-506.DOI:10.16156/j.1004-7220.2023.03.011.

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