冠心病患者非靶病变快速进展与斑块破裂的生物力学机制研究

The rapid progression and rupture of non-culprit coronary lesions is a major factor leading to poor prognosis of patients who undergo coronary interventions, while abnormal biomechanical environment is regarded as an important underlining mechanism. Nevertheless, the exact biomechanical mechanism is not completely understood, since in vivo methods for accurate assessment of the dynamic biomechanical behaviors of non-culprit lesions are still lacking. The purpose of this study is to: 1) Implement and validate a novel method of dynamic superficial wall stress by numerical simulation and in vitro experiments, and to study the influence of patient-specific hemodynamics (e.g. blood pressure and heart rate) and plaque morphology on superficial wall stress; 2) Carry out a prospective clinical study in which coronary angiography and intravascular optical coherence tomography of non-target lesions will be performed at baseline and follow-up. The role of dynamic superficial wall stress on the rapid progression and rupture of non-target lesions will be investigated. We also aim to establish quantitatively the biomechanical markers for risk stratification of non-culprit lesions and to provide the clinicians with theoretical basis for optimal management of non-culprit lesions.

冠状动脉非靶病变斑块的快速进展与斑块破裂是导致冠心病患者介入治疗预后不佳的重要因素，而斑块所处的生物力学环境起到关键作用。然而，由于缺乏准确在体评估冠脉斑块动应力的方法，非靶病变快速进展与斑块破裂的生物力学机制仍有待深入研究。本研究旨在：1）借助数值模拟与体外实验，实现并验证冠脉浅表壁动应力的科学分析方法，研究患者个体化参数（血压、心率等）以及斑块形态学参数对浅表壁动应力的影响；2）开展前瞻性临床研究，对非靶病变血管进行基线与随访的造影及血管内光学相干断层成像，研究浅表壁动应力对斑块快速进展与破裂的作用机制，定量非靶病变风险评估的生物力学指标，为临床制定非靶病变的治疗策略提供理论参考。

冠状动脉非靶病变斑块的快速进展与斑块破裂是导致冠心病患者介入治疗预后不佳的重要因素，而斑块所处的生物力学环境扮演着重要的作用。由于缺乏准确在体评估冠脉斑块动应力的方法，非靶病变快速进展与斑块破裂的生物力学机制仍有待深入研究。针对上述临床问题，本项目开展了基于医学图像处理、数值模拟、体外实验和临床研究等相结合的医工交叉研究，完善并验证了在体评估斑块浅表壁动应力的计算方法，明确了浅表壁动应变对斑块破裂的关系，形成对非靶病变风险分级的评估系统。本研究首先借助数值模拟与体外实验，实现并验证冠脉浅表壁动应力的科学分析方法，通过控制变量法阐明了患者个体化参数对浅表壁动应力的影响，研究发现粥样硬化斑块纤维帽应力最大值发生在心动周期的收缩中期，而舒张期处于低应力状态,并且应力集中于斑块近端肩部。提出基于冠脉OCT影像的血流储备分数计算方法（光学血流分数，OFR）与斑块虚拟组织学技术。并通过开展国际多中心临床研究验证了OFR诊断具有血流动力学意义的冠脉狭窄病变的准确度达到93%，虚拟组织学技术对三种基础斑块成分识别的平均准确度为92.2%。进而，提出一种基于斑块虚拟组织学技术的易损性新指标（脂质纤维帽比值，LCR），并完成了604名冠心病患者915根非靶病变血管的临床验证，发现结合OFR和LCR可以大幅度提升冠心病患者2年主要心血管不良事件的预测能力，风险比达到42.73。最后，创新性提出基于单体位冠脉造影的病变易损性评估新指标（血管径向壁应变, RWS）方法，对斑块易损性进行了量化，并通过开展序列临床研究，验证了基于造影的RWS能准确识别OCT定义的易损斑块（LCR异常的斑块），识别的曲线下面积达到0.86。利用OCT建模进行有限元分析所获得的斑块应变与造影的RWS存在很好的相关性（r=0.91, p<0.001）。同时，造影RWS是非靶病变快速进展以及发生一年主要心血管不良事件的独立预测因子，风险比分别为6.82与4.44。这些研究揭示了生物力学在冠心病患者非靶病变快速进展所扮演的重要作用。