JTCVS丨冠状动脉主动脉起源异常的生物力学建模:面向临床应用

Mauro Lo Rito, et al. Anomalous aortic origin of coronary artery biomechanical modeling: Toward clinical application. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery 2021

   摘 要   

目的：

冠状动脉主动脉起源异常 (AAOCA)可能与心源性猝死和缺血事件有关。解剖的静态特征主要决定手术适应症，尽管不良事件通常与动态物理动力有关。我们开发了一种能够模拟冠状动脉异常行为的计算模型，旨在评估其临床适用性，并研究负荷应激条件下的冠状动脉特征。

方法：

选择5例AAOCA患者和5例对照组。对于其中的每一个人，我们都基于从CT中获得的25个参数构建了一个类似主动脉根部和冠状动脉的三维模型。进行了结构有限元分析模拟，以模拟运动期间主动脉根部的压力增加(相对于基线值增加40mmHg，以及增加100mmHg，假设基线值为80 mmHg)，并研究冠状动脉腔特征。

结果：

25个参数在观察者间一致同意的情况下，于所有受试者中均获得。在对照受试者中，与AAOCA相比，右冠状动脉在负荷条件下的管腔扩张更为显著(6%-19.2% vs 1.8%-8.1%，P =008)，这也表明AAOCA无法在主动脉壁内段内扩张。

结论：

所提出的由患者特异性数据填充的AAOCA异常模型能够代表致病机制。它可以评估负荷条件下异常右冠状动脉的受损扩张，这一过程在任何临床设置中都无法量化。这项临床应用首次显示了量化病理行为的有希望的结果，可能有助于患者特异性风险分层。

   讨 论   

AAOCA在科学界的研究越来越多。主要争议在于广泛的人群筛查、猝死预防、风险分层、治疗适应症和长期结果的有用性。由于该疾病的发病率较低，目前已开展了国家和国际多中心研究和大型患者数据库，以应对上述几个未解决的问题。国际指南建议在发生心源性猝死 (SCD)事件时进行手术治疗，高风险形式 (AAOLCA)，同时低风险形式(AAORCA)也是必须要记录心肌缺血事件。不幸的是，尸检系列中有40%至60%的病例在死亡前没有表现出症状或体征，这说明首次出现症状通常是致命的。外科治疗的手术死亡率较低，但存在持续症状、主动脉瓣关闭不全和冠状动脉狭窄等显著风险。

此外，手术指征仅基于一些无法进行功能分层的解剖特征，产生了手术的益处是否大于风险的基本问题。功能评估可能改善手术治疗的风险与效益评估，尤其是在无症状受试者中，但运动激发试验未能显示6%-30%的患者出现心肌缺血。此类试验失败可能与无法在患有AAOCA的受试者进行易发生SCD的竞技运动中重现费力的努力有关。

为了克服上述所有限制，我们开发了一个计算模拟模型，该模型可填充患者特异性数据，并评估不同应激条件下的冠状动脉行为。据我们所知，这是第一个能够模拟AAORCA并评估冠状动脉特征(如直径、横截面积和应力条件下的口部变形)的模型，这些特征无法在临床环境中进行测量。

模型的临床适用性取决于从不同观察者设置的标准成像中检索参数的难易程度、快速性和可再现性。在我们的研究中，3个观察者证明在CCTA上测量的参数的88% (22/25)是一致的。我们的模型再现同样适用于不同的专业人员，可以方便地转换为临床环境。目前，参数的检索太长，因为每个患者需要30-40分钟，但自动算法可能会加速整个过程。

使用患者特异性参数填充的计算模型提供了可靠的类似于体内冠状动脉行为的输出特征。事实上，在基础和负荷条件下，我们在AAORCA和对照受试者中未发现LCA有任何差异。此外，模拟LCA显示在压力负荷下，横截面积沿冠状动脉长度明显地均匀增加，模拟了对物理动力的生理适应。事实上，在运动过程中，冠状动脉需要增加管腔直径，以保证稳定的压力梯度下保持足够的血流量。

更重要的是，对于RCA异常，该模型很好地显示了中/高压负荷下在类似功能性狭窄的壁内节段中缺乏扩张能力。我们发现RCA基底部中位横截面积为6.1mm2，与冠脉血管内超声检查 (IVUS)测量的冠状动脉尺寸(6±2.4mm2)一致。该模型从静态CCTA开始为AAORCA冠状动脉尺寸和行为提供动态输出特征。模拟输出值与IVUS测量值在一定范围内，IVUS被认为是具有最明确的动态检查。更重要的是，在每个患者中，我们根据整个节段的个体解剖结构对不同的冠状动脉行为进行了量化。

在临床场景中需要非常仔细地引入模拟数据，因为模拟模型往往会将引入偏差的复杂自然过程过于简化。该模型存在这样的风险，即我们可能正在查看我们想要查看的内容，因为我们是以这种方式构建模型的。由于这些原因，我们从未使用任何模拟结果来指导我们的临床决策。由于我们的发现是初步的，并且所有不同形式的AAOCA尚未经过检测，所以我们建议在正式临床验证之前不要使用该模型做出临床决定。初步的发现是有希望的，表明我们可能可以使用模拟模型为AAOCA患者开发一种可靠的个性化风险分层工具。我们可能很快就能克服目前功能性压力测试评估的诊断局限性。

25个参数的具体定义如下：

D_max: maximum aortic annulus diameter, 主动脉环最大直径[mm]

D_min: minimum aortic annulus diameter, 主动脉环最小直径[mm]

H_rc: right cusp nadir height, 右瓣尖最低点高度[mm]

H_lc: left cusp nadir height, 左瓣尖最低点高度[mm]

L_r: distance between right sinus commissures, 主瓣右窦连合之间的距离[mm]

L_l: distance between left sinus commissures, 主瓣左窦连合之间的距离[mm]

L_nc: distance between noncoronary sinus commissures, 主瓣无冠窦连合之间的距离[mm]

S_r: protrusion of the right sinus, 主瓣右窦突出部分长度[mm]

S_l: protrusion of the left sinus, 主瓣左窦突出部分长度[mm]

S_nc: protrusion of the noncoronary sinus, 主瓣无冠窦突出部分长度[mm]

H_sv: height of the maximum protrusion of the sinuses of Valsalva, Valsalva窦最大突出高度[mm]

H_sin: Height of the sinotubular junction, 窦管交界的高度[mm]

D_s: diameter of the sinotubular junction, 窦管交界的直径[mm]

H_LCA: height of the left coronary artery sinus, 左冠窦的高度[mm]

θ_LCA: angle between the right coronary artery and the aortic wall, 左冠窦和主动脉壁间的夹角[°]

β_LCA: angle between the LCA axis and the aortic wall, 左冠状动脉轴和主动脉壁间的夹角[°]

D_LCA: internal diameter of the LCA, 左冠状动脉内径[mm]

H_RCA: height of the right coronary artery sinus, 右冠窦的高度[mm]

θ_RCA: angle between the right coronary artery and the aortic wall, 右冠窦和主动脉壁间的夹角[°]

β_RCA: angle between the RCA axis and the aortic wall, 右冠状动脉轴和主动脉壁间的夹角[°]

D_RCA: internal diameter of the RCA, 右冠状动脉内径[mm]

H_ei: height at the end of the intramural course, 壁内末段参考线的高度[mm]

L_ic: length of the intramural course, 壁内参考线的长度[mm]

θ_t: anomalous right coronary artery take-off angle, 异常右冠状动脉偏离角度[°]

Off: coronary offset – distance between the inner aortic wall and the outer lumen of the RCA, 冠状动脉偏移-主动脉内壁和RCA外管腔之间的距离[mm]

图一 几何参数测量参考(A)和三维计算机辅助设计模型(B)

图二 AAORCA患者特异性模拟不同压力负荷条件下RCA的横截面积

在增量压力负荷下，RCA沿着初始壁内段的的扩张减小，而在更远的部分中冠状动脉横截面积恢复正常。

图三 对照受试者在不同压力负荷条件下RCA横截面积的患者特异性模拟

RCA显示冠状动脉口径明显增大，并沿冠状动脉长度逐渐减小，但在高于基础水平的曲线之间间隔恒定。