支架，放还是不放？这是个生物力学问题

一看题目，您就会说了：什么什么？放不放支架，不是医生说了算吗？怎么跟生物力学也扯上关系了？

(资料图片仅供参考)

看官莫急，看官莫急！淡定，淡定！听我慢慢道来。

首先看看，支架是干什么用的。

1.支架是干什么用的？

常常听一些科研“小鲜肉”们在学术论文和报告中开门见山地说，“随着人们生活水平的提高，心血管疾病的发病率越来越高了”。这话一听就觉得别扭！怎么生活水平提高了，得病的越来越多了？

事实上，心血管疾病发病率高是因为人的寿命越来越长了，像心血管疾病这样的退行性病变不可避免地就多了。退行性病变一般是指随着年龄增长而使身体机能退化引起的疾病。人世间最公平的一件事情就是每个人都会变老、死亡。因此，年老体衰，是自然之“道”。活得越老，罹患心血管疾病的风险就越高。

所以呢，前面那句话用科研“老司机”的话可以这么说“随着人的寿命越来越长，心血管疾病的发病率越来越高了”。

这是一个小小的序幕。下面说正题。

心血管疾病被公认为是威胁人类生命健康的“头号杀手”！其中尤以缺血性心脏病最为凶险（图1），而且这一趋势还在加剧和恶化。

图1 全球10大死亡原因排序

医学上，缺血性心脏病指：冠状动脉粥样硬化使血管腔狭窄或阻塞，或因冠状动脉痉挛导致心肌缺血、缺氧或坏死而引起的心脏病。“掐头取尾”，缺血性心脏病就是指冠状动脉粥样硬化性心脏病，简称冠心病。

（1）冠心病是怎么会事儿？

心脏的形状如一倒置的、前后略扁的圆锥体，或者更形象地说，心脏就像一个桃子，大小跟人的自身拳头相仿。位于心脏表面、几乎环绕心脏一周的动脉，是供给心脏血液的动脉，被称为冠状动脉。如将心脏视为一个脑袋，则正好应了那句话——“心头”。冠状动脉恰似一顶王冠，扣在“心头”上，这就是其名称的由来。冠状动脉起于主动脉根部，分左右两支，即左冠状动脉（又分为左冠回旋支和左冠前降支）和右冠状动脉，行于心脏表面（图2）。

图2 冠状动脉解剖结构示意图

冠状动脉是给心脏提供血液灌注的动脉，也就是给心肌提供营养物质的输送管道。心肌这一块“心田”的灌溉，需要左、右冠状动脉这两根血管来畅通地输送营养。冠状动脉这么重要的管道，却是动脉粥样硬化的好发部位。具体原因请查阅我的微信公众号文章：“三十年河东三十年河西”与血液循环系统。

一旦发生冠心病，那么粥样硬化斑块就会堵塞血管，造成血管狭窄，结果是冠脉狭窄部位下游经毛细血管网灌注的心肌，就会因为得不到足够的血液灌注而造成心肌缺血、缺氧、坏死（即心肌梗死，图3）。相应的心肌就失去了收缩和舒张的功能，心脏跳动自然就乏力，进而引起心衰、猝死等严重后果！

图3 冠心病引起心肌梗死

这就好比是农田的滴灌灌溉一样。如果把进水口的阀门关小，那么水流量就会减小，下游的灌溉区就会缺水，禾苗就会枯死（图4）。

图4 农田滴灌灌溉示意图

由此可见，冠心病，真要命！更为可怕的是，冠心病往往是静悄悄地发生的；很多患者都没有明显的感觉，然而一旦引起心梗则还未来得及送医院就不治而亡了！——悄悄地我走了，正如你悄悄地来；转眼间撒手人寰，不带走一点钱财……

（2）支架是干什么用的？

血管狭窄了，就类似于河道中的河岸塌方溃坝、堵塞了河道。

河道堵塞了，怎么办呢？工程上常采用网架结构来构筑河岸护坡，加固河岸，保持河道畅通（图5）。

图5 河道塌方后，构筑河岸护坡

那么工程上采用的方法能否引用到血管狭窄堵塞的治疗呢？

答案是肯定的。血管支架就是利用了工程技术方案来对狭窄血管进行重塑的。

血管支架是指在管腔球囊扩张成形的基础上，在血管狭窄病变段置入内支架以达到支撑狭窄闭塞段血管、减少血管弹性回缩及再塑形、保持管腔血流通畅的目的（图6）。

图6 支架释放过程

血管支架介入治疗属于微创手术。它不需要像传统的外科手术那样“开膛破肚”，而是在皮肤浅表动脉处穿个“针眼”，然后顺着血管上行，把支架送到冠状动脉病变部位。因此，被称为经皮冠脉介入术（percutaneous coronary intervention，PCI）。用通俗的话来说就是，放个支架。人体的血管是通向心脏的天然通道，而介入手术就是沿着血管“逆流而上”进入心脏来完成的。最常见的穿刺部位是选择手腕上的桡动脉或者大腿内侧的股动脉（图7）。这个进针口，就是这项手术唯一的体表伤口了。图7 股动脉穿刺选好穿刺口后，就顺着穿刺针放进导丝、导管、鞘管，将血管撑出一个通道。金属支架包裹在一个球囊表面，并被压握成很细的形状。顺着通道，医生将支架和球囊推送到病变部位的血管；用大约 10 倍大气压的压力对球囊充气，将金属支架撑开；然后球囊泄压撤出，将支架滞留在了血管内（图8）。图8 支架介入治疗这种支架，一旦安放好便一直保持此形状，永久性地支撑住狭窄部位。就好比河道的护坡一样，血管支架加固了血管这个河道，并扩张了血管腔，使其中的血流通畅，从而恢复下游心肌的血液灌注。狭窄血管被扩张开，就好比图4中的灌溉系统的进水口阀门被打开了一样，下游的灌溉区得到了充分的浇灌。实际上，上述过程经常是一个争分夺秒的过程。患者已经发生心肌梗死，病情危重，送医急诊，能否最快时间开通梗阻的血管，是挽救生命健康的关键。支架介入术从鬼门关里救回来了无数鲜活的生命。冠脉支架介入术的优点是创伤小，恢复快，适用于病变相对简单的冠心病患者，以及急性心肌梗死患者的急救治疗。冠脉支架介入术的缺点是狭窄复发风险高，对于病情严重、病变复杂的冠心病患者治疗效果相对有限。无论如何，冠脉支架介入术因其明显的优势而已经被全世界医生和患者所广泛接受。已知在一个患者体内放置了支架最多的是一个美国的患者，他一共放了67个支架，被“誉为”支架介入治疗界的“钢铁侠”。既然支架介入治疗优势明显，广为流行，那么为什么在各种媒体和传言中总是有一些质疑的声音呢？支架，放还是不放？2.支架，放还是不放？这是个生物力学问题在这里，我们不去剖析医生和患者对此问题的心理和认知反应等主观因素，我们仅仅从科学的角度来剖析其背后的本质问题。血管狭窄了，要不要放支架呢？这个问题是有专家共识和标准答案的。冠脉造影及血管内超声（IVUS）一直被认为是诊断冠心病的“金标准”，但是这两种方法只能对狭窄程度进行影像学评价，而狭窄对于远端血流是否产生影响（功能性评价）不得而知。也就是说，利用医学影像学来评价血管狭窄的严重程度，也就是用血管狭窄率来评价冠脉狭窄，这是形态学的评价方法。狭窄到底在多大程度上影响了下游心肌的血液灌注、造成多么严重的心肌缺血，这是功能学的评价方法。利用血管造影数据，可以观测到血管狭窄程度。直径狭窄50%的病变通常被认为需要进行血管重建，也就是需要放支架。但是，大量研究表明：血管造影狭窄率在50%~70%的情况下，会有1/3的缺血病人被忽略而没有放支架——耽误治疗，引发不良事件；血管造影狭窄率大于70%的情况下，仅凭造影诊断结果会有1/5的没有缺血的病人被放了支架——过度治疗，浪费医患资源。由此可见，仅仅凭形态学的指标会造成很多误诊。为什么是这样子呢？这主要与心肌缺血的影响因素有关。心肌是否缺血不仅仅与血管狭窄程度有关，而且还与心肌重构、灌注面积、多分支/多处病变、心肌血流量等诸多因素有关。比如说，狭窄率大的病变而下游心肌不缺血，可能是因为存在侧枝循环，代偿了狭窄病变的低灌注（也就是说狭窄病变旁边的其他血管为狭窄下游的心肌提供了血液灌注）；若狭窄小的病变下游心肌反而缺血，则可能是心肌组织的微循环障碍导致的。因此，仅凭狭窄率的形态学指标判断，并不能确定支架放还是不放。很显然，仅从直观的感觉也能理解，功能学的评价方法应该是更客观的。冠状动脉血流储备分数(fractional flow reserve, FFR)已经成为冠脉狭窄功能性评价的公认指标，目前成为评价心肌缺血的“金标准”。（1）什么是FFR？FFR是指在冠状动脉存在狭窄病变的情况下、该血管所供心肌区域能获得的最大血流量Qsmax与同一区域理论上正常无狭窄情况下所能获得的最大血流量QNmax之比：FFR=Qsmax/QNmax。这个定义在理论上是严谨的，但在实际上是不可行的。一个人的一段冠脉不可能既是病变有狭窄的、又是正常无狭窄的，因此Qsmax和QNmax这两个流量无法同时测得。在临床上，实际使用的FFR测量和计算方法是，冠状动脉狭窄部位下游的压力Pd与狭窄部位上游的压力Pa的比值：FFR=Pd/Pa。这样就很容易利用压力导丝分别来测量狭窄病变上、下游的这两个压力（图9）。这样得到的FFR值，近似等于上面定义中的FFR值（具体推导过程是参考了电路知识里面的欧姆定律，这里不再展开讲解）。同时，这项技术操作简单易行，有很高的重复性。因此，它是可靠、客观、准确的。

图9 压力导丝测量狭窄上、下游压力对于没有狭窄病变的冠脉，FFR的理论值为1。对于存在狭窄病变的冠脉，所有FFR<0.75的病变均可诱发心肌缺血；而FFR>0.80病变，90%以上的不会诱发心肌缺血。对FFR<0.75的病变进行支架介入治疗，可明显改善患者的长期预后；而FFR≥0.75的病变不能从支架介入治疗中获益。一般选择FFR=0.75~0.8作为临界值，如果FFR比临界值大（>0.8），则提示此处狭窄病变没有实际意义，为药物治疗的指证，无需放支架；如果FFR比临界值小（<0.75），则提示病变需要处理，宜行血运重建、放支架；而FFR=0.75~0.8，为灰色地带，医生可综合患者的临床情况及血管供血的重要性决定是否进行血运重建。这就是FFR这个功能性“心肌缺血”评价指标的专家共识和“金标准”。如果因为FFR是由两个压力比值求得的，就说放不放支架是个生物力学问题，那就太简单啦！（2）支架，放还是不放？为什么是个生物力学问题？根据FFR的计算方法，我们进一步分析一下FFR的物理意义。如图10所示，仿照电路知识中的欧姆定律，FFR的计算可以用Rm/(Rm+Rs)来表示。该式中，Rm表示狭窄下游灌注心肌的微循环阻力；Rs表示狭窄部分的血液流动阻力；那么Rm+Rs表示总的阻力。图10 FFR的物理意义推演过程FFR=Rm/(Rm+Rs)就是计算微循环阻力占总阻力的比例大小；在物理本质上就是比较狭窄流动阻力与微循环阻力的相对大小。这两个阻力，从宏观上来说，与血液流变学、血流动力学有关；从微观上来说，与对流、扩散、渗透压、细胞分子生物力学有关。如果正本清源、追根溯源，那么归根到底还是与“生物力学的两个核心问题”有关：本构关系和应力-生长关系。这里点到为止，有兴趣的同学可以参考我的微信公众号文章“生物力学的两个核心问题**”。由此可见，FFR确实是个不折不扣的生物力学问题。FFR<0.75，就表示狭窄部分的血液流动阻力Rs对下游心肌缺血的贡献较大，这时候放不放支架治疗狭窄，就有较大差别，所以专家共识就是“放支架”；因为放支架之后，血液流动阻力Rs就会明显减小，从而FFR可以明显提高，这意味着心肌缺血的状况会得到明显改善。FFR>0.8，就表示狭窄部分的血液流动阻力Rs对下游心肌缺血的贡献不大，这时候放不放支架治疗狭窄，没有多大差别，所以专家共识就是“不放支架”；因为放支架之后，血液流动阻力Rs就算明显减小，也不会导致FFR的明显提高。再通过比较狭窄流动阻力与微循环阻力的相对大小来解释一下其中的道理。如果心肌缺血是因为狭窄流动阻力造成的，那么说明狭窄流动阻力对心肌缺血的影响大；这时候就需要放支架治疗狭窄。如果心肌缺血不是狭窄流动阻力造成的，而是由微循环阻力造成的，那么说明放不放支架是无关紧要的，放支架也解决不了微循环阻力的问题。也就是说，打开心肌缺血这把“锁”的“钥匙”应该是微循环而不是狭窄病变。否则就是舍本求末、缘木求鱼、治标不治本。如果拿前面图4的滴灌系统打比方的话，那就更容易理解。滴灌系统失效，如果是因为阀门没有打开，那么将阀门打开就会明显解决问题；如果是阀门下游的微循环系统出了问题，那么打开阀门也于事无补。这就是阀门是否需要进一步打开（放不放支架）的判据。这么颠来倒去地说，诸位应该理解了：**为什么说“支架，放还是不放？这是个生物力学问题”。这与造成心肌缺血的阻力来自哪里有直接的关系。**那么，马上问题就来了：为什么很多支架介入治疗手术并没有测量FFR、进行功能学评价，而是依旧采用传统的血管造影形态学评价呢？数据显示，FFR在全球范围内的患者应用率大约为6%~8%。在发达国家，FFR的应用已经较为广泛。英国的应用比例为18%，美国的应用比例达到30.8%。而截止目前，FFR在中国的应用比例还不到1%。FFR应用率在中国不高。一方面是因为市场教育不到位，操作难度较高；另一方面原因则是FFR压力导丝由海外两大巨头公司垄断，价格也非常昂贵，医院终端价格大致在1~2万元左右，太贵啦！当然，还有其他许多复杂的原因，包括医生和患者的主观意愿、危重型急性心梗患者的紧急抢救时间等。3.小结支架，放还是不放，这是个生物力学问题。从理论机制来说，是否放支架需要评价狭窄流动阻力与微循环阻力的相对大小。从临床医学来说，是否放支架需要预判支架放进去之后的治疗效果。生物力学的基础知识和临床医学的实际应用是相辅相成的，我们的共同目标是：精准治疗，造福人类。更多关于身边的生物力学科普文章，请关注我的微信公众号“医用生物力学”（Medical_biomechanics）。

支架，放还是不放？这是个生物力学问题

关键词： 心肌缺血 生物力学 流动阻力