TEVAR术后风险预测新突破！双向流固耦合FSI模拟填补患者特定环境评估空白

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：上一篇文章主动脉夹层血栓预测新突破！血流CFD仿真帮你打通技术落地最后一公里，概述了研究者们通过整合基于力学原理的血栓演化模型，实现快速、动态的预测，为及时临床决策提供支持，并推动主动脉夹层个体化治疗策略的发展。

本文针对目前关于分支TEVAR 的研究尚未在患者特定环境中同时评估内支模块的综合血流动动力学和结构反应，在术后风险预测上留下了关键空白，英国伦敦帝国理工学院的Xiaoyun Xu等人通过执行双向流固耦合 (FSI) 模拟，对分支 TEVAR 装置进行患者特定的血液动力学和生物力学评估进行解读，希望能够引发研究者的共鸣，共同进步。强烈推荐读者关注我的视频教程《血流动力学临床医学研究高级进阶33讲：自学CFD仿真、体外循环实验和AI深度学习》。

胸主动脉腔内修复术(TEVAR) 已越来越多地被认为是治疗大多数胸主动脉疾病的有效方法，包括涉及主动脉弓的选定病例，具有良好的短期和中期技术和临床结果。覆膜支架 (SG) 技术的持续进步使得能够纳入患者特定的解剖变化，例如主动脉曲率、长度和角度，从而增强了装置的顺应性，并能够在 Ishimaru 的 0 区和 1 区进行近端部署，而传统上由于复杂的解剖特征，这被认为是具有挑战性的。使用分支装置的胸主动脉腔内修复术（TEVAR）在治疗复杂的胸主动脉病变（例如涉及主动脉弓的慢性主动脉夹层）方面显示出其前景。了解短期和长期生物力学变化对于预测可能的不良事件和优化术后患者护理仍然至关重要。

研究亮点与方法

1、建立模型：根据计算机断层扫描血管造影扫描重建几何模型

2、构建分支：根据测量的方向和设备特定尺寸构建附加分支配置。

3、模拟材料：将天然主动脉壁建模为各向异性超弹性材料

4、耦合模拟：利用入口处的三维速度分布和出口处的 Windkessel 边界条件进行强耦合 FSI 模拟。

图 1. TEVAR 后几何形状中分支配置重建的关键阶段总结

如图1 所示，两个内部分支的中心线是根据分段掩模计算出来的，并与尺寸规格一起用于指导在 SolidWorks 2023中重建分支配置。

图2

图 2.(a) 内部分支区域的网格细节，显示流体网格（灰色）和结构网格（黄色：AA，蓝色：拱形，绿色：DA）。对于结构网格，容器壁厚为 1.5 mm，内分支壁厚为 0.4 mm。 (b) FSI 模拟设置示意图。（为了解释该图例中对颜色的引用，读者可以参考本文的网络版本。）

在表面组装之后，在Ansys ICEM CFD 23R2中用四面体单元创建实体网格，而被主动脉壁和内部分支包围的体积被识别为流体区域并以类似的方式分开网格。得到的网格如图2(A)所示。如图2 所示，TEVAR 后的主动脉被分为支架区域和非支架区域，并采用通用接触算法来维持每个节段的附着。

FSI 模拟的成功取决于流固界面上物理数据的准确传输；因此，确保流体域和结构域之间的拓扑一致性对于实现稳定耦合至关重要。考虑到由于额外的内部分支模块的存在而引入的几何模型的复杂性增加，固体和流体网格是同时生成的。

本研究旨在对患者特异性分支胸腔内移植物进行强耦合FSI分析，聚焦于血流动力环境和SG负荷条件，以支持早期识别可能的不良反应，包括血栓和器械失效。此外，还比较了传统CFD与FSI模拟结果，以量化主动脉顺应性对血流动学结局的影响。

研究结果

图3 FSI模拟的流动特性

图 3. 流量特性。 (a) 收缩峰、收缩中期和舒张中期的流线和速度场显示主动脉中的流动模式。入口/出口位置的空间平均 (b) 速度和 (c) 压力图说明了时间血液动力学变化。

图3 显示了 FSI 模拟的流动特性。在整个心动周期的两个不同阶段捕获瞬时速度流线：收缩期峰值和收缩中期减速。在收缩高峰期，流线呈现出平滑、有组织的图案，与主动脉壁的曲率很好地对齐。在远端着陆区附近观察到最大速度，达到 0.72 m/s。相比之下，收缩中期减速的特征是速度幅度减小，伴随着邻近远端着陆区的凸起的适度的局部血流再循环。在整个心动周期中实现总体血管通畅，其中 IA、LCCA 和 DA 出口分流总流量的 15%、12% 和 73%，保持所有远端区域的充足血液灌注。所有边界处的压力值均在生理范围内，从 10666 Pa (80 mmHg) 到大约 15500 Pa (116 mmHg)。这些发现支持模拟设置和应用边界条件的准确性和生理相关性。

图4

图 4. TEVAR 后主动脉血流动力学和生物力学参数的空间分布。 (a) 时间平均壁剪应力（TAWSS）； (b) 振荡剪切指数（OSI）； (c) 相对停留时间（RRT）； (d) 内皮细胞活化电位（ECAP）； (e) 冯·米塞斯应力。

图4 显示了由 FSI 模拟得出的 TAWSS 和壁剪切相关血液动力学矩阵的空间分布。 TAWSS 大于 2 Pa 的区域主要在 SG 远端着陆区附近和 IA 内分支近端观察到。相比之下，低 TAWSS 值位于沿 LCCA 隧道内壁和主动脉弓后隆起附近，具有 69.15 cm³ 的明显等体积。在 RRT 和 ECAP 的分布中发现了类似的空间模式，其中 RRT 值 > 15 Pa⁻¹ 和 ECAP 值 > 1.5 Pa⁻¹ 集中在 LCCA 分支内和邻近远端着陆区的凸起区域，突出显示了这些区域中存在流动再循环和长期颗粒停留。

图5

图 5. (a) 等体积图显示了 FSI 和 CFD 模拟中的低壁剪切应力区域 (TAWSS < 0.4 Pa)； (b) TEVAR 3D 重建后 24 个月，突出显示 LCCA 分支远端的血栓形成（黑色箭头）。

刚性壁CFD 低估了低 WSS 区域（< 0.4 Pa，如图 5（a）所示），可能低估了某些区域血栓形成的风险。TEVAR 后 24 个月的随访扫描证实 LCCA 分支远端存在血栓（图 5（b）），验证了血流动力学结果。总体而言，通过 FSI 纳入壁顺应性提供了更符合生理学现实的血液动力学表示，这对于准确预测 TEVAR 手术中的设备性能和潜在并发症至关重要

图6

图 6. CFD 和 FSI 模拟在 10 个代表性位置 (P1-P10) 的 (a) 最大收缩期最大速度和 (b) 最大收缩期压力的比较。

图6 比较了胸主动脉沿线 10 个代表性位置 (P1-P10) 的全耦合 FSI 和刚性壁 CFD 模拟在收缩期峰值时的最大速度和压力。如图 6（a）所示，仅观察到最大速度的细微差别。一般来说，FSI 预测的速度略低于 CFD，值范围约为 0.41 m/s 到 0.71 m/s。最显着的差异是在 P3 和 P4 处，其中 CFD 产生的速度比 FSI 略高 0.03 m/s。这种差异可能归因于 FSI 捕获的局部壁柔度和 P3 和 P4 处内支管入口附近的复杂流型的综合影响。在图 6(b) 中，CFD 始终高估了相对于 FSI 的最大压力，差异通常在 500 到 700 Pa 以上。这些结果突出了 FSI 捕获的壁柔度的阻尼效应，从而导致峰值压力值降低。

本研究采用强耦合 FSI 方法，对用于治疗慢性非 A 非 B 主动脉夹层的定制 Relay® 分支胸主动脉覆膜支架系统进行了全面的功能评估。结合生理上真实的边界条件，结果突出了在 TEVAR 评估中考虑壁顺应性的生物力学优势，并揭示了有益和潜在不利的血液动力学影响。 Relay® 分支胸主动脉覆膜支架的植入导致了主动脉弓上有组织的血流环境，在所有主动脉上分支中具有流线型血流模式和保留的灌注，与健康的血流动力学密切匹配。定量分析确认了生理速度大小和压力分布，验证了模拟设置的适当性。

在本研究中，中间部分（例如P3 和 P4）的 FSI 和 CFD 结果之间的轻微偏差可能反映了局部壁运动和复杂分支引起的流动模式的综合影响，这抑制了局部流动加速度并降低了峰值速度大小。合规的 FSI 模型可以更准确地捕捉这些动态效应。除了观察到的压力衰减和速度降低之外，FSI 模型还预测胸主动脉中部降主动脉的峰值壁位移约为 1.16 mm（与图 4（e）所示的高 von Mises 应力位置一致），对应于平均管腔面积变化 5.9%。

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本研究证明了完全耦合FSI 模型在评估慢性非 A 非 B 主动脉夹层患者特异性双分支覆膜支架配置的生物力学和血液动力学性能方面的实用性。 FSI 方法结合了血管壁顺应性和生理学真实边界条件，揭示了刚性壁 CFD 模拟未完全捕获的细微流动特征和机械应力。重要的是，在与观察到的血栓形成相关的区域中识别出低 WSS、高 RRT 和升高的 ECAP 强调了这种先进模型的临床相关性。结果支持将 FSI 纳入术后评估，以更好地预测潜在的并发症并优化复杂的主动脉腔内修复术的长期结果。

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来源：仿真秀App

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首次发布时间：2026-01-26