慢性阻塞性肺疾病中血管重塑的计算机模型：揭示肺动脉血流动力学的病理机制与临床意义

《Annals of Biomedical Engineering》：Vascular Remodelling in COPD: An In Silico Tool to Represent Pulmonary Haemodynamics in Obstructive Lung Disease

本研究针对慢性阻塞性肺疾病（COPD）中血管重塑对肺动脉血流动力学的影响，开发了一种基于解剖结构的计算机模型。通过模拟不同GOLD分期患者的血管重塑与毛细血管修剪，研究成功预测了平均肺动脉压（mPAP）和肺血管阻力（PVR）的进行性升高，并揭示了血流异质性加剧的机制。该模型为COPD的早期诊断、患者分层及靶向治疗评估提供了重要工具。

　　

慢性阻塞性肺疾病（COPD）作为一种高发性呼吸系统疾病，其主要特征为持续性气流受限，全球范围内导致显著的发病率与死亡率。传统研究多聚焦于呼吸道病变，但近年来越来越多的证据表明，肺动脉系统的血管重塑在COPD病理进展中扮演关键角色。尤其在吸烟者和早期COPD患者中，肺动脉压力和血流分布异常常早于明显呼吸道症状出现，这为早期干预提供了重要窗口。然而，当前缺乏能够系统模拟不同COPD严重程度下肺循环血流动力学演变的计算模型，限制了对血管重塑机制的理解及其临床转化。

为此，来自奥克兰大学生物工程研究所的B. Allen等人，在《Annals of Biomedical Engineering》上发表研究，提出了一种基于解剖结构的肺动脉循环计算机模型，旨在揭示COPD进展中血管结构改变对血流动力学的影响。该模型首次整合了吸烟者和不同GOLD分期（1-4期）患者的血管重塑与肺气肿相关毛细血管丧失，通过参数化临床数据，实现了对平均肺动脉压（mPAP）、肺血管阻力（PVR）和血流异质性的定量预测。

在研究过程中，作者主要采用了以下几项关键技术方法：首先，基于高分辨率CT图像构建了个体化的肺动脉几何模型，包含超过12万条血管分支及3万余个肺泡单元；其次，采用一维稳态血流模型，结合Poiseuille方程和毛细血管片层模型，模拟血液在血管网络中的流动与压力分布；此外，通过引入血管壁顺应性缩放因子（α_f）和管腔狭窄因子（n_f）来模拟动脉重塑，并利用肺泡表面积缩放因子（A_em）模拟肺气肿导致的毛细血管丧失；最后，利用临床测量的mPAP和运动负荷数据对模型进行参数化验证与敏感性分析。

模型参数化与验证

通过调整血管重塑和毛细血管修剪的比例，模型成功复现了不同GOLD分期的mPAP临床测量值。结果显示，从健康基线（mPAP=13.5 mmHg）到GOLD 4期（mPAP=25.9 mmHg），mPAP随疾病严重程度逐步上升，与Doi等人和Portillo等人的临床数据高度一致。在运动状态下，模型同样准确预测了肺动脉压力的进一步升高，验证了其在动态负荷下的可靠性。

血流与压力分布变化

模型可视化结果显示，随着COPD严重程度增加，肺部血流和压力分布出现显著异质性。在GOLD 4期，70%的动脉血管发生重塑，35%的肺泡单元出现毛细血管丧失，导致依赖重力区域的灌注梯度被破坏，部分区域出现局部高压与低灌注并存的现象。

灌注异质性分析

通过计算血流系数的变异系数（CoV），研究发现从健康状态（CoV≈0.35）到GOLD 4期（CoV≈0.65），肺部血流异质性近乎线性增加。这表明血管重塑和毛细血管丧失不仅导致局部血流减少，还引起健康区域代偿性高灌注，进一步加剧通气/灌注（V/Q）失调。

敏感性分析

通过对GOLD 2期模型参数的±10%扰动，研究发现mPAP和PVR的变化与血管重塑和毛细血管修剪比例呈线性关系，说明模型对结构参数具有合理的敏感性和稳定性。

本研究通过计算模型首次系统量化了COPD进展中血管重塑对肺循环血流动力学的影响，揭示了mPAP升高、PVR增加及灌注异质性加剧的机制。该模型不仅复现了临床观测数据，还提供了对“结构-功能”关系的机理解释，为COPD的早期诊断、患者分层及个体化治疗策略评估提供了新工具。尽管模型在疾病分布随机性、动态血流模拟等方面存在局限，但其多尺度整合框架为后续融入患者特异性影像数据、生长-重塑机制模型奠定了基础，有望推动COPD血管病变研究的精准化和动态化发展。