用于接触血液的医疗设备的血栓形成多组分模型

《Computer Methods and Programs in Biomedicine》：A multi-constituent model of thrombosis for blood-contacting medical devices

本研究开发了一个综合血流动力学、血小板活性和凝血级联反应的血栓形成模型，用于模拟心脏辅助设备中的血栓形成机制。通过验证BFS几何中的血栓体积演变和形态特征，展示了模型在分离流场中的适用性。进一步将模型应用于轴流式VAD，揭示了不同流量下叶片部位血栓形成的关键机制，为设备优化和风险预测提供理论依据。

　　这项研究的核心目标是开发一种能够准确预测血液泵内血栓形成的模型。血栓形成是心衰治疗中一个复杂的生理过程，尤其在使用心室辅助装置（VADs）的情况下，其风险显著增加。目前，VADs作为晚期心衰患者的过渡治疗手段，已成为心脏移植之外的重要选择，尤其在器官供体有限和免疫排斥风险较高的情况下。然而，尽管VADs在临床应用中表现出良好的效果，但与之相关的血栓问题仍然是导致患者再次入院和死亡的重要因素。

血栓的形成不仅影响血液泵的运行效率，还可能引发严重的临床后果，如中风、神经系统并发症，甚至需要更换泵。因此，准确预测血栓的形成机制，有助于优化VADs的设计，并为患者个体化风险评估提供依据。现有的血栓预测模型大多专注于单一的子过程，如血小板行为或凝血级联反应，但未能充分结合两者，导致对血栓形成的理解不够全面。

为了弥补这一缺陷，本研究提出了一种整合血流动力学、血小板活动和凝血级联反应的血栓形成模型。该模型在保持计算可行性的同时，兼顾了生理机制的准确性。与传统模型相比，本模型不仅考虑了血小板的激活、聚集、粘附和稳定，还引入了凝血级联反应的中间和终产物，以动态调控这些过程。这种整合能够更真实地反映血栓形成的发展过程，从而提高预测的可靠性。

在模型构建过程中，研究团队采用了简化版的凝血级联模型，以减少计算复杂度，同时保留关键的生化反应。这种简化模型能够有效模拟凝血级联反应对血小板行为的影响，而不会因为过多的生化成分和复杂的反应网络而导致计算效率低下。此外，该模型还考虑了局部血流动力学对血栓形成的影响，以及剪切应力导致的血栓破裂过程，从而更全面地描述了血栓形成和破裂的动态机制。

为了验证模型的有效性，研究团队首先在后向台阶（BFS）几何结构中进行了测试。BFS结构是一种典型的流体分离和再附着区域，能够很好地模拟血栓形成机制，因此成为验证血栓模型的理想基准。通过对比实验数据和模拟结果，研究发现模型在体积演变趋势上与实验数据一致，同时在血栓长度和高度的预测上也与实验测量值吻合。这表明模型能够准确反映血栓形成的过程，并具有一定的适用性。

随后，该模型被应用于轴流式VADs的仿真中，以进一步探讨流体诱导血栓形成的具体机制。研究团队使用了浙江大学医学院附属儿童医院创新中心开发的专门针对儿童心衰患者的VADs，该装置设计用于体重在10公斤至35公斤之间的患者。VADs的仿真包括进水口、叶轮区域和出水口扩散器的简化几何结构，该结构在形状上与HeartMate II（HM II）相似。通过模拟不同流速条件下的血栓形成过程，研究发现血栓主要在直叶区域形成，而其起始位置和生长动态则受到局部血流动力学、血小板激活和稳定的影响。

这一研究不仅为血栓形成机制的深入理解提供了新的视角，还为未来实验验证和临床应用奠定了基础。通过整合血流动力学和凝血级联反应，该模型能够更全面地模拟血栓形成的过程，从而为优化VADs设计和提高患者安全性提供支持。此外，该模型的开发也为其他血接触医疗设备的血栓预测提供了借鉴，有助于推动相关领域的研究进展。

在研究过程中，研究团队采用了OpenFOAM求解器进行模型实现，以确保计算的准确性和效率。为了提高数值稳定性，研究团队选择了线性迎风方案计算对流项，并使用线性方案离散化拉普拉斯项。时间积分则采用了欧拉隐式时间方案，以确保模型在长时间模拟中的稳定性。此外，研究团队还使用了Ansys Meshing工具生成计算网格，确保模型能够准确捕捉VADs内部的流体行为和血栓形成过程。

通过对比实验数据和模拟结果，研究团队发现该模型在BFS几何结构中的表现良好，能够准确预测血栓的形成和演变过程。在VADs应用中，模型进一步揭示了不同流速条件下血栓形成的具体机制，为优化VADs设计提供了重要的参考。此外，研究团队还分析了模型在不同流速条件下的表现，发现血栓的形成主要集中在直叶区域，而其起始位置和生长动态则受到局部血流动力学、血小板激活和稳定的影响。

该研究的成果表明，整合血流动力学和凝血级联反应的模型能够更全面地预测血栓形成的过程，从而为优化VADs设计和提高患者安全性提供支持。此外，该模型的开发也为其他血接触医疗设备的血栓预测提供了借鉴，有助于推动相关领域的研究进展。通过使用简化版的凝血级联模型，研究团队能够在保持计算可行性的同时，保留关键的生化反应，从而提高模型的实用性。

研究团队还探讨了该模型在不同应用场景下的适用性，发现其不仅适用于VADs的血栓预测，还可以用于其他血接触医疗设备的模拟。此外，该模型还能够帮助研究人员更好地理解血栓形成和破裂的动态机制，为未来的研究提供理论支持。通过使用OpenFOAM求解器和Ansys Meshing工具，研究团队确保了模型的计算准确性和效率，同时为实验验证提供了可靠的工具。

在研究过程中，研究团队还关注了模型在不同流速条件下的表现，发现血栓的形成和破裂过程受到剪切应力的影响，而剪切应力的变化又与局部血流动力学密切相关。因此，该模型不仅能够预测血栓的形成位置，还能够评估其在不同流速条件下的演变趋势，为优化VADs设计和提高患者安全性提供支持。此外，该模型还能够帮助研究人员更好地理解血栓形成和破裂的动态机制，为未来的研究提供理论支持。

总的来说，本研究提出了一种新的血栓形成模型，该模型在保持计算可行性的同时，兼顾了生理机制的准确性。通过整合血流动力学、血小板活动和凝血级联反应，该模型能够更全面地模拟血栓形成的过程，从而为优化VADs设计和提高患者安全性提供支持。此外，该模型的开发也为其他血接触医疗设备的血栓预测提供了借鉴，有助于推动相关领域的研究进展。通过使用简化版的凝血级联模型和先进的计算工具，研究团队确保了模型的计算准确性和效率，同时为实验验证提供了可靠的工具。