双向CFD–FSI框架能否通过主动脉弓钙化中的动态壁函数指数来映射特定分支的风险？

《Biomedical Signal Processing and Control》：Can a two-way CFD–FSI framework map branch-specific risk via a dynamic wall-function index in aortic arch calcification?

本研究构建了基于CT扫描图像的个性化主动脉弓模型，通过两向流体-结构耦合模拟分析血流动力学特性与钙盐颗粒沉积规律，发现头臂干和左颈总动脉分支处存在局部沉积热点，并提出动态动脉壁功能指数用于评估分支部位钙化风险，为临床风险分层和术前规划提供新工具。

　　本研究围绕主动脉弓钙化这一心血管疾病中的重要病理现象展开，旨在通过一种创新的双向流体-结构相互作用（FSI）框架，结合计算流体动力学（CFD）与有限元方法（FEM），深入探讨钙盐颗粒在主动脉壁上的沉积行为及其与血流动力学之间的关系。主动脉弓作为人体最大的动脉之一，其结构复杂且具有重要的生理功能，负责将富含氧气的血液输送至全身。然而，由于其特殊的解剖结构，主动脉弓容易受到剪切应力波动和涡旋流动的影响，这些因素与钙化风险密切相关。

钙化是动脉粥样硬化进展中的关键过程，通常伴随着血管弹性下降和血流模式改变。在临床实践中，钙化不仅会导致血管僵硬，还可能诱发血栓形成和斑块破裂，对患者的生命健康构成严重威胁。因此，深入理解钙盐颗粒在主动脉壁上的沉积机制，对于评估心血管疾病风险、指导术前诊断以及制定个性化治疗方案具有重要意义。当前的研究大多集中在冠状动脉的CFD分析，但主动脉弓由于其复杂的分支结构和曲率，尚未得到充分研究。

本研究通过从CT扫描的DICOM图像中重建个体特异性主动脉弓模型，为分析钙盐颗粒的沉积行为提供了基础。该模型不仅考虑了血流动力学参数，如平均壁切应力（TAWSS）和粒子-壁沉积效率，还引入了动态动脉壁功能指数，该指数结合了剪切应力动态变化与振荡剪切指数（OSI），以提供更具临床意义的分支特异性脆弱性评估。在研究过程中，通过调整钙盐颗粒的直径（1–100微米），进一步分析了不同颗粒尺寸对沉积效率的影响。研究结果表明，平均TAWSS值为0.221帕斯卡，与体内测量范围一致，而斯托克斯数保持在非常低的水平（Stk < 0.016），表明颗粒在流体中的运动行为接近流线型，不会产生显著的惯性效应。

尽管在全局尺度上，钙盐沉积效率的变化范围较小（14.29–15.49 %；变化幅度小于1.2 %），但风险图谱揭示了在颈总动脉（LCC）和无名动脉（BT）交汇处存在局部沉积热点。这些区域的特征包括较低或波动的壁切应力以及较长的近壁停留时间，表明这些部位是钙盐沉积的高风险区域。通过将这些局部特征与全局分析相结合，本研究不仅提供了对钙化风险的更精确评估，还为临床决策提供了有力支持。

在建模过程中，本研究采用了双向流体-结构相互作用方法，使血流动力学与动脉壁变形能够同时被捕获。这种方法不仅考虑了动脉壁的非线性响应，还模拟了其粘弹性特性，如损失模量和动态储存模量。通过将这些特性纳入模型，可以更准确地反映钙盐颗粒在动脉壁上的沉积行为。此外，本研究还引入了粒子追踪技术，结合显式的壁面相互作用，以量化在生理相关颗粒尺寸范围内的沉积效率。这种技术的应用使得研究能够更精确地识别高风险区域，并为术前评估和个性化治疗提供依据。

本研究的另一个重要贡献是，通过将钙盐沉积效率与斯托克斯数的变化联系起来，探讨了不同颗粒尺寸对沉积行为的影响。研究结果表明，尽管在全局尺度上沉积效率的变化较小，但在局部区域，特别是那些剪切应力较低或波动较大的部位，沉积效率显著升高。这些发现不仅加深了对主动脉弓钙化机制的理解，也为临床实践中如何识别高风险区域提供了新的视角。此外，本研究还强调了在评估钙化风险时，应综合考虑血流动力学参数和动脉壁的物理特性，以实现更全面的风险评估。

在实际应用中，本研究的结果对于指导术前诊断和手术规划具有重要意义。通过建立个体特异性模型，医生可以更准确地评估患者的风险，并制定相应的干预措施。此外，本研究还强调了在临床实践中，需要更多的多患者数据验证，以确保模型的普适性和可靠性。研究结果表明，钙盐沉积不仅受到血流动力学参数的影响，还与动脉壁的物理特性密切相关。因此，在未来的临床研究中，应进一步探索这些因素之间的相互作用，以提高对心血管疾病风险的预测能力。

本研究的成果为心血管疾病的预防和治疗提供了新的思路。通过结合计算流体动力学与有限元方法，研究人员能够更精确地模拟主动脉弓的血流动力学行为，并识别钙盐沉积的高风险区域。这种综合分析方法不仅提高了对疾病机制的理解，还为临床实践提供了可靠的依据。此外，本研究还强调了在实际应用中，应注重多患者数据的收集和分析，以确保模型的通用性和有效性。研究结果表明，个体特异性模型在评估钙化风险方面具有显著优势，能够提供更精确的预测，从而帮助医生制定更合理的治疗方案。

在研究过程中，研究人员还探讨了不同模型对钙盐沉积行为的影响。例如，壁面模型的选择对沉积效率的预测至关重要。研究发现，壁面模型的复杂程度与沉积行为的准确性密切相关。在单层壁模型中，虽然能够模拟基本的沉积行为，但在多层壁模型中，可以更精确地反映不同层的物理特性对沉积过程的影响。因此，在未来的模型开发中，应进一步考虑多层壁结构对钙盐沉积行为的影响，以提高模型的精确度和适用性。

此外，本研究还强调了在分析钙盐沉积行为时，应结合实际临床数据。例如，通过CT扫描重建个体特异性模型，能够更准确地反映患者的实际情况，从而提高模型的临床相关性。同时，研究人员还探讨了不同血流条件对钙盐沉积的影响，如剪切应力的波动、流速的变化以及局部血流模式的改变。这些因素都可能影响钙盐颗粒在动脉壁上的沉积行为，因此在模型构建和分析过程中，应充分考虑这些因素。

本研究的结果不仅具有理论价值，还具有重要的临床意义。通过建立个体特异性模型，研究人员能够更准确地预测钙盐沉积的风险，并为术前评估和手术规划提供依据。此外，研究还强调了在实际应用中，应注重多患者数据的收集和分析，以确保模型的通用性和可靠性。通过将这些研究成果应用于临床实践，可以提高对心血管疾病风险的识别能力，从而帮助医生制定更合理的治疗方案。

在研究方法上，本研究采用了先进的计算流体动力学和有限元方法，结合双向流体-结构相互作用技术，以模拟主动脉弓的复杂血流动力学行为。这种方法不仅能够准确反映血流动力学参数的变化，还能够识别钙盐沉积的高风险区域。此外，研究人员还探讨了不同颗粒尺寸对沉积行为的影响，通过调整钙盐颗粒的直径，进一步分析了沉积效率的变化。这些分析结果表明，尽管在全局尺度上沉积效率的变化较小，但在局部区域，沉积效率显著升高，表明这些部位是钙盐沉积的高风险区域。

通过将这些研究成果应用于临床实践，可以提高对心血管疾病风险的识别能力，从而帮助医生制定更合理的治疗方案。此外，本研究还强调了在未来的临床研究中，应进一步探索这些因素之间的相互作用，以提高对疾病机制的理解。研究结果表明，个体特异性模型在评估钙化风险方面具有显著优势，能够提供更精确的预测，从而帮助医生制定更合理的治疗方案。同时，研究人员还探讨了不同血流条件对钙盐沉积的影响，如剪切应力的波动、流速的变化以及局部血流模式的改变。这些因素都可能影响钙盐颗粒在动脉壁上的沉积行为，因此在模型构建和分析过程中，应充分考虑这些因素。

综上所述，本研究通过建立个体特异性模型，结合计算流体动力学和有限元方法，深入探讨了钙盐颗粒在主动脉壁上的沉积行为及其与血流动力学之间的关系。研究结果表明，尽管在全局尺度上沉积效率的变化较小，但在局部区域，沉积效率显著升高，表明这些部位是钙盐沉积的高风险区域。此外，研究还强调了在未来的临床研究中，应进一步探索这些因素之间的相互作用，以提高对疾病机制的理解。通过将这些研究成果应用于临床实践，可以提高对心血管疾病风险的识别能力，从而帮助医生制定更合理的治疗方案。