在针对患者个体的主动脉夹层模型中预测血栓的形成和生长：一种基于多孔介质理论的多阶段方法

《International Journal of Engineering Science》：Predicting thrombus formation and growth in patient-specific models of aortic dissection: a multiphase approach based on porous media theory

主动脉夹层术后假腔血栓形成预测模型研究。提出多相孔隙介质方法，通过扩展达西-Brink曼-斯托克斯方程和新型孔隙率方程，实现血栓动态模拟与计算效率提升70%（平均40分钟/例）。在21例临床数据中，预测血栓体积与实际CT测量相关系数达0.974，误差小于15%。创新性引入机械加速因子匹配临床进程，为个性化治疗决策提供支持。

　　本研究围绕主动脉夹层这一严重威胁生命的血管急症展开，重点探讨了如何更高效、准确地预测假腔血栓的形成。主动脉夹层的发生源于主动脉壁内层与中层之间的撕裂，使得血液流入并形成假腔。假腔的扩展与增长可能引发二次再入口撕裂，进一步加剧病情的复杂性与风险。传统的血栓预测模型往往依赖于复杂的生化参数，缺乏清晰的相界面定义，并且需要较长的计算时间。而现有的多孔介质算法在模拟血栓动态生长过程和血流动力学变化方面存在局限，主要是由于物理建模的不精确性。因此，本研究提出了一种新颖的多相多孔介质方法，专门用于预测不同类型主动脉夹层中的血栓形成，并创新性地应用于大量患者特异性主动脉模型中。

该方法通过引入扩展的达西-布林克曼-斯托克斯（DBS）方程，明确模拟固相与液相之间的相互作用，同时采用一种新的孔隙率方程，简化血小板的运输与沉积过程。这种方法显著提升了计算效率，并在基于CT扫描重建的模型中表现出高度的预测准确性。研究结果显示，在12例部分假腔和9例完全假腔的病例中，预测与实际血栓体积之间的相关系数达到了0.97，表明模型具有较强的可靠性。此外，平均预测时间每例仅为40分钟，相较于传统方法提高了70%的效率。这一突破为临床决策提供了有力支持，也为患者制定个性化的治疗方案奠定了基础。

主动脉夹层的治疗通常依赖于胸主动脉内支架置入术（TEVAR），这是一种通过在病变部位放置支架来防止血液进入假腔的手术方法。然而，术后评估与准确预测患者的康复情况对于优化治疗效果至关重要。目前，术后康复的评估主要通过影像学检查和生物标志物分析来实现，但这些方法难以捕捉患者个体化的血流细节，从而限制了对血栓动态形成过程的准确预测。因此，基于血流参数的血栓预测模型在术后护理中的应用显得尤为重要。

计算流体力学（CFD）作为一种工程工具，广泛应用于医学领域，用于模拟人体内血液流动的复杂行为。近年来，一些研究通过CFD分析了主动脉夹层手术前后的血流动力学参数，发现相对停留时间（RRT）和壁面剪切应力（WSS）等参数对血栓形成具有显著影响。此外，已有模型通过模拟血小板的运输与凝血过程，验证了CFD在不同几何条件下对血栓形成的捕捉能力。而另一项研究则构建了多组分血栓模型，详细描述了凝血级联反应和血小板沉积过程，进一步突显了CFD在评估主动脉血流方面的优势。

然而，血栓的动态生长过程涉及固液相之间的相变，而传统的算法如水平集方法和体积分数方法（VOF）在模拟血栓形成过程中往往存在局限，无法在真实的血管条件下准确预测血栓的发展趋势。此外，当前的假腔血栓预测模型通常采用固定区域内的间接源项来模拟血栓对血流的抑制作用，这种方法在准确性方面有所欠缺。与此同时，多参数血栓预测模型需要大量的生化参数，导致计算时间较长，影响了其在临床中的实时应用。由于TEVAR手术的复杂性，目前尚无一个具有全面临床验证的血栓模型被广泛接受，预测血栓生长时间线与实际随访数据之间的匹配也常常被忽视，进一步限制了该模型的临床价值。

本研究从机械角度出发，对假腔内的血栓形成过程进行了深入分析，并将参与血栓形成的参数简化为三个，从而显著提升了计算效率。同时，研究引入了一种新的多相多孔介质算法，用于管理固液相之间的相变过程，并提出了一种新的血栓生长公式，以改进传统多孔介质方法的精度与准确性。在分析的21例患者模型中，该模型能够在40分钟的计算时间内准确预测假腔血栓的形成过程，从而显著增强了其在临床中的应用潜力。此外，研究还利用多例患者的随访数据，探讨了模拟时间与实际随访时间之间的相关性，为血栓模拟提供了新的视角，并有助于提升术后患者康复评估的准确性。

在研究过程中，研究团队收集了21例接受TEVAR手术后的患者数据，并将其分为两组：其中12例患者术后出现了部分假腔（PFL），而另外9例患者则出现了完全假腔（CFL）。所有患者均被归类为复杂病例，并在急性期接受了TEVAR手术。研究通过监测假腔内血栓的变化情况，对术后恢复过程进行了跟踪。CT血管造影（CTA）数据被用于构建患者特异性模型，并为研究提供了重要的影像学支持。

研究团队采用了一种创新的多相多孔介质方法，将整个血管系统视为连续尺度下的多孔介质，其中不同的孔隙率分别代表血栓和血液相。在模拟过程中，当剪切率下降至1 s?1以下时，凝血级联反应被触发，血小板逐渐附着于受损区域。随着时间的推移，血小板在血管的高凝区域不断积累，导致孔隙率逐步降低。这种方法能够有效模拟血栓的动态形成过程，并在计算效率和准确性方面取得显著进展。

此外，研究还探讨了完全假腔患者术后恢复的机械因素，并引入了一个加速因子，以使模拟时间与实际血栓形成时间相匹配。通过整合一个基于机械原理的血栓演变模型，该方法实现了快速、动态的预测，为临床决策提供了支持，并有助于患者个性化治疗方案的制定。这种方法不仅提升了血栓预测的效率，还增强了其在临床实践中的适用性，为医生在术后管理中提供了更为精确的依据。

本研究的创新之处在于其对血栓形成过程的机械建模，以及对多孔介质算法的改进。传统方法在模拟血栓形成时往往依赖复杂的生化参数和物理建模，导致计算时间较长且难以准确捕捉血栓的动态变化。而本研究通过简化参数，并引入新的孔隙率方程和加速因子，使得模型在保持准确性的同时，大幅提升了计算效率。这一改进不仅适用于患者特异性模型，还能够通过与实际随访数据的对比，验证模型的可靠性与适用性。

研究团队通过CT扫描数据构建了多个患者特异性模型，并在模拟过程中对血栓的形成与演变进行了详细分析。结果表明，该方法在预测血栓体积时与实际测量值之间的相关系数达到了0.974，预测误差低于15%，显示出良好的预测能力。同时，模型的计算时间仅为40分钟，相较于传统方法提升了70%的效率，这使得该方法在临床中的应用更加可行。此外，研究还通过分析多个患者的随访数据，探讨了模拟时间与实际随访时间之间的关系，为血栓模拟提供了新的思路，并有助于提高术后患者康复评估的准确性。

在伦理方面，本研究获得了中国人民解放军总医院伦理审查委员会的批准（编号：S201703601）。所有涉及人类受试者的数据均以匿名形式进行分析，并在研究开始前获得了所有患者的书面知情同意。这一做法确保了研究的合规性与伦理性，为后续的临床应用提供了保障。

本研究的作者团队由多位研究人员组成，他们在研究的不同阶段做出了重要贡献。其中，李小凡负责撰写原始草稿、验证、软件开发、方法设计、调查与数据分析；张雪欢负责撰写与审阅、调查；薛元负责数据管理；张绪阳与秦林宇负责软件开发与调查；杨晓宇负责验证；熊江与谢迟雨负责撰写与审阅、调查；张少泰负责撰写与审阅、监督；陈端端负责撰写与审阅、监督以及资金支持。每位作者在研究中都发挥了关键作用，确保了研究的顺利进行与成果的可靠性。

综上所述，本研究提出了一种创新的多相多孔介质方法，用于预测不同类型主动脉夹层中的血栓形成过程。该方法在计算效率和预测准确性方面取得了显著进展，并能够有效模拟血栓的动态生长与血流动力学变化。通过将剪切率作为触发凝血反应的关键参数，并引入新的孔隙率方程和加速因子，该方法在保持模型精度的同时，大幅提升了计算效率。这一创新不仅适用于患者特异性模型，还能够通过与实际随访数据的对比，验证模型的可靠性与适用性。研究结果表明，该方法在预测血栓体积时与实际测量值之间的相关系数达到0.974，预测误差低于15%，显示出良好的预测能力。同时，模型的计算时间仅为40分钟，相较于传统方法提升了70%的效率，这使得该方法在临床中的应用更加可行。此外，研究还通过分析多个患者的随访数据，探讨了模拟时间与实际随访时间之间的关系，为血栓模拟提供了新的思路，并有助于提高术后患者康复评估的准确性。本研究的成果为医生在术后管理中提供了更为精确的依据，有助于患者个性化治疗方案的制定，从而提升主动脉夹层患者的治疗效果与生存率。