基于体外实验与计算机模拟的胸主动脉覆膜支架力学性能评估及个体化手术策略优化研究

《Annals of Biomedical Engineering》：Mechanical Performance of Thoracic Aortic Stent-Grafts: An In Vitro and In Silico Study

为解决胸主动脉腔内修复术(TEVAR)中覆膜支架(SG)选择缺乏量化依据的问题，研究人员开展了针对四种商用SG(Valiant Captivia, Terumo RelayPro Bare Stent, Cook Zenith Alpha, Gore CTAG)的力学性能研究。通过建立并验证高保真有限元模型，研究揭示了SG设计对血管壁应力、贴壁性和锚定力的显著影响。结果表明，金属密度更高的SG能提供更强的径向力(最高354 N)和更好的贴壁性(最高94%)，但可能导致更高的血管壁应力(最高0.49 MPa)。该研究为将计算模拟技术整合于术前规划、实现个体化TEVAR策略提供了有力支持。

　　

在血管外科领域，胸主动脉腔内修复术(TEVAR)已成为治疗胸主动脉疾病的首选方案。与传统开胸手术相比，TEVAR具有创伤小、恢复快等优势。然而，手术的成功与否，很大程度上取决于医生对覆膜支架(SG)的选择。面对市场上多种设计各异的SG，如何为不同解剖形态的患者选择最合适的“武器”，是临床医生面临的巨大挑战。选择不当可能导致支架贴壁不良、内漏、移位甚至血管损伤等严重并发症。

为了给临床决策提供科学依据，来自意大利米兰理工大学等机构的研究团队在《Annals of Biomedical Engineering》上发表了一项研究，他们通过体外实验与计算机模拟相结合的方式，对四种主流商用SG进行了全面的力学性能评估，揭示了不同设计对手术效果的深远影响。

为了开展这项研究，研究人员采用了多种关键技术方法。他们首先对四种商用SG进行了体外力学测试，包括径向压缩实验和单轴拉伸实验，以获取其材料属性。随后，他们利用高保真有限元分析(FEA)技术，建立了SG的数值模型，并通过与体外实验数据对比，验证了模型的准确性。研究还通过3D打印技术制作了患者特异性主动脉模型，并在其中进行TEVAR手术模拟，进一步验证了计算机模拟的可靠性。最后，研究人员将验证后的模型应用于两种患者特异性解剖结构中，系统评估了SG的贴壁性、血管壁应力分布、接触力及摩擦阻力等关键力学参数。

Validation of Device Models and TEVAR Simulations

研究人员首先对四种SG的数值模型进行了严格的验证。通过对比体外压缩实验与计算机模拟得到的力-直径曲线，发现两者高度吻合，平均误差小于5%，证明了数值模型的准确性。此外，通过在3D打印的刚性主动脉模型中进行TEVAR手术，并对比术后CT扫描图像与模拟结果，发现支架的展开形态和位置均高度一致，进一步验证了计算机模拟在预测SG植入后形态方面的可靠性。

TEVAR Simulation in Patient-Specific Anatomies

在模型验证成功后，研究人员将四种SG分别虚拟植入到两种患者特异性主动脉模型中。结果显示，不同SG的最终展开形态存在显著差异。根据使用说明，VC、TBS和CZA的裸支架部分应覆盖在分支血管开口处，而CTAG的裸支架部分则作为密封区的一部分，不应覆盖分支血管。这导致了CTAG的覆膜部分在近端密封区相对较短。

Graft Apposition

贴壁性是评估SG植入效果的关键指标。在理想化的直管模型中，CTAG由于金属网架密度更高，在整个覆膜长度上表现出最高的平均贴壁率(89.6%)，而CZA由于缝合点间距较大，出现了更明显的褶皱，贴壁率最低(47.8%)。在患者特异性模型中，CTAG同样表现出最高的平均贴壁率(71.1%和65.2%)。VC在近端着陆区表现出色，这得益于其近端支撑环的设计。而TBS由于存在侧向杆，在弯曲的解剖结构中，其弯曲刚度增加，导致贴壁性下降。

Stress on the Aortic Wall

血管壁应力是评估SG安全性的重要参数。植入SG后，所有设备都导致了血管壁应力的增加。VC、TBS和CZA的应力分布模式相似，应力主要集中在主动脉弓等弯曲狭窄区域。而CTAG由于其致密的金属丝网结构，在主动脉直径减小的区域也产生了较高的应力。这种高应力虽然有助于提高支架的锚定力，但也可能对脆弱的血管壁造成损伤，或引发长期的血管重塑。

Contact and friction forces distribution

接触力(CF)、净摩擦力(NFF)和支架贴壁密度(SAD)是评估SG锚定稳定性的指标。分析显示，CTAG在远端区域同时具有高SAD和高NFF，表明其锚定力强，抗移位能力强。TBS在中央区域表现出较低的SAD和NFF，这与其侧向杆限制了在弯曲解剖结构中的扩张有关。VC和CZA则表现出中等水平的锚定力，没有出现极端的风险模式。

研究结论与讨论

该研究通过严谨的验证流程，首次对四种商用SG的力学性能进行了全面的计算机模拟评估。研究结论明确指出，SG的设计对其力学行为具有决定性影响。金属密度更高的SG(如CTAG)能提供更强的径向力和更好的贴壁性，这有助于降低内漏和移位的风险。然而，这种优势的代价是向血管壁传递了更高的应力，这在脆弱的主动脉中可能引发损伤或重塑。相反，金属结构稀疏的SG(如CZA)虽然对血管壁的应力较低，但其贴壁性较差，且应力分布更不均匀，可能导致局部高压点。

这项研究的重要意义在于，它首次将工程学参数(如贴壁性、应力、摩擦力)与临床结局(如内漏、移位、血管损伤)建立了潜在的联系。通过计算机模拟，医生可以在术前“预演”不同SG在特定患者体内的表现，从而做出更优的决策。这标志着TEVAR手术正朝着个体化、精准化的方向迈进。未来，随着更多患者数据的纳入和模型的进一步优化，这种“数字孪生”技术有望成为血管外科医生不可或缺的术前规划工具，最终改善患者的预后。