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冠状动脉支架长期疗效受再狭窄限制，血流动力学指标与之相关。研究人员评估冠脉支架 CFD 模拟常见假设（入口速度剖面、出口边界条件和粘度）对壁面剪应力（WSS）指标影响，发现出口边界条件影响最大，为后续研究提供参考。
在心血管疾病的治疗领域，冠状动脉支架（coronary stents）的出现为众多患者带来了希望。它能有效改善冠状动脉堵塞状况，恢复心肌供血。然而，如同硬币有两面，冠状动脉支架也存在令人头疼的问题。临床发现，冠状动脉支架的长期疗效常常受到再狭窄（restenosis）的限制，每年美国就有超过 20 万例因支架相关问题导致的重复手术。再狭窄的发生机制复杂，至今尚未完全明确，但其中一个重要的影响因素逐渐进入了科研人员的视野 —— 壁面剪应力（wall shear stress，WSS）。
当冠状动脉被植入支架后，原本的动脉几何形状发生改变，局部血流模式也随之变化，这些变化都会引起 WSS 的改变。而异常的 WSS 与新内膜增生（neointimal hyperplasia，再狭窄的主要成分）密切相关，还会抑制内皮化过程，增加晚期支架血栓形成的风险。在这样的背景下，如何准确评估 WSS，进而深入了解再狭窄的机制，成为了心血管领域亟待解决的问题。
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟技术为研究 WSS 提供了有力的工具。它能够在不进行有创操作的情况下，以高时空分辨率获取血流动力学信息。不过，CFD 模拟需要对血液特性和边界条件做出一些假设，而这些假设又会影响对 WSS 变化的评估。此前，虽然有一些研究涉及到 CFD 模拟中的部分假设，但对于冠状动脉支架 CFD 模拟中常见假设（如入口速度剖面、出口边界条件和粘度模型）对 WSS 指标的综合影响，仍缺乏深入探究。
为了填补这一空白，来自美国威斯康星医学院（Medical College of Wisconsin）和马凯特大学（Marquette University）等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在了《Scientific Reports》上，为心血管疾病的研究和治疗提供了新的思路。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过血管内超声（intravascular ultrasound，IVUS）和计算机断层扫描（computed tomography，CT）成像获取患者数据，构建了患者特异性的右冠状动脉（right coronary artery，RCA）模型。接着，使用 MeshSimTM 软件创建了包含 1680 万个元素的边界层网格，以解析支架周围复杂的血流特征。在模拟方面，采用 SimVascular 软件进行 CFD 模拟，设置不同的入口速度剖面（抛物线或 Womersley）、出口边界条件（3 元件或 5 元件集总参数网络，LPN）和粘度模型（牛顿或非牛顿，Carreau - Yasuda 模型），对比分析不同条件下的 WSS 指标。
下面来看具体的研究结果：
- 局部支架诱导的血流模式：研究发现，Synergy 支架独特的环链设计显著影响了支架内和支架附近区域的血流模式。血液在流经支架时，速度向量会根据支架结构的不同而改变，在支架谷和峰处分别呈现出向前和向后台阶状的流动特征，伴有再循环和停滞区域，这些区域的血流动力学变化可能与血栓形成等不良事件相关。
- 出口边界条件的影响：对比 3 元件和 5 元件出口边界条件下的模拟结果，发现 Womersley 入口剖面时，两者的时间平均壁面剪应力（time - averaged WSS，TAWSS）差异在支架支柱附近尤为明显，有时差异超过 5% 。振荡剪切指数（oscillatory shear index，OSI）差异更为显著，在约 50% 的管腔表面上差异超过 100%，部分区域差异甚至达到 200%。进一步分析发现，这些差异源于不同出口边界条件下的压力差异，进而导致局部速度变化。
- 入口流动剖面的影响：研究人员比较了抛物线和 Womersley 入口剖面的差异，结果显示，在距离入口两个直径的距离之外，两种剖面的速度差异可以忽略不计。这表明在进行 WSS 指标评估时，如果测量位置在入口下游两个直径以外，入口速度剖面的假设对结果的影响较小。
- 粘度模型的影响：非牛顿与牛顿粘度计算得到的 TAWSS 结果显示，在支架支柱附近两者差异最大，常常超过 100%。远离支架一个支柱宽度以上的位置，差异很少超过 10%。并且，非牛顿粘度模型在低剪切率（<100 s-1）下对 TAWSS 的影响更为显著，而这些低剪切率区域与受出口边界条件影响的区域有很强的重叠。
研究结论和讨论部分，总结了本次研究的重要发现。研究表明，不同的假设对 TAWSS 和 OSI 的影响程度不同，其中出口边界条件的影响最为关键，它直接关系到能否准确模拟冠状动脉血流和压力的不同步行为；粘度模型次之，非牛顿粘度模型在预测支架区域 WSS 指标上更具优势；入口速度剖面的影响相对较小，但在入口附近区域仍不可忽视。
不过，该研究也存在一定的局限性。例如，研究仅基于一位患者的数据，未来需要更多患者参与的研究来进一步验证结果；研究局限于右冠状动脉内单个支架的分析，未涉及左冠状动脉；研究假设支架和动脉壁是刚性的，未考虑其在心脏周期中的变形；未进行结构有限元分析来更精确地模拟支架植入过程；在模拟过程中未考虑非牛顿流体的动态变化；并且模拟结果未在体外或体内进行直接验证。
尽管存在这些不足，但这项研究为冠状动脉支架 CFD 模拟提供了重要的参考依据。它让科研人员更加清楚地认识到在进行模拟研究时，选择合适假设的重要性，有助于改进未来的患者特异性血流数值模型。从临床角度来看，这可能最终改善基于 WSS 指标的治疗方法，提高心血管疾病患者的治疗效果和预后，为心血管疾病的诊疗开辟新的方向。
