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为探究主动脉瓣环成形术（AA）血流动力学影响，研究人员构建基于计算流体 - 结构相互作用（FSI）的 3D 打印主动脉根部模型，结合 4D-flow MRI 对比分析。结果显示 FSI 与 MRI 高度吻合，该数字孪生框架为手术预后预测提供新途径。
在心脏瓣膜疾病的诊疗领域，主动脉瓣关闭不全是一种常见且棘手的病症。当主动脉根部（AR）扩张成为主要问题而瓣膜小叶仍保持完整时，如何避免瓣膜置换手术的并发症、有效修复瓣膜功能成为医学界的重要课题。主动脉瓣环成形术（Aortic Annuloplasty, AA）作为一种修复方法，通过在主动脉根部外部植入环来缩小瓣环尺寸、恢复瓣膜功能，展现出良好的应用前景。然而，由于缺乏经过实验和临床数据验证的计算模型，其血流动力学效应一直未得到充分探索，这极大地限制了该技术在临床中的精准应用和优化。
为填补这一研究空白，来自国外研究机构的研究人员开展了一项具有创新性的研究。他们构建了基于计算流体 - 结构相互作用（Fluid-Structure Interaction, FSI）的主动脉瓣环成形术数字孪生模型，并通过 4D-flow 磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）进行对比验证。这项研究成果发表在《Computers in Biology and Medicine》上，为主动脉瓣疾病的治疗提供了新的思路和方法。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，利用计算机辅助设计（CAD）构建了理想化的主动脉根部模型，包括 native 和 post-annuloplasty 条件，并用弹性树脂进行 3D 打印，制作出具有生理特性的 phantom。其次，将这些 phantom 置于 mock 循环流环（Mock Circulatory Flow-Loop, MCL）中进行测试，使用甘油 - 水混合物模拟血液粘度，收集传感器的流量和压力数据作为 FSI 模拟的边界条件。最后，通过 4D-flow MRI 采集实验中的速度场数据，并与计算结果进行对比，评估模型的准确性。
3.1 瓣环成形术对主动脉瓣血流动力学的影响
通过 3D 打印的主动脉根部 phantom 成功连接到流环系统，实验记录了完整的心动周期数据，包括收缩期峰值流速、压力梯度和反流容积等参数。结果表明，瓣环成形术模型在收缩期峰值流速显著增加（高达 145.4 cm/s），并出现局部血流改变，对应瓣膜两侧的压力梯度升高。在反流期间，与 native 条件相比，瓣环成形术模型的速度分布更宽，显示出更复杂的血流模式。这些结果揭示了瓣环成形术对主动脉瓣血流动力学的直接影响，为理解其临床效果提供了实验依据。
3.2 主动脉瓣环成形术数字孪生体的结果
FSI 模拟成功捕捉到了导管内存在瓣膜时的流体流动特性。通过对 native 和瓣环成形术模型在心动周期中 7 个时间点的横截面速度分布进行分析，发现瓣环成形术模型在瓣环水平（S3）的流速模式发生了明显改变，尤其是在收缩期峰值后，再循环模式和二次流结构的形成更为显著。4D-flow MRI 成像进一步验证了这些速度分布的变化，显示瓣环成形术环的存在影响了收缩期的射流和反流期的回流，为模型的准确性提供了影像学证据。
3.3 模型准确性评估
通过将 FSI 模型的流体速度数据映射到 MRI 结构网格上进行统计分析，结果显示 FSI 与 2D 和 4D-flow MRI 测量结果在定性和定量上均具有高度一致性。 Pearson 相关系数超过 0.93，Bland-Altman 分析表明两者差异极小，尤其是在收缩期阶段。尽管在瓣环成形术模型的 S2 横截面存在轻微差异，但整体结果表明该数字孪生模型能够可靠地模拟主动脉瓣环成形术的血流动力学效应。
这项研究建立了一种结合体外实验、计算机模拟和临床成像技术的综合方法，用于评估主动脉瓣环成形术的血流动力学。通过 3D 打印 phantom 和 FSI 模拟构建的数字孪生框架，不仅在实验中得到验证，还为患者特异性建模提供了途径，使预测手术结果和优化主动脉瓣修复策略成为可能。该研究成果填补了主动脉瓣环成形术计算模型的空白，为其在临床中的个性化应用奠定了基础，有望推动心脏瓣膜疾病治疗的精准化发展。
