患者特异性主动脉血流动力学对出口边界条件选择的敏感性研究：从生理到病理的全面评估

本研究针对血管流动模拟中出口边界条件(OBC)选择对血流动力学参数的影响展开深入探讨。研究人员通过建立基于4D Flow MRI图像的个性化主动脉计算模型，比较了零压力(ZP)、损失系数(LC)和三元素Windkessel(WK)三种OBC对血流速度、壁面参数和整体流动特性的影响。研究发现，虽然升主动脉区域的流速和壁面参数对OBC选择不敏感，但整体流动参数特别是螺旋度场存在高达600%的差异。该研究为临床血流模拟中边界条件的选择提供了重要指导，有助于提高计算流体动力学(CFD)模拟结果的可靠性。

　　

在心血管疾病研究和临床决策支持中，计算流体动力学(CFD)技术因其能够捕捉血液流动的时空变化特征而日益重要。然而，数值模拟的准确性高度依赖于边界条件的设定，特别是出口边界条件(OBC)的选择。目前关于OBC对主动脉血流动力学影响的研究主要集中在壁面附近特性和生理流动状态，对整体流动参数和病理状态下的敏感性认识不足。这种局限性可能导致对红细胞损伤等关键病理过程的误判，亟需系统性研究来填补这一空白。

来自德国亚琛工业大学医院和杜塞尔多夫大学医院的研究团队开展了这项创新性研究，论文发表在《Computer Methods and Programs in Biomedicine Update》上。研究人员选取了一名健康成人和一名严重主动脉瓣狭窄(AS)患者作为研究对象，基于CT和4D Flow MRI数据建立了患者特异性主动脉几何模型。研究采用了三种常见OBC：零压力(ZP)、损失系数(LC)和三元素Windkessel(WK)模型，通过ANSYS CFX软件求解不可压缩Navier-Stokes方程，并比较了多种血流动力学参数在不同模型中的表现。

在材料与方法部分，研究团队采用了多项关键技术：1)基于4D Flow MRI的个性化几何建模和速度场重建；2)非牛顿流体特性的Carreau-Yasuda血液模型；3)k-Omega剪切应力传输(SST)湍流模型；4)三种OBC(零压力、损失系数和Windkessel模型)的精确实现；5)多种血流动力学参数(包括速度、螺旋度、粘性剪切应力VSS、雷诺剪切应力RSS等)的定量分析。

研究结果部分展示了丰富的数据发现：

"比较CFD模型与4D Flow MRI数据"显示，数值模型能够准确再现4D Flow MRI测量的速度分布特征，验证了建模方法的可靠性。

"生理流动：时间分辨参数"部分发现，速度场对OBC选择最不敏感(R2>0.8)，而螺旋度、RSS和湍流耗散率(TEDR)等整体流动参数差异显著，特别是LC模型与其他模型的比较中，平均差异可达600%以上。值得注意的是，这些差异不仅存在于出口附近，还遍及整个主动脉区域。

"生理流动：时间平均参数"表明，时间平均壁面剪切应力(TAWSS)、振荡剪切指数(OSI)和相对停留时间(RRT)等壁面参数在三种模型间差异较小，主要变化集中在出口附近区域。

"病理流动：时间分辨参数"显示，在AS病例中，整体流动参数对OBC的敏感性相对降低，但峰值差异反而增加。例如，WK和LC模型间的平均螺旋度差异为77.4%，低于生理状态的228.8%。

"病理流动：时间平均参数"部分指出，AS病例中OSI和RRT的模型间差异较生理状态更小，表明在复杂流动状态下，入口条件的影响可能超过出口条件。

在讨论部分，研究团队提出了三个关键发现：首先，升主动脉区域的流速和壁面参数对OBC选择不敏感(差异<20%)；其次，整体流动参数特别是螺旋度对OBC高度敏感，差异可达600%；第三，这种敏感性在病理流动状态下相对降低。这些发现更新了以往认为OBC影响仅限于出口附近的认识，强调了在研究整体流动特性时谨慎选择OBC的重要性。

该研究的创新性在于首次系统评估了OBC对主动脉整体流动参数的影响，并比较了生理和病理状态下的差异。研究结果对临床CFD应用具有重要指导意义：当仅关注升主动脉壁面参数时，简单的ZP模型可能足够；而研究整体流动特性时则需要更精确的WK模型。此外，研究还揭示了入口条件与出口条件的相互作用，特别是在病理状态下入口条件的影响更为突出。

这项研究为心血管血流模拟提供了宝贵的边界条件选择指南，有助于提高数值模拟的可靠性，为临床决策支持提供更准确的血流动力学评估。未来研究可进一步扩大样本量，探索更多病理状态下的OBC敏感性，并开发更高效的边界条件优化算法。