几何参数对动静脉移植物血流动力学影响的3D数值模拟研究：优化设计以降低狭窄风险

本研究针对动静脉移植物(AVG)临床应用中面临的狭窄、血栓形成及移植物失效等问题，通过计算流体动力学(CFD)技术系统评估了12种不同几何参数组合的AVG模型。研究发现采用60mm长度、5mm直径和30o静脉吻合角的设计可显著改善血流动力学分布，使不利血流区域减少约50%，同时仅使最大移植物流量降低9%。该研究为AVG的临床优化设计提供了重要理论依据。

　　

在终末期肾病治疗中，动静脉移植物(AVG)作为血液透析的重要通路，却长期面临严峻挑战。临床数据显示，高达50%的AVG会在一年内因狭窄、血栓形成等问题失效，这不仅增加患者痛苦，也造成巨大医疗负担。问题的根源在于异常血流模式引发的血管内膜增生(IH)和血栓形成，而这些现象又与移植物几何设计密切相关。尽管先前研究探索了各种改进方案，但关于AVG基本几何特性（如直径与长度的组合效应）的系统研究仍属空白。

为填补这一研究空白，研究人员开展了一项创新性的3D数值模拟研究。研究团队构建了12种不同几何参数的AVG模型，包括2种代表市售产品的常规配置和10种新型设计。这些模型在长度（60mm和150mm）、直径（4mm、5mm和6mm）以及静脉吻合(VA)角度（30o和60o）等关键参数上形成系统组合。研究采用计算流体动力学(CFD)方法，在刚性壁面假设下模拟非牛顿血液的流动特性，重点分析了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)等关键血流动力学指标。

研究采用了多项关键技术方法：1）基于SolidWorks2018构建参数化AVG几何模型；2）应用Carreau-Yasuda粘度模型模拟非牛顿血液特性；3）采用ANSYS Meshing生成约250,000个混合单元的高质量计算网格；4）设置周期性脉动速度入口边界条件；5）通过ANSYS-CFX求解器进行瞬态流动模拟；6）利用MATLAB进行后处理分析，计算TAWSS、OSI和RRT等关键参数。

在"3. 结果和讨论"部分，研究得出了多项重要发现：

"几何参数对血流动力学的影响"方面，模型对比显示较短长度（60mm）、较小直径（5mm）和较小VA角度（30o）的组合（模型2）表现出最优的血流动力学特性。该配置使不利血流区域面积比常规模型减少约50%，同时仅使最大移植物流量降低9%。

"血流特征分析"显示，所有模型在动脉吻合处(AA)均存在回流现象，这与90o的高AA角度设计有关。值得注意的是，血液在较短移植物中的流速约为0.6m/s，略高于常规长移植物，但仍在安全范围内。

"壁面剪切应力分布"结果表明，模型2在AA处的最大WSS为37.4Pa，虽超过35Pa的阈值，但显著低于较大直径模型（模型3和6）的70Pa以上值。TAWSS分析显示，较短移植物中高剪切区域更集中，而长移植物则表现出更大面积的低剪切区（<1Pa），后者更易诱发狭窄。

"振荡剪切特征"方面，OSI分析发现所有模型AA处的值约为0.25，表明该区域存在中等程度的振荡流风险。有趣的是，VA角度变化对OSI分布影响不大，而较小直径移植物显示出轻微的改善。

"血液滞留特性"评估中，RRT结果显示模型2的高RRT区域（>2Pa^-1
）明显小于常规模型。虽然其峰值RRT值较高，但整体处于可接受范围内，且VA处的RRT表现优于常规设计。

研究结论部分强调，通过系统评估不同几何参数组合的血流动力学效应，确定了模型2（60mm长度、5mm直径、30oVA角度）作为潜在优化方案。该设计在减少不利血流区域的同时，保持了足够的血流量，为AVG临床设计提供了重要参考。值得注意的是，研究也指出AA处的高WSS问题仍需解决，建议未来研究可考虑调整AA角度或增加曲率半径。

这项研究的创新价值在于首次系统考察了AVG基本几何参数的组合效应，为临床实践提供了量化设计依据。研究者特别指出，采用较短的移植物长度不仅可能改善血流动力学，还能减少材料使用和手术创伤，具有潜在的临床和经济双重效益。未来研究可进一步结合患者特异性解剖结构和柔性壁面模型，以获取更精确的评估结果。该成果发表在《Medicine in Novel Technology and Devices》期刊，为AVG优化设计领域贡献了重要理论基础。