基于患者特异性有限元模型的TAVR导管追踪过程中斑块破裂风险研究

推荐：本研究针对经导管主动脉瓣置换术(TAVR)中导管追踪可能导致的斑块损伤问题，通过建立患者特异性有限元(FE)模型，系统分析了不同斑块负荷(低/中/高)和硬度(软/中/硬)条件下的组织应力状态。研究发现高负荷中度硬度斑块存在破裂风险，而高度钙化结节可产生6-9 MPa的高应力，为TAVR术前评估和脑栓塞防护装置(CEPD)应用提供了重要理论依据。

　　

心血管介入领域面临重要挑战：经导管主动脉瓣置换术(TAVR)过程中，导管在迂曲主动脉内追踪可能造成动脉粥样硬化斑块损伤，进而引发脑栓塞等严重并发症。尽管TAVR技术已显著成熟，但围手术期卒中发生率仍达0.79%-4.5%，其中约半数属于栓塞性卒中。目前临床依赖的体外导管追踪测试无法模拟真实解剖变异和组织特性，而斑块破裂应力阈值(300-600 kPa)与导管力学作用的关系尚不明确。

为破解这一临床难题，研究人员创新性地将患者特异性建模与多参数有限元分析相结合。研究团队从两名接受TAVR治疗患者(83岁男性/75岁女性)的术前CT影像重建主动脉弓三维模型，通过Mimics软件分割管壁(150-350 Hounsfield单位)和钙化斑块(>450 Hu)。采用Holzapfel-Gasser-Ogden(HGO)超弹性模型描述主动脉壁的各向异性特性，并设置三种斑块参数：超弹性软斑块(主要脂质)、超弹性中度斑块(部分钙化)和线性弹性高硬度斑块(钙化结节)。通过Abaqus/Explicit软件模拟导管追踪过程，重点分析不同位移点(D1-D3)的组织应力分布。

关键技术包括：1)基于MSCT影像的患者特异性几何重建；2)斑块负荷参数化研究(5%-15%元素体积)；3)混合单元类型建模(四节点四面体连续单元+壳单元)；4)定制Python后处理脚本进行高分辨率应力直方图分析；5)两种斑块破裂阈值评估(T1=325 kPa用于软斑块，T2=600 kPa用于中度斑块)。

3.1 导管追踪反作用力预测
研究发现导管在主动脉弓顶点处(追踪100 mm左右)产生8.1-12.5N的峰值反作用力。值得注意的是，Patient 2在高斑块负荷+硬斑块组合中出现16%的力值升高(1.5N)，提示钙化结节的空间分布可能显著影响操作手感。

3.2 预测斑块破裂风险
应力分析显示：Patient 1的高负荷中度斑块模型在D1/D3位移点有0.21 mm³
组织超过T2阈值；而高度钙化结节在两组患者中均产生6-9 MPa的超高应力，远超已知斑块破裂阈值。对比鲜明的是，Patient 2的所有斑块模型均未超过应力阈值，凸显解剖差异的关键影响。

这项开创性研究首次量化了TAVR导管追踪过程中的斑块力学风险。主要发现包括：1)特定解剖条件下，中度硬度斑块在高负荷状态存在破裂风险；2)钙化结节虽不直接破裂但产生极高应力(6-9 MPa)；3)导管反作用力峰值区域与高应力区存在空间关联。这些发现为CEPD的精准应用提供了生物力学依据，建议对术前CT显示高斑块负荷(尤其弓部弯曲处钙化)患者加强栓塞防护。研究建立的参数化有限元框架，未来可扩展用于更大患者队列分析，并需进一步探索钙化结节的失效机制。论文发表于《Computers in Biology and Medicine》，为介入器械研发和手术规划提供了创新方法论。