0D数字孪生模型评估血管移植物对离体猪主动脉生物力学影响的创新研究

本研究针对胸主动脉瘤(TAA)术后人工移植物导致动脉僵硬度增加的关键临床问题，开发了基于集总参数模型(LPM)的0D数字孪生系统。通过耦合模拟循环回路(MCL)与16例离体猪主动脉实验验证，该模型可预测术后血管僵硬度变化（误差<10%），并量化不同聚合物移植物对Windkessel力学响应的渐进性影响。这项低计算成本的创新技术为个性化血管移植手术规划提供了新工具。

　　

胸主动脉瘤(TAA)作为影响4.2%人群的血管疾病，其标准治疗手段——人工血管移植术存在一个棘手的副作用：合成移植物导致的动脉僵硬度增加会改变脉搏压(PP)和脉搏波传导速度(PWV)，进而引发术后并发症。传统评估方法面临两难困境：体外实验虽能模拟真实组织生物力学，但受操作者经验和样本变异性的限制；三维计算模型(如CFD/SM)虽精确却计算成本高昂，且难以获取患者特异性生物力学参数。

针对这一临床痛点，研究人员开发了革命性的0D集总参数模型(LPM)数字孪生系统。该研究通过耦合模拟循环回路(MCL)与16例屠宰场获取的离体猪主动脉（160-180kg，10-12月龄）进行验证，创新性地实现了三大突破：首先，模型能精确预测术后血管僵硬度变化，与实验数据偏差小于10%；其次，首次量化了不同聚合物移植物（如Dacron和ePTFE）对Windkessel力学响应的渐进性削弱作用；最重要的是，其计算效率较传统3D模型呈数量级提升。

关键技术方法包括：1）构建含RCL模块的0D-LPM模型模拟血管顺应性；2）建立MCL系统复现生理/病理血流条件；3）采用离体猪主动脉进行术前/术后生物力学对比；4）通过压力波形和PWV计算实现模型验证。

【Experimental set-up】
研究采用屠宰场获取的16例猪胸主动脉（主动脉瓣环至腹腔干），在12小时内完成组织处理。通过MCL系统模拟80-120mmHg压力范围，对比天然血管与Dacron/ePTFE移植物的生物力学差异。

【0D model validation】
压力波形分析显示，模型在收缩期精准复现实验数据（图2A-B），舒张期则呈现更平滑的衰减曲线。PWV计算表明，术后数值增幅与实验测量误差控制在8.7%以内，证实模型预测可靠性。

【Discussion】
该研究首次将0D模型应用于血管移植生物力学评估，突破性地解决了传统方法在计算成本与临床适用性间的矛盾。模型不仅能模拟移植物导致的渐进性血管硬化，还可预测Windkessel功能衰减程度，为个性化手术规划提供量化依据。

【Conclusions】
这项发表于《Computers in Biology and Medicine》的研究开创了低计算成本数字孪生技术在血管外科的应用范式。其核心价值在于：1）作为MCL实验的替代方案降低动物样本依赖；2）通过参数调整实现患者特异性预测；3）为优化移植物材料选择提供理论工具。该技术路线有望延伸至其他血管疾病的手术评估领域。