使用血流动力学建模提高透析患者的成功几率

改善手术结果

血流动力学建模能够改善对患者动静脉瘘 (AVF) 手术结果的理解。该手术涉及将静脉（通常在手臂中）连接到动脉。目标是通过使静脉变大和变厚来增加静脉的血流量和稳健性，以便它能够更好地承受透析所涉及的常规针刺，
这是肾病患者所必需的治疗。斯特拉斯克莱德大学 (Strathclyde) 生物医学工程系博士生乔治·海德-利纳克 (George Hyde-Linaker) 和同系生物流体力学 (BioFLM) 研究小组的高级讲师兼负责人阿西米娜（梅琳娜）卡扎基迪 (Asimina (Melina) Kazakidi) 博士与伊丽莎白女王大学医院的医生合作进行的研究最近发表在医学工程与物理学杂志 (MEP, Hyde-Linaker G., Hall Barrientos P., Stoumpos S., Kingsmore D.B. and Kazakidi A. (2022) Patient-specific computational hemodynamics associated with the surgical creation of an arteriovenous fistula.Med.Eng. Phys.105, 103814, doi: 10.1016/j. medengphy.2022.103814) 中。这项研究展示了如何使用仿真来预测 AVF 手术后的血管变化。

使用 Simcenter™ STAR-CCM+ ™ 软件对手术前后的血流进行建模，可以帮助临床医生了解血流动力学环境并确定 AVF 的最佳部位。Simcenter STAR-CCM+ 是 Siemens Xcelerator 这一软硬件和服务业务平台的一部分。

斯特拉斯克莱德大学是一所技术型院校，以开展高影响力的创业研究而闻名。它是英国第一所在 2012 年和 2019 年获得《星期日泰晤士报》年度大学奖的大学，该大学与其合作伙伴一起为全球挑战提供技术和社会进步方面的解决方案。该大学在医疗保健技术和用于转化知识的健康技术集群 (HTC) 方面开展关键的研究主题。生物医学工程系因其在工程学和生命科学之间的创新和多学科研究计划而受到认可。该大学已投资 1600 万英镑翻新沃尔夫森大楼，用作先进的生物医学工程研究空间。

最近在 MEP 杂志上发表的这项研究得到了斯特拉斯克莱德大学国际战略合作伙伴研究奖学金的部分支持，根据玛丽·斯克沃多夫斯卡 - 居里赠款协议第 749185 号通过变革性医疗保健技术计划 (EP/W004860/1) 和欧盟 H2020
研究和创新计划荣获英国研究与创新 (UKRI) 工程和物理科学研究委员会 (EPSRC) 奖项。这项工作还将继续通过建立患者人口统计学数据库并完成计算流体动力学 (CFD) 研究，以确定预测良好患者结果的生物学和血流动力学参数。

瘘管形成前后的振荡剪切指数 (OSI) 等值线图（图片由海德-利纳克等人于
Med Eng Phys 105 (2022), 103814 中提供）

使用仿真解决禁忌症

传统的造影剂是医学成像中用于增加体内结构和液体对比度的物质。此类药物的问题在于它们禁用于终末期肾病患者。为了让 AVF 手术改善患者的预后，研究人员或医生需要正确的工具来准确预测身体对 AVF 的反应。这就是仿真对整个过程的价值所在。

创建 AVF 的手术涉及创建吻合口，即静脉和动脉之间的连接。这以高速率重新定向血液流到静脉，使其能够从静脉中提取血液进行体外血液透析。

该过程历来被忽视的一个方面是了解血液如何在连接点附近流动。患者在 AVF 手术后可能遇到的一个问题是动脉盗血综合征，当 AVF 阻止手获得足够的血液供应时，就会发生动脉盗血综合征。来自斯特拉斯克莱德大学 BioFLM 研究小组的研究人员指出，除了包含吻合口的手臂之外，身体其他部位的血流量减少是另一个问题。

BioFLM 研究人员使用 Simcenter STAR-CCM+ 揭示，仿真可以帮助医生防止对吻合口一侧的手以及身体其他部位的负面影响。使用 Simcenter STAR-CCM+ 还帮助研究人员预测了时间平均壁剪切应力 (WSS)，即运动中的血液在血管固体边界上施加的每单位面积的力。MEP 发表的研究进一步显示了吻合口处的其他流动模式。通过 CFD 建模的 WSS 水平表明 AVF 的成熟度合格，旨在帮助医生提高未来 AVF 手术和术后患者管理的成功率。

斯特拉斯克莱德大学 BioFLM 的研究有助于确保 AVF 能够持续相当长的时间。AVF 是血管通路的金标准，但 30% 到 70% 的 AVF 却以失败告终。失败的两个主要原因是新内膜增生和向外重塑不足。新生内膜增生涉及静脉或动脉内膜中平滑肌细胞和细胞外基质的生长。动脉重塑对 AVF 近端手臂血管的影响可能对患者有害，因为它会增加对其他并发症（如心血管疾病和动脉盗血综合征）的易感性。BioFLM 小组的这项研究最终将帮助医生确保 AVF 可行，以便血液透析可以继续进行。

在 AVF 前后病例之间，在通常仿真的脉管系统中，在分析的（第 5 个）心搏周期中诱导的仿真脉管系统出口处的
Remax 值的箱形图和晶须图（图片由海德-利纳克等人于
Med Eng Phys 105 (2022), 103814 中提供）

将 FeMRA 数据集与 CFD 结合使用

斯特拉斯克莱德大学 BioFLM 研究小组的海德-利纳克和卡扎基迪博士从患者群体中生成了动脉血管系统的 3D 重建。发表在 MEP 上的研究涉及在手术前后使用纳米氧化铁增强磁共振血管造影 (FeMRA) 数据对动静脉瘘的整个近端血管系统进行开创性的重建，这些数据由合作医生提前获得。FeMRA 是一种使医生能够获得高分辨率患者特异性数据的方法。斯特拉斯克莱德研究团队使用 Simcenter STAR-CCM+，通过已建立的有限体积从多次 FeMRA 扫描中生成高保真血流动力学仿真。

“我们使用 Simcenter STAR-CCM+ 来模拟尺度分辨率混合模型，这被证明非常有用，”斯特拉斯克莱德大学生物医学工程系的博士生乔治·海德-利纳克说。“它根据流速选择 RANS 或 LES。”

尺度分辨率混合 (SRH) 湍流模型是一种混合雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS) 大涡模拟 (LES) 模型，与 RANS 模型相比，它允许用户计算非定常大尺度湍流结构，同时计算费用合理。SRH 模型为用户带来的挑战较少，因为它们会针对问题校准网格和时间步长。这有助于用户充分利用给定的网格和时间步长。因此，SRH 模型以合理的计算成本和周转时间提供了足够的精度水平。

(a-c) 桡头瘘管吻合口的速度流线和流向（箭头），分别表示 (a) T1（收缩高峰）、(b) T2（中减速）和
(c) T3（舒张高峰）。(d) 标准化 TAWSS、(e) OSI。（图片由海德-利纳克等人于Med Eng Phys 105 (2022), 103814, doi: 10.1016/j.medengphy.2022.103814 中提供）

此外，将 CFD 与 FeMRA 相结合，展示了对 AVF 成熟度及其对心脏影响进行更详细分析的潜力。海德-利纳克说：“CFD 仿真的结果是基于吻合口创建后左桡动脉中获得的相差 FeMRA 数据得到的。”他们发现，桡动脉（供血）动脉中 CFD 和相差 FeMRA 之间的平均百分比差值为 2.52%。

海德-利纳克说：“我们能够从 FeMRA 扫描中获得流速，该扫描用于通知出口进行 AVF 后仿真。”“显然，我们在这里观察到的桡动脉流速相当对应。这可以成为我们在患者体内复制血流条件的标志。”

在 Simcenter Star-CCM+ 中创建的患者特异性主动脉多面体网格生成。

将仿真集成到医学中

卡扎基迪同时也是斯特拉斯克莱德大学生物流体力学 MSc/MRes 项目的主任，其目标是协助医生进行仿真，例如使用 Simcenter STAR-CCM+ 进行仿真，提供有用的血流动力学信息并预测患者的预后。这可以为临床医生提供有价值的见解，使他们能够更好地了解诊断和干预计划。

BioFLM 团队发现，对于有经验的用户（包括 Simcenter STAR-CCM+ 软件）来说，从初始图像分割到 CFD 后处理完成工作流程的时间大约需要 6 小时。他们解释说，除了 FeMRA 之外，使用 CFD 的好处是可以分析难以在体内测量的血流动力学指标。“计算机建模可以改变临床研究，让外科医生了解未来的个性化干预措施，”卡扎基迪说。“我们已经使用 Simcenter STAR-CCM+ 对 AVF 术前和术后患者病例进行了稳健的血流动力学 CFD 研究，以帮助临床医生根据详细的血流动力学模式做出未来的明智决策。”

海德-利纳克和卡扎基迪预计他们的下一步工作将是在具有不同 AVF 吻合口配置和结果的患者队列中观察
不同的血流动力学环境。
这将包括头臂瘘和桡头瘘。他们还将通过将流-结构相互作用 (FSI) 仿真纳入研究来考虑动脉壁运动。斯特拉斯克莱德研究团队认为，使用 Simcenter STAR-CCM+ 来研究 AVF 血流动力学是一种有用的工具，可以帮助理解 AVF 功能障碍和衰竭。

“用患者特异性模型或虚拟数据集和人群替换临床试验的各个方面，使我们能够积累手术干预的证据。
这可以在鉴定和认证中引用。我们致力这样做的目的是减少患者数量和交货时间，更不用说成本了，”卡扎基迪说。

基于 FeMRA 多堆栈图像和后续 CFD 分析的患者特异性几何结构的分割、重建、几何统一和体积提取的框架（图片由海德-利纳克等人于 Med Eng Phys 105 (2022), 103814 中提供）