《Computer Methods and Programs in Biomedicine》：In silico modelling of changes in spinal cord blood flow after endovascular aortic aneurysm repair
编辑推荐：
开发基于患者CT图像的数字孪生模型，通过计算流体动力学模拟评估主动脉修复术后脊髓供血动脉血流变化及血流动力学指标（TAWSS、OSI、RRT、ECAP），发现完全修复术后脊髓血流减少51.86%，而分阶段修复可减少18.2%。
迈克尔·格雷尚·拉西亚（Michael Greshan Rasiah）|汤姆·J.A.J. 康宁斯（Tom J.A.J. Konings）|阿曼达·尼奥（Amanda Nio）|斯特凡诺·莫里科尼（Stefano Moriconi）|阿希什·S·帕特尔（Ashish S. Patel）|阿尔贝托·史密斯（Alberto Smith）|帕诺斯·古茨奥斯（Panos Gkoutzios）|穆罕默德·A·阿卜杜勒哈利姆（Mohamed A. Abdelhalim）|塔莫·德尔哈斯（Tammo Delhaas）|M·豪尔赫·卡多索（M. Jorge Cardoso）|帕布罗·拉马塔（Pablo Lamata）|巴伦德·M.E. 米斯（Barend M.E. Mees）|比詹·莫达拉伊（Bijan Modarai）
伦敦国王学院心血管与代谢医学与科学学院，圣托马斯医院南岸分部血管外科学术部门，英国国王心脏基金会卓越研究中心，威斯敏斯特桥路，伦敦，SE1 7EH
摘要
目的：
开发一个主动脉及其供应脊髓分支的计算机模拟模型，用于表征主动脉瘤（AA）修复后的血流动力学变化。这项工作的动机是脊髓缺血（SCI）和截瘫的风险，这些严重并发症可能由主动脉瘤手术期间脊髓灌注中断引起。一个客观的、针对患者的工具，能够预测手术前脊髓血流的变化，将解决一个关键的未满足的临床需求。
方法：
使用SimVascular软件回顾性地模拟了一位76岁女性患者在接受无并发症的胸腹主动脉瘤内血管修复术前后的主动脉情况。对主动脉及其分支（包括供应脊髓的血管）进行了分割处理。在假设血管壁为刚性的前提下进行了脉动流模拟，并在SimVascular Gateway Cluster上使用了针对患者的入口条件和三元素Windkessel模型作为出口边界条件。评估了支架植入后的血流动力学变化，以及关键的表面基础指标：时间平均壁面剪应力（TAWSS）、振荡剪应力指数（OSI）、相对驻留时间（RRT）和内皮细胞激活潜力（ECAP），主要关注供应脊髓的血管。
结果：
手术后，由于支架阻断了腰动脉和后肋间动脉，流向脊髓的动脉流量减少了51.86%。供应脊髓的动脉显示出TAWSS增加（+5.2%），RRT和ECAP降低，而OSI变化很小。非脊髓血管床的流量略有增加，包括腿部（+6.09%）、肾-内脏血管（+5.89%）和主动脉上分支（+5.97%）。在各种血管区域中，内脏动脉的TAWSS最高，RRT/ECAP最低；而腿部动脉的TAWSS最低，RRT/ECAP最高；主动脉上分支的OSI最高。模拟假设的第一阶段胸主动脉支架植入显示，流向脊髓的流量减少了18.2%，与完全修复后的51.9%相比，这说明了该工具在比较手术策略方面的能力。
结论：
本研究为计算预测SCI风险奠定了基础。它利用开源软件和常规医学影像数据，对主动脉手术后的脊髓血流变化进行了评估。通过扩展到更多患者并丰富模型的生理细节，可能为临床决策工具的开发铺平道路。
引言
主动脉瘤（AA）是主动脉的异常扩张，具有较高的破裂风险。为了防止破裂（在大约三分之二的病例中是致命的），全球每年进行超过90,000例预防性修复手术[1]、[2]。对于涉及腹主动脉和胸主动脉部分的广泛性动脉瘤（即胸腹主动脉瘤），主要的治疗方法是使用支架移植物对动脉瘤段进行内衬，从而将动脉瘤囊从血液循环中隔离开来。
截瘫是这种手术的一种不可预测的并发症。这是因为虽然通过开窗或分支移植物保留了供应腹部器官的大口径血管，但一些供应脊髓的血管不可避免地需要从血液循环中排除。这种排除可能导致脊髓缺血（SCI）和随后的神经功能缺损。仅根据覆盖范围和牺牲的血管数量，很难预测截瘫的发生[3]、[4]、[5]、[6]。支架移植物的术前计划通常包括对计算机断层扫描（CT）主动脉造影的分析。然而，目前这种标准分析无法客观预测截瘫[7]。术前对患者的咨询主要基于经验性证据，这阻碍了一些患者接受挽救生命的手术。术后出现截瘫的患者中，多达60%需要长期使用轮椅，一半的患者需要长期导尿管，三分之一会出现慢性疼痛，超过四分之一的患者在一年后死亡[8]、[9]、[10]、[11]。
在这种情况下，一个能够根据患者的具体解剖结构和拟议的修复策略客观确定截瘫风险的个性化工具是一个重要的未满足需求。预测AA修复后SCI的关键是更好地了解流向脊髓的血流，以及支架植入如何具体干扰这种血流。我们利用数字孪生技术解决了这一需求，创建了一个整合了解剖数据（CT主动脉造影）和生理数据（心输出量、心率）的患者特定模型，从而可以进行支架干预及其后果的计算流体动力学（CFD）模拟。此外，为了探索该工具在比较手术策略方面的潜力，我们模拟了一个假设的第一阶段胸主动脉内血管修复，以评估分阶段方法对流向脊髓的血流的影响。我们的主要目标是预测支架放置后的脊髓血流。
最近的研究表明，影响供应脊髓的通畅血管（如腰动脉）的弥漫性动脉粥样硬化可能会损害其补偿能力，从而增加AA修复后的SCI风险。此外，受血流动力学紊乱影响的血栓栓塞性现象可能会进一步损害脊髓灌注[4]、[12]、[13]、[14]。因此，量化这些基于壁面剪应力的指标可能揭示SCI易感性的重要机制，这是CFD技术所独有的分析层面。在这个背景下，我们的次要目标是评估手术对表面基础血流动力学指标的影响：时间平均壁面剪应力（TAWSS）、振荡剪应力指数（OSI）、相对驻留时间（RRT）和内皮细胞激活潜力（ECAP）。这些指标提供了关于作用于血管壁的机械力的见解，并已被认为与动脉粥样硬化斑块的形成和血栓栓塞性风险有关。TAWSS反映了血流对内皮和支架移植物的平均切向力，过高或过低的值都与血管病理有关[15]。OSI量化了血流的逆转[16]，RRT则反映了血液颗粒在血管壁附近的停留时间；这些条件可能促进血栓形成[17]。ECAP结合了这些因素，进一步评估了血栓形成的潜力[18]。
总之，我们基于接受胸腹主动脉瘤内血管修复的患者的CT主动脉造影，构建了供应脊髓血管的数字孪生模型。该模型旨在预测流向脊髓的血流变化，并推断关键的基于壁面剪应力的指标，以评估脊髓侧支网络的血流动力学环境及其在SCI易感性中的作用。
临床和影像数据
分析使用了76岁女性的CT影像数据，她的胸腹主动脉瘤从第8胸椎水平延伸至双侧髂总动脉（图1 A, B）。内血管修复包括从胸主动脉水平放置模块化支架移植物组件至双侧髂总动脉。在胸主动脉近端放置了一个胸腔装置，以确保下降段胸主动脉的充分密封。
支架植入后的血流动力学变化
后肋间动脉和腰动脉是许多供应脊髓的节段性髓质和根动脉的来源。根据术后模型的设定，所有腰动脉在支架植入后被阻断，术后流量减少了100%（图5）。
讨论
这是首次在计算机上模拟胸腹主动脉瘤内血管修复术前和术后流向脊髓的血流的研究之一。我们客观量化了牺牲供应脊髓血管的血流动力学后果，并观察到在该患者特定病例中，支架植入后脊髓灌注减少了约50%。这种基于图像的个性化CFD工具为
结论
本研究首次使用开源软件和标准临床数据，客观量化了主动脉手术后供应脊髓血管的血流动力学特性。建模显示，完全修复后流向脊髓的流量减少了约50%，而模拟的第一阶段胸主动脉支架植入后流量减少了约18%，这说明了该工具在比较手术策略方面的实用性。
作者贡献声明
迈克尔·格雷尚·拉西亚（Michael Greshan Rasiah）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。汤姆·J.A.J. 康宁斯（Tom J.A.J. Konings）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理。阿曼达·尼奥（Amanda Nio）：可视化、方法论、研究、数据管理。
伦理声明
本研究的伦理问题已在King’s Health Partners（KHP）获得批准（REC: 13/LO/1685）。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：迈克尔·格雷尚·拉西亚（BHF CRTF）和比詹·莫达拉伊（Cook, Cydar Medical, Phillips and Abbott）报告称获得了英国心脏基金会临床研究培训奖学金（BHF CRTF）、Cook、Cydar Medical、Phillips和Abbott的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人
