朝着基于测量的、标准化的计算机辅助治疗规划工作流程迈进——以用于分流器的设计

《Journal of Biomechanics》：Towards a standardized workflow for measurement-driven in silico treatment planning of flow diverters

　　

Levente Sándor|Benjamin Csippa|Gy?rgy Paál

布达佩斯技术与经济大学机械工程学院流体力学系统系，Müegyetem rkp. 3., 布达佩斯，H-1111，匈牙利

摘要

如今，分流器（FD）常用于治疗颅内动脉瘤，通过封闭瘤囊来重建母动脉。对分流器效果的建模具有挑战性，但在血流动力学分析中使用多孔层近似方法可以在保持生理精确度的同时平衡计算效率。然而，多孔分流器模型需要压降的线性和二次系数，这些系数可以通过血流动力学阻力（HR）测量获得。即使在实验室环境中，这些测量也难以进行。本文介绍了一种体外测量和数据校正技术，以获取用于基于格子玻尔兹曼方法（LBM）的数值模拟的系数。为了研究患者特定动脉瘤模型中的治疗后的血流动力学情况，将这些改进的HR系数整合到了我们的计算流体动力学（CFD）求解器中。一个测试案例展示了这种策略的潜力，表明分流器的部署如何减少了动脉瘤内的血流。该方法为未来通过提高分流器模拟的预测准确性来更可靠地表征分流器奠定了基础。

引言

颅内动脉瘤的治疗方法已转向微创血管内技术。根据Dmytriw等人（2024年）的荟萃分析，分流器在随访后仍保持有效性，充分闭塞的概率超过80%。因此，颈内动脉瘤的治疗主要采用血管内分流器（FD）技术。分流器通过降低动脉瘤囊内的流速来引发凝血，从而重建母动脉（Szikora等人，2010年）。分流器具有不同尺寸的管状编织网设计，以满足血管的要求。目前尚无普遍接受的设备选择指南，临床经验可能由于血管的复杂形态而忽略了一些因素。因此，需要额外的信息来确保适当的壁贴合和血流动力学阻力（HR）。

数值模拟使用计算流体动力学（CFD）和快速虚拟模拟（FVS）（Larrabide等人，2012年）来提供有关分流器放置后血流动力学场的额外信息（Larrabide等人，2013年）。这些工具可以作为决策支持系统，帮助术前规划。鉴于其潜在的临床应用性，及时提供这些结果至关重要；因此，数值模型必须简单 yet 准确。此外，一旦获得EMA或FDA等监管机构的适当认证，这些精确的计算工具最终可以用于支持医疗器械监管申请的计算机模拟试验（EDITH路线图 EDITH联盟（2025年））。

在血流动力学模拟中，对分流器设备进行显式处理会对操作者提出巨大的计算要求，并且需要临床环境中不具备的经验。多孔层方法可以通过模拟压降来模拟分流器的减速效果，同时保持较低的数值单元数量（Abdehkakha等人，2021年；Csippa等人，2024年）。然而，确定此类设备的多孔系数并不简单。因此，这类研究通常通过模拟进行（Fernández等人，2008年；Kim等人，2008年；Augsburger等人，2011年；Ou等人，2021年），尽管压降测量是确定类似网格结构的多孔特性的标准程序（Wu等人，2005年；Raschi等人，2014年；Li等人，2018a）。管状形状和根据达西-福尔希海默定律的定义使这项任务变得复杂。最近，我们的实验室开发了一种用于确定这些参数的测量装置，并进行了一系列测量。本工作的重点是为可靠的血流动力学模拟提供一个框架，其中HR系数是通过体外测量确定的。这些阻力系数包含了与神经介入医生实际部署的支架相关的不确定性（Gyürki等人，2022年）。我们介绍了一种从体外测量数据中推导计算HR系数的方法，验证并部分验证了多孔层模型，并提供了一个示例案例研究，展示了该工作流程的潜力和局限性。

部分摘录

血流动力学阻力系数测量

测量设置和开发阶段在（Csippa等人，2020年）中有详细记录。我们之前测量的协议和测量量在（Gyürki等人，2022年）中有所介绍。因此，这里仅提供简要概述。

分流器设备的HR由编织结构的几何特征和流速决定。对于编织网结构，最常用的描述符是金属表面积（MSA）和孔隙密度（PD）属性

数值工作流程

整个流程包括几个软件工具。使用3D-DSA血管造影获取颈内动脉血管段的医学图像，并进行了分割（使用3D Slicer）和表面处理程序，具体细节见Csippa等人（2018年）。需要平滑且高质量的表面网格来计算中心线和其他血管特定属性。基于血管表面网格和计算出的中心线，我们的虚拟

测量数据

我们测量了34根空支架管的$$曲线，80根PED支架管和68根P64型支架管。曲线拟合是按管子（对于空测量）和设备配置进行的，以定义34种情景下的压降曲线。温度值在$$' role="presentation">$$和25$$' role="presentation">$$范围内，压降曲线差异通过上述方法进行了考虑。图4中可以看到准备用于模拟的多孔系数，其中超大型情景

总体讨论

近年来，欧盟委员会认识到需要临床适用的数字决策支持工具，并鼓励学术界开发可以转化为临床实践并最终成为设备监管工作流程的解决方案（EDITH：路线图2025（EDITH联盟，2025年））。在动脉瘤治疗决策的背景下，目标是开发经过严格可信度评估的数字工具，符合适用标准

结论

我们展示了如何将HR测量纳入计算机模拟的分流器治疗框架。这里开发的校正方法可以作为未来测量装置开发的基础，并为分流器或其他血管内设备的机械和流动阻力属性的测量程序标准化提供急需的依据。所提出的框架不需要丰富的计算工具或编程经验，只需基本培训。

CRediT作者贡献声明

Levente Sándor：撰写——原始草稿，可视化，验证，软件，研究。Benjamin Csippa：撰写——原始草稿，资源，研究，数据管理，概念化。Gy?rgy Paál：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

GEMINI获得了欧盟Horizon Europe研究和创新计划的资助，授予协议编号为101136438。Levente Sándor及其工作得到了Gedeon Richter Talentum基金会在Gedeon Richter Excellence博士奖学金框架内的支持。我们感谢Digital Government Development and Project Management Ltd.允许我们使用位于匈牙利的Komondor HPC设施。