《Computational and Theoretical Chemistry》：In Silico Assessment of Aortic Hemodynamic Sensitivity to Inlet Boundary Conditions: Comparative Analysis of 4D MRI, Patient-Specific, and Modified Generic Waveforms
编辑推荐：
本研究评估了五种血流动力学指标对胸主动脉入口边界条件的选择敏感性，使用六名患者的4D MRI数据，比较了真实数据、患者特异性波形和两种通用波形（统计推导的S3和单个患者提取的S4）的CFD模拟结果。发现升主动脉需要完整时空数据（误差>100%），而降主动脉对通用波形更鲁棒（S3误差<25%），但敏感指标如RRT仍需患者数据。建议开发基于大样本的统计波形提升CFD应用。
法尔沙德·塔杰迪尼（Farshad Tajeddini）|黄玉璇（Yu Xuan Huang）|大卫·A·罗梅罗（David A. Romero）|钟珍妮（Jennifer C.Y. Chung）|克里斯蒂娜·H·阿蒙（Cristina H. Amon）
多伦多大学机械与工业工程系，加拿大安大略省多伦多市
摘要
背景
在计算流体动力学（CFD）模拟中，使用通用波形作为入口边界条件（BCs）可以大大扩展CFD的应用范围，使其不再局限于少数拥有患者特定4D MRI数据集的情况。然而，这种方法的有效性尚未得到充分研究。
方法
本研究评估了胸主动脉中五个血流动力学指标——时间平均壁面剪切应力（TAWSS）、振荡剪切指数（OSI）、相对驻留时间（RRT）、交叉流指数（CFI）和标准化拓扑剪切变化指数（normalized_TSVI）——对入口边界条件选择的敏感性。模拟使用了六名患有主动脉根部动脉瘤的患者的数据，分别采用四种不同的入口条件：时空4D MRI数据（S1）、患者特定的流动波形（S2）以及两种改进的通用波形（S3和S4），其中S3是通过统计方法得出的，而S4则来自同一患者。血流动力学指标在节点分辨率下进行分析，并沿主动脉以5毫米间隔进行周向平均。
结果
在升主动脉（AA）中，准确的模拟需要完整的时空入口分辨率（节点误差超过100%，周向误差超过40%）。相比之下，降主动脉（DA）对入口边界条件的敏感性较低。在没有4D MRI数据的情况下，S2是最可靠的替代方案。在通用波形中，通过统计方法得出的S3在DA中的表现始终优于S4。使用S3时，TAWSS和OSI的数值在节点和周向上都保持在4D MRI值的25%以内。RRT的敏感性适中：区域数值尚可接受，但节点和周向误差分别超过了100%和30%，尤其是在近端DA区域。CFI和标准化TSVI对入口条件非常敏感，在没有4D MRI数据的情况下无法可靠使用。
结论
在升主动脉中，完整的时空入口分辨率对于准确的CFD模拟至关重要。在降主动脉中，像S3这样的统计推导出的通用波形为评估TAWSS和OSI等稳健指标提供了实用的选择。然而，对于RRT、CFI和TSVI等敏感指标，仍然需要患者特定的数据。我们建议使用更大的数据集来开发类似S3的波形，以进一步提高在没有4D MRI数据情况下CFD的准确性和临床实用性。
部分摘录
引言
计算流体动力学（CFD）模拟是理解胸主动脉及其相关病理（包括动脉瘤、主动脉缩窄和夹层）复杂血流动力学的有效工具[[1], [2], [3], [4]]。通过提供血流动力学的见解，CFD有助于识别用于风险评估和治疗效果评估的替代生物标志物。例如，升高的时间平均壁面剪切应力（TAWSS）已被证实与这些病理相关。
数据采集
本研究关注六名患有主动脉根部动脉瘤（ARA）的患者（P1-P6），这些患者的4D MRI扫描结果已获得（REB批准号16-6285）（图1 A和图1 B）。所有患者都具有三尖瓣主动脉瓣，并表现出轻度主动脉反流（AR）。MRI扫描使用3特斯拉扫描仪（Biograph mMR，西门子医疗）进行，其中门控磁共振血管造影捕捉主动脉的几何结构，4D流动相位对比MRI序列测量主动脉内的血流。
心输出量
如表1所示，对于P1-P6患者，使用人体测量数据估算的心输出量（CO）与实际CO值相比存在9.87 ± 9.20%的偏差。值得注意的是，P3和P5的误差高于其他患者，这可能是由于血流逆流、峰值速度超出预期，或者软件在捕捉舒张期血流时的能力存在潜在不准确所致[36]。
速度场和流线
图3展示了两个案例的时间平均速度场（TAVF）
讨论
如果能够将通用波形作为患者特定主动脉几何形状的CFD模拟的入口边界条件，将大大扩展CFD建模的应用范围，超越那些预先收集的少数具有4D MRI数据的研究案例。将这一有价值的工具应用于大量回顾性收集的主动脉成像数据，将有助于我们更好地理解生物力学触发因素。
结论
本研究系统地评估了不同入口边界条件对CFD预测胸主动脉血流动力学的影响，旨在挖掘在没有患者特定速度数据的情况下回顾性收集的成像数据的潜力。我们的研究结果表明，来自4D MRI的完整时空入口剖面对于准确模拟以复杂次级流动结构为主的升主动脉至关重要。在降主动脉中，模拟结果更为稳健。
伦理声明
本研究已获得多伦多大学健康网络研究伦理委员会的批准（批准号16-6285，2017年7月27日），所有参与者均提供了书面知情同意书。
作者贡献声明
法尔沙德·塔杰迪尼（Farshad Tajeddini）：撰写——初稿、可视化、验证、软件开发、方法论、正式分析、数据整理。
黄玉璇（Yu Xuan Huang）：撰写——审阅与编辑、软件开发、方法论、正式分析。
大卫·A·罗梅罗（David A. Romero）：撰写——审阅与编辑、项目管理、概念构思。
钟珍妮（Jennifer C.Y. Chung）：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金申请、概念构思。
克里斯蒂娜·H·阿蒙（Cristina H. Amon）：撰写——审阅与编辑。
