近期，我院张雪岚教授团队与国家心血管病中心、中国医学科学院阜外医院舒畅教授、罗明尧教授于Physics of Fluids发表题为Rupture prediction of medium to large-sized abdominal aortic aneurysm combining wall shear stress-related parameters and anatomical characteristics: A computational, experimental, and statistical analysis的文章，针对直径超过50 mm的AAA进行研究，结合数值计算、体外实验和统计学手段获取解剖学和血流动力学特征，建立破裂预测模型。
该研究利用82例AAA患者的CT图像进行几何重建和计算流体力学（CFD）模拟，其中破裂型和稳定型AAA各41例，直径均达到或超过50 mm，获取其形态学和血流动力学参数。课题组同时搭建了体外循环粒子图像测速（PIV）实验平台，以验证CFD的结果。AAA时均壁面剪切力（TAWSS）低、髂总动脉（CIA）最大直径小、AAA振荡剪切指数（OSI）高、髂动脉TAWSS和腹主动脉扭曲度大，均会增加AAA的破裂风险。研究结合这些变量建立了精度较高的预测模型，曲线下面积（AUC）高达 0.978。该研究结果有助于准确预测中大直径AAAs的破裂并改善其管理，进一步证明了形态学和血流动力学的结合在临床实践中的潜在价值和应用前景。
图一、文章摘要图
图二展示了形态学和血流动力学参数的获取流程：基于医学图像重建AAA几何，通过计算中心线获取形态学参数；对血管几何进行一定程度的光滑和网格划分，并赋予边界条件，从而对AAA内血液流动进行数值模拟，获取血流动力学参数。
图二、本研究中形态学和血流动力学参数的获取流程
图三展示了体外实验平台和与CFD的结果对比。采用透明硅胶打印AAA的体外模型，并放置在装满甘油-水溶液的有机玻璃槽中，以减少模型结构和材料对激光折射和PIV摄影的影响。体外循环回路应用Simuheart来控制脉动泵，从而模拟心脏跳动；通过调节阻力阀和顺应腔的气水比来控制脉动流量和压力以及外周血管的阻力，直到压力传感器测量的压力波形符合CFD压力；采用甘油和水的混合物（40/60体积比）模拟人体血液。PIV系统采用波长为532 nm的双脉冲Nd：YAG激光器射出厚度为1 mm的光源，照亮流场；将5μm的示踪粒子加入到工作液中，并用空间分辨率为3380×2710 pixel2的CCD相机捕获；采用互相关算法推导出位移向量。将实验曲线和CFD曲线进行对比，CFD结果在实验测量的不确定度范围内误差不超过7%，因此，CFD结果可用于统计分析。
图三、体外循环（A）和PIV（B）实验平台示意图以及实验结果与CFD结果的对比图（C）
表一展示了建模组中破裂与未破裂AAA的形态学和血流动力学参数的对比。在形态学方面，AAA破裂患者的瘤颈长度较短，腹主动脉扭曲度更大，CIA最大直径更小。血流动力学方面，破裂AAA的TAWSS显著低于未破裂AAA患者，AAA的OSI和相对停滞时间（RRT）以及髂动脉的TAWSS显著高于未破裂AAA患者。从图四所示的AAA上的TAWSS分布也可以看出，破裂AAA患者的TAWSS明显较低。
表一、建模组破裂与未破裂AAA患者的形态学和血流动力学参数比较
图四、建模组中AAA上的TAWSS分布
在单变量回归分析（表二）中，瘤颈长度、腹主动脉扭曲度、CIA最大直径、AAA的TAWSS和RRT以及IA的TAWSS均与AAA破裂显著相关。作为阻碍AAA破裂的保护因素，AAA的TAWSS预测能力大于CIA最大直径和颈部长度两个形态参数。总体而言，血流动力学指标比形态学指标对AAA破裂具有更大的独立预测能力。在多变量分析中，腹主动脉扭曲度、CIA的最大直径和AAA的TAWSS均具有显著性，血管外科医生可以基于上述指标来协助判断破裂风险。
表二、建模组破裂和未破裂AAA患者的单变量和多变量logistic分析
图五展示了3个预测模型的建立和评估。模型1仅由形态学变量组成，而模型2仅由血流动力学变量组成，模型3基于模型1和模型2中的变量建立。模型1和模型3中腹主动脉扭曲度均显著，在模型2和模型3中，AAA的TAWSS对AAA破裂均有显著的保护作用。模型1的预测能力最低，而结合了形态学和血流动力学变量的模型3的AUC最高，达0.978，预测能力显著高于以往基于基线特征和解剖学特征的AAA破裂预测模型，提示本研究建立的兼顾形态学和血流动力学变量的预测模型更具临床应用前景。
图五、3个预测模型的建立和评估
本研究基于数值模拟、体外实验和统计等多学科交叉方法，建立了直径大于50 mm的AAA破裂预测模型，并探讨不同直径区间AAA的破裂预测因子。研究结果为不同直径区间的AAA制定更加个性化和精确的治疗方案提供了理论基础。
张雪岚，博士，北京科技大学数理学院副教授。从事数学、流体力学与医学领域的交叉研究，重点围绕“主动脉疾病的风险评估和治疗方案的优化”，聚焦主动脉瘤、主动脉夹层等心血管疾病的成因及手术方案优化，为个性化诊疗奠定理论基础。研究手段包括：理论建模、数值模拟、图像分割、体外循环实验、深度学习等。以第一作者/通讯作者发表SCI论文 24 篇（中科院 Top 1 区 9 篇，2 区 8 篇）；授权国家发明专利 1 项、公开专利 1 项；主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后基金面上等项目。
