[论文解读] A one-dimensional model for aspiration therapy in blood vessels

Michaël Herty, Niklas Kolbe+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Gastric Cancer Management and Outcomes被引用 2

一句话总结

本文提出了一种一维双曲模型，用于模拟脑血管内吸引血栓切除术中的血流动力学，通过在导管尖端使用基于松弛的黎曼求解器，耦合血管与导管内的流体动力学。该模型捕捉了因负压引起的血流反向、压降及血管狭窄现象，表明更大的导管尺寸和更强的负压会加剧血流动力学扰动；数值结果展示了在临床负压条件下，闭塞情形下压力波的传播与血流减少。

ABSTRACT

Aspiration thrombectomy is a treatment option for ischemic stroke due to occlusions in large vessels. During the therapy a device is inserted into the vessel and suction is applied. A new one-dimensional model is introduced that is capable of simulating this procedure while accounting for the fluid-structure interactions in blood flow. To solve the coupling problem at the tip of the device a problem-suited Riemann solver is constructed based on relaxation of the hyperbolic model. Numerical experiments investigating the role of the catheter size and the suction forces are presented.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效的单向度模型，用于吸引血栓切除术，以捕捉血管内流体-结构相互作用。
• 解决导管尖端处血管与导管内相反流向交汇的复杂耦合问题。
• 研究导管尺寸与负压强度对血流动力学变化（如血流反向、压降及血管狭窄）的影响。
• 通过基于松弛的黎曼求解器，为双曲PDE系统中的界面耦合提供数值稳定框架。
• 实现在临床应用前对血管内介入策略进行计算机模拟测试。

提出的方法

• 为带有刚性导管的血管内血流建立一维双曲系统，基于血管弹性构建压力定律，结合质量与动量守恒。
• 通过无粘Burgers方程建模导管内流动，使其与血管内流动方程解耦。
• 在导管-血管界面引入松弛系统以处理耦合，包含辅助变量与松弛率ε。
• 基于松弛构造特定问题的黎曼求解器，确保界面处面积与质量通量连续性。
• 采用带有自适应CFL条件及基于特征的波速估计的有限体积格式，以保证稳定性和精度。
• 实施不同导管半径与负压速度下的数值实验，分析血流动力学响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 导管插入对一维血管模型中压力、血流量及血管横截面积有何影响？
• RQ2 导管尺寸如何影响吸引过程中压力波传播与血流反向？
• RQ3 不同负压强度如何影响导管尖端的压降与血管狭窄？
• RQ4 基于松弛的黎曼求解器能否准确且稳定地耦合导管段与自由血流段的双曲系统？
• RQ5 该一维模型在存在闭塞的情况下，能在多大程度上再现临床相关的血流动力学现象，如血流反向与波反射？

主要发现

• 导管插入引发压力的前向传播冲击波与血流的后向传播稀疏波，导致血管横截面积减小与血流量下降。
• 更大的导管半径（0.25 cm vs. 0.1 cm）显著增强压降与血流量减少效应，血管横截面积的狭窄更加明显。
• 强负压（w = -10,000 cm/s）导致血流反向，因净血流量为负，在导管尖端形成“K形”最小值。
• 模型成功捕捉到远端闭塞情况下的波反射与持续高压期，压力最高达1×10⁵ dyne/cm²。
• 以w = -1,000 cm/s进行吸引可缩短闭塞血管中高压阶段的持续时间，表明在减轻血流动力学应激方面具有潜在治疗优势。
• 基于松弛的黎曼求解器确保了在强负压与显著面积不连续情况下的界面耦合稳定性与收敛性。