[论文解读] Fluid-structure interaction modelling and stabilisation of a patient-specific arteriovenous access fistula

W. P. Guess, B.D. Reddy+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2017

Central Venous Catheters and Hemodialysis参考文献 35被引用 8

一句话总结

本研究基于相位对比MRI数据，采用ANSYS Workbench中的半隐式交错耦合算法，结合有限体积法与有限元法，构建了患者特异性动静脉瘘血流-结构相互作用（FSI）模型。该模型成功捕捉到与瘘管失效相关的血流再循环及壁面剪切应力分布模式，通过稳定化技术克服了附加质量效应，提升了计算效率。

ABSTRACT

A patient-specific fluid-structure interaction (FSI) model of a phase-contrast magnetic resonance angiography (PC-MRA) imaged arteriovenous fistula is presented. The numerical model is developed and simulated using a commercial multiphysics simulation package where a semi-implicit FSI coupling scheme combines a finite volume method blood flow model and a finite element method vessel wall model. A pulsatile mass-flow boundary condition is prescribed at the artery inlet of the model, and a three-element Windkessel model at the artery and vein outlets. The FSI model is freely available for analysis and extension. This work shows the effectiveness of combining a number of stabilisation techniques to simultaneously overcome the added-mass effect and optimise the efficiency of the overall model. The PC-MRA data, fluid model, and FSI model results show almost identical flow features in the fistula; this applies in particular to a flow recirculation region in the vein that could potentially lead to fistula failure.

研究动机与目标

• 利用临床MRI数据，开发一种患者特异性的动静脉瘘血流-结构相互作用（FSI）模型。
• 通过针对性的稳定化技术，解决FSI模拟中的数值不稳定性问题，特别是附加质量效应。
• 将FSI模型与相位对比MRI（PC-MRA）血流动力学数据及纯流体模型进行验证。
• 评估预应力对血管通路FSI模拟中速度与壁面剪切应力（WSS）预测的影响。
• 为后续关于瘘管成熟与失效机制的研究，提供一个免费可获取的验证后FSI模型。

提出的方法

• 在ANSYS Workbench中实现了一种半隐式交错FSI耦合算法，结合ANSYS Fluent（采用有限体积法模拟血流）与ANSYS Mechanical（采用有限元法模拟血管壁）。
• 在动脉入口施加脉动质量流量边界条件，并在动脉与静脉出口采用三元件Windkessel模型，以模拟下游血流动力学。
• 采用基于弹簧刚度的Robin边界条件，模拟周围组织的机械支撑作用，从而在不过度约束系统的情况下降低模型复杂度。
• 血管壁被建模为具有空间变化厚度的不可压缩各向同性超弹性材料，采用增强假设应变固体力学单元以提升计算效率与精度。
• 对固体域实施预应力处理，以防止壁面过度变形，并改善速度与WSS的预测精度。
• 在迭代流体求解器中集成了解决方案阻尼技术，包括边界传递渐变与FSI边界稳定化，以增强稳定性并降低计算成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何基于相位对比MRI数据与多物理场仿真软件，准确构建患者特异性的动静脉瘘FSI模型？
• RQ2 在血管通路脉动血流的FSI模拟中，哪些稳定化技术最有效地缓解附加质量效应？
• RQ3 对血管壁模型施加预应力如何影响FSI模拟中预测的速度与壁面剪切应力分布的准确性？
• RQ4 FSI模型与纯流体模型在在多大程度上能复现PC-MRA数据中观察到的血流动力学特征，特别是血流再循环？
• RQ5 是否可通过简化边界条件（如基于弹簧刚度的Robin型边界条件）有效表征周围组织的支撑作用，同时降低计算成本？

主要发现

• FSI模型成功再现了PC-MRA数据中观察到的关键血流动力学特征，包括静脉中可能促进内膜增生与瘘管失效的血流再循环区域。
• 在FSI模型中引入预应力对防止壁面过度变形、确保速度与壁面剪切应力（WSS）分布预测的准确性至关重要。
• 在流体求解器中结合使用边界传递渐变与FSI边界稳定化技术，有效缓解了数值不稳定性，提升了收敛性，且未显著增加计算成本。
• 在血管壁采用基于弹簧刚度的Robin边界条件，能有效近似周围组织的支撑作用，减少了模型规模与计算开销，同时保持了预测精度。
• 尽管模型假设存在差异，FSI模型与纯流体模型均预测出相似的血流特征，包括再循环区，表明在适当稳定化条件下，血流动力学预测具有鲁棒性。
• 经验证的FSI模型已通过Zenodo免费提供，为未来关于血管通路成熟、失效机制及干预规划的研究奠定了基础。