[论文解读] Multi-Constituent Simulation of Thrombus Deposition

Wei‐Tao Wu, Megan A. Jamiolkowski+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2016

Blood properties and coagulation参考文献 74被引用 3

一句话总结

本文提出了一种多组分计算模型，通过在流体-固体混合物中耦合10种生物和化学物质的对流-反应-扩散方程，模拟血管和微通道中的血栓形成。该模型在体内和体外设置中均能准确预测血栓生长，其空间和时间模式与实验数据高度一致，为设计血栓形成性更低的医疗器械提供了预测工具。

ABSTRACT

In this paper, we present a spatio-temporal mathematical model for simulating the formation and growth of a thrombus. Blood is treated as a multi-constituent mixture comprised of a linear fluid phase and a thrombus (solid) phase. The transport and reactions of 10 chemical and biological species are incorporated using a system of coupled convection-reaction-diffusion (CRD) equations to represent three processes in thrombus formation: initiation, propagation and stabilization. Computational fluid dynamic (CFD) simulations using the libraries of OpenFOAM were performed for two illustrative benchmark problems: in vivo thrombus growth in an injured blood vessel and in vitro thrombus deposition in micro-channels (1.5mm x 1.6mm x 0.1mm) with small crevices (125μm x 75μm and 125μm x 137μm). For both problems, the simulated thrombus deposition agreed very well with experimental observations, both spatially and temporally. Based on the success with these two benchmark problems, which have very different flow conditions and biological environments, we believe that the current model will provide useful insight into the genesis of thrombosis in blood-wetted devices, and provide a tool for the design of less thrombogenic devices.

研究动机与目标

• 开发一个时空数学模型以模拟血栓形成过程，涵盖启动、扩展和稳定化阶段。
• 在复杂的血流动力学环境中模拟血栓在真实生物和流体动力学条件下的沉积。
• 通过体内血管损伤和体外微通道配置的实验数据验证该模型。
• 为评估血流接触型医疗器械的血栓形成潜力提供一个预测性框架。
• 在一个计算框架中整合多组分流体动力学与生化反应网络。

提出的方法

• 将血液建模为两相混合物：线性黏性流体相和固体血栓相。
• 为关键凝血因子和细胞组分建立10个耦合的对流-反应-扩散（CRD）方程系统。
• 使用OpenFOAM计算流体动力学库求解复杂几何结构中的控制方程。
• 引入凝血酶生成、血小板活化和纤维蛋白形成的生化反应，以表征血栓的启动、扩展和稳定化过程。
• 模拟两个基准案例：受损血管中的血栓生长，以及具有微小凹槽的微通道中的血栓沉积。
• 基于实验数据应用真实边条件和初始浓度，以确保生理相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 多组分CFD模型在复杂流动环境中对血栓形成时空演化的预测精度如何？
• RQ2 包含10种生化物质在多大程度上提升了血栓生长模拟的预测能力？
• RQ3 该模型能否在体内和体外环境中重现实验观察到的血栓形态和生长动力学？
• RQ4 不同的血流动力学条件和几何特征如何影响血栓沉积模式？
• RQ5 该模型能否作为评估血流接触型医疗器械血栓形成潜力的可靠工具？

主要发现

• 该模型成功预测了受损血管中的血栓沉积模式，其空间分布和时间进程与实验观察高度一致。
• 在125 µm × 75 µm和125 µm × 137 µm凹槽的微通道模拟中，模型以高保真度重现了实验观察到的血栓生长和形态。
• 在不同流速条件下，模拟的血栓生长速率和最终尺寸与体外实验数据在定量上保持一致。
• 通过CRD系统中10种生化物质的动态相互作用，模型成功捕捉了从启动到稳定化阶段的转变过程。
• 模拟与实验结果在两种截然不同的流动和生物环境中均表现出稳健的一致性，验证了该模型的普适性。
• 结果表明，该模型可通过预先预测血栓形成风险，用于指导设计血栓形成性更低的医疗器械。