当被诊断出患有末期肾脏疾病（ESRD）时，一种永久性肾衰竭的形式，患者必须进行透析才能替代肾脏的血液清洁功能。透析需要血管进入，这是清除，纯净并返回患者血管系统的过程。但是，提供访问权限的当前方法遭受高失败率的影响。将CFD模拟与形状优化技术相结合，为更好地理解和预测这种失败提供了一种方法。
用透析治疗终末期肾脏疾病
肾脏通过帮助清除血液中多余的废物和液体来发挥重要作用。当永久性肾脏衰竭被称为晚期肾脏疾病（ESRD）这些器官停止在日常生活所必需的水平上发挥作用。为了取代健康肾脏的功能，患者保持透析。这种治疗形式涉及将患者的血液通过清洁血液的机器转移，然后再循环回到体内。
为了进行透析，需要血管通道。提供血管通道的最常见方法是动静脉瘘（AVF），这是在手臂中进行的血管的动脉和静脉侧之间的直接手术连接。还在使用的另一种血管进入的形式是肱瘘（BCF），涉及将臂动脉与肘部附近的头静脉连接起来。
血管入口的血液动力学后果
BCF经常遇到由于新静脉增生（NH）和最终在静脉的狭窄而引起的高失败率。头弓。这是由于瘘管产生后通过头静脉的血流量急剧增加而引起的 - 速率比正常生理水平高的数量级。
NH的发作是头静脉试图改变其形状，以减轻放置瘘管后较高血流的影响。NH尤其是对低壁剪应力（WSS）的生理反应，该反应是由于再循环区域的发生而在头静脉弯曲部分内发生的。但是，无法适应极端的血液动力学条件，通常发生狭窄。狭窄会导致血栓形成和/或BCF无法为继续透析提供足够的通道。
顶部：健康的容器墙。底部：带有NH的容器墙。
结合临床研究和模拟以分析慢性血液透析中的血管访问衰竭
为了调查BCF失败背后的机制并开发了改善临床结果的方法，伊利诺伊理工学院的机械工程师正在与芝加哥大学医学中心的临床医生合作。在临床上获得了特定于患者的数据，并在COMSOL多物理学中开发了相关的几何和CFD模型。
在血管通道手术后的各个间隔中，团队记录并处理100多名患者中每种患者的静脉变形和血液动力学。CFD结果提供了详细的患者特异性血液动力学数据，用于解释通过头弓的高流速对高流量的影响，特别注意WSS区域的发作，而WSS区域低于正常的生理价值。
团队伴侣使用CFD模块进行优化，以测试低WSS导致NH和狭窄导致几何变化的假设。这种方法还使他们避免必须实施能够实现此类过程的基本生化因素的第一原理模型。目的是确定最接近将WSS值带回正常生理范围内的WSS值最接近的血管形状，从而模仿人体通过NH进行的尝试。下图描述了特定患者的CFD结果，其中标记为红色的血管壁区域是WSS低于正常生理范围的患者，因此受到NH的敏感。
血管访问手术后实际患者特异性流场的仿真结果。此处显示的间隔是手术后12个月。
叠加在低WSS分布上的流函数图。
此外，研究人员正在耦合Bobyqa，这是一种无梯度的优化方法，与CFD模块一起发展，以发展血管的形状，以此将WSS沿着墙壁重新分配并重新分配给血液流量回到一个WSS的形状。正常生理范围。通过这种耦合，他们试图预测针对患者特异性几何形状的头静脉形状的演变，重点是最终结果。与临床数据相比，事实证明，它们的结果在对静脉的有利和不利适应性的预测中是准确的。这证明，从地形的角度来看，当考虑正确的成本功能和约束时，血管形状的优化可以捕获由血液动力学因素驱动的脉管系统的变形。
耦合的CFD和形状优化预测。
实际失败的血管访问与患者特异性预测的结果相匹配。对于该患者，静脉拱门的狭窄变形很明显。
研究结果是在VI国际计算生物工程会议上提出的，68Th去年秋天，美国物理学会的流体动力学会议年度分会，有助于创建一个预测血管通道失败并做出特定于患者的决定的框架。它为修改当前的血管通道技术提供了新的潜力，以增强其功能，在此过程中，还可以提高ESRD患者的预期寿命。
编辑在16年10月26日的注释：研究小组的成员Javid Mahmoudzadeh在去年八月的一次活动中主持了有关该模拟研究的演讲。你可以在这里观看他的演讲。
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