高强度聚焦超声热疗抑制支架内再狭窄的血流动力学与传热特性数值分析

　　本研究针对股动脉支架植入术后再狭窄问题，通过建立声-热-流-力多场耦合模型，系统探究了高强度聚焦超声(HIFU)热疗中换能器曲率半径、声辐射角θ和振幅等参数对靶区温度分布及血流动力学的影响。结果表明：90°垂直辐照时血管升温达27.49 K，但支架附近时均壁面剪切应力(TAWSS)最大降低18.64%，提示需平衡热疗效果与血栓风险。该研究为优化HIFU参数以抑制再狭窄提供了重要理论依据。

　　

心血管疾病是全球首要死因，其中动脉粥样硬化导致的股动脉狭窄常需支架植入治疗。然而临床数据显示，5%-30%患者术后半年内会发生支架内再狭窄(ISR)，主要源于血管内皮损伤引发的内膜增生。传统药物涂层支架虽能降低ISR发生率，但存在晚期血栓风险。近年来，高强度聚焦超声(HIFU)热疗因其非侵入、精准控温等优势，被证实42-50°C温和加热可有效抑制内膜增生，但治疗过程中血流动力学改变与热传导的交互机制尚不明确，这直接关系到疗效与安全性。

为解决这一关键问题，中国某高校研究团队在《Journal of Thermal Biology》发表研究，通过CT重建血管三维几何结构，建立首个考虑声流效应(Acoustic streaming)和流固耦合的声-热-流-力多物理场模型。研究创新性地量化了换能器曲率半径、声辐射角θ（定义为HIFU中心轴与血管纵轴夹角）和振动幅度对靶区温度场及壁面剪切应力(WSS)的影响。

关键技术包括：基于DICOM格式CT扫描（256×256像素，1mm层厚）的血管三维重建；采用有限元法求解包含非线性声波传播、生物热传递和Navier-Stokes方程的耦合模型；引入局部热非平衡假设模拟组织-血液传热；通过声压级(SPL)和声强分布评估能量沉积特性。

几何重建与支架部署
通过Mimics软件重建股动脉分叉结构（含髂外动脉EIA、股总动脉CFA和股深动脉DFA），支架采用开环单元设计。该模型精确再现了临床支架植入后的血管解剖特征。

不同振幅下的声场特性
研究发现HIFU可穿透>3cm皮下组织，在血管处形成14.5×5mm椭圆形焦域。振幅增至5μm时，焦域声压达1.2MPa，功率沉积提升3.8倍，证实振幅是调控能量密度的关键参数。

讨论
研究揭示三个重要现象：首先，θ=90°时垂直辐照使血管壁温度在4秒内速升至治疗阈值（ΔT_max
=27.49K），但导致支架支柱附近TAWSS最大降低18.64%，这可能与声流效应改变血流剖面有关；其次，增大曲率半径虽使温度分布更均匀（温差缩小32%），但会降低外壁能量密度；最后，振幅提升虽增强热疗效果，但需警惕低WSS引发的血小板激活风险。

结论
该研究首次阐明HIFU热疗中"热效应-血流扰动"的拮抗关系，提出曲率半径与θ/振幅的协同优化策略：采用较大曲率半径（改善温度均匀性）配合适度增加θ或振幅（补偿能量密度）。这为临床制定个体化HIFU方案提供了量化依据，既能有效抑制ISR，又可降低血栓形成风险。研究建立的跨尺度多场耦合模型，为后续探索其他超声介入治疗的血流动力学效应奠定了方法学基础。