《Scientific Reports》：CFD-driven optimization and experimental validation of venturi-based thrombectomy devices in a circle of willis
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Willis环的几何结构对机械取栓构成了重大挑战，其中器械的可通行性与有效血栓清除能力决定了治疗成功与否。本研究考察了受文丘里效应启发的抽吸取栓装置在简化脑动脉节段中的性能，该节段代表了中大脑动脉（MCA），这是血管闭塞的常见部位。研究采用计算—实验联合框架评
Willis环的几何结构对机械取栓构成了重大挑战，其中器械的可通行性与有效血栓清除能力决定了治疗成功与否。本研究考察了受文丘里效应启发的抽吸取栓装置在简化脑动脉节段中的性能，该节段代表了中大脑动脉（MCA），这是血管闭塞的常见部位。研究采用计算—实验联合框架评估了5种设计（30°、45°、60°文丘里结构，7/11°锥形结构及圆柱形对照）。在计算方面，研究人员在ANSYS Fluent 19.2中进行了非定常雷诺平均Navier–Stokes（URANS）模拟，并采用k–ε湍流封闭模型。血液—血栓相互作用采用流体体积法（VOF）多相建模，血液流变学则采用Carreau–Yasuda非牛顿流变模型。在体外实验中，利用立体光刻（SLA）制备原型，并在硅胶动脉仿体中结合猪源血栓进行测试。计算流体力学（CFD）预测显示，对照组的提取时间为2.12 s，45°文丘里设计为1.64 s，且当角度超过45°后效率提升趋于平台。实验结果证实了这一趋势，表明45°设计最优，且所有文丘里装置均优于对照组。碎裂分析显示存在权衡关系，60°文丘里设计产生的碎片数量超过30°设计的2倍。上述发现表明，文丘里锥缩几何形态对抽吸效率与碎裂具有关键影响，并确立了CFD—实验整合作为优化下一代取栓装置的基础。
该论文发表于《Scientific Reports》，围绕急性缺血性卒中（ischemic stroke）介入治疗中抽吸取栓器械的优化问题展开，聚焦Willis环这一复杂脑动脉侧支网络中的流体力学与器械性能关系。卒中是全球第二大死亡原因，也是长期残疾的主要来源之一；其中缺血性卒中约占全部卒中的85%。尽管血管内取栓（EVT）显著改善了大血管闭塞（LVO）患者的临床结局，但当前器械仍面临再通失败、血栓碎裂及远端栓塞等问题。对于抽吸取栓而言，导管内径、尖端几何、负压水平、血栓组成以及器械与血栓的相对位置均可影响疗效。与此同时，Willis环及其分支，特别是中大脑动脉（MCA），不仅解剖结构复杂，而且存在显著个体差异，这使器械在真实脑血管环境中的行为更难预测。因此，有必要在生理相关条件下，将计算流体力学（CFD）与体外实验相结合，对新型抽吸取栓几何设计进行系统评估。
针对上述问题，研究人员构建了一个面向文丘里型抽吸取栓装置的计算—实验一体化研究体系，对5种器械设计进行比较，包括3种曲线文丘里角度（30°、45°、60°）、1种直线锥缩设计（7/11°）及1种圆柱形对照设计。研究目标包括：比较不同文丘里几何对流动动力学与血栓提取效率的影响；通过猪源血栓体外模型验证CFD预测结果；评估不同抽吸装置在Willis环代表性中大脑动脉（MCA）闭塞场景中的性能。研究结论表明，45°文丘里设计在提取效率方面表现最优，且在实验条件下兼顾了较快取栓与较少可见碎裂；当锥缩角超过45°后，抽吸效率不再明显提升，但碎裂风险增加。该研究的重要意义在于证明了器械锥缩几何是影响抽吸取栓性能的核心参数，并为下一代取栓器械的理性优化提供了经实验验证的工程学基础。
在技术方法方面，研究主要采用了三类关键手段。其一，使用ANSYS Fluent 19.2开展非定常雷诺平均Navier–Stokes（URANS）数值模拟，并采用标准k–ε湍流模型、流体体积法（VOF）多相模型及Carreau–Yasuda非牛顿血液模型，对血液—血栓相互作用与器械抽吸过程进行计算。其二，建立简化的中大脑动脉（MCA）轴对称模型，统一设置入口脉动速度、出口?30 kPa负压及20 mm血栓闭塞条件，并完成网格无关性验证。其三，制备立体光刻（SLA）3D打印原型，在硅胶脑动脉仿体中以商业来源猪血制备的血栓开展体外试验，每种几何进行10次重复，记录提取时间、再通情况及可见碎裂。
在结果部分，论文首先报告了体外器械性能评价。研究人员通过立体光刻制备原型，在硅胶动脉仿体中以猪源血栓开展10次独立重复实验。结果显示，所有文丘里型设计的平均取栓时间均短于圆柱形对照组。圆柱形对照组平均提取时间为1.57 s；30°文丘里设计在各文丘里方案中最慢，为1.51 s；45°和60°文丘里设计分别为1.20 s和1.25 s，表现最佳；7/11°锥形设计为1.27 s，与60°接近。由此可见，锥缩角增加至45°时抽吸性能明显改善，但进一步增大角度后性能提升有限。重复性分析也支持这一排序关系，说明45°文丘里设计在多次试验中始终保持最高效率，而圆柱形对照始终最慢。
随后，论文给出了碎裂分析结果。研究将碎裂作为体外实验中的定性计数终点，以每次实验后可见残余血栓碎片数进行统计。结果表明，60°文丘里设计产生4个可见碎片，超过30°设计的2倍以上，后者仅产生1个碎片；45°设计亦观察到可见碎裂；而7/11°锥形设计与圆柱形对照组未见可检测碎裂。观察到的残余碎片通常为单个可见小碎片，特征尺寸约1–3 mm。该结果提示，更强的局部抽吸和剪切并不一定带来更理想的综合效果，而可能伴随更高的血栓碎裂风险。
在“抽吸装置的CFD模拟”部分，研究人员基于数值模拟比较了5种设计的取栓性能。CFD预测圆柱形对照组清除血栓所需时间为2.12 s，显著长于全部文丘里设计。30°文丘里设计为1.75 s，是文丘里组中最慢者；45°设计为1.64 s，是全部方案中最快者；60°与7/11°设计分别为1.66 s和1.69 s。数值结果同样表明，45°之后性能改善进入平台期。速度场和体积流量分布进一步说明了不同几何导致的流场差异：文丘里结构在喉部形成收缩加速，并在尖端形成指向血栓的抽吸射流；圆柱形对照缺少收缩段，仅形成较弥散、低速度的流场。60°文丘里虽在喉部形成最集中的高速核心和更明显的局部剪切层发展，但45°设计则在较强核心速度与较受限扰动区之间实现了更优平衡。30°设计加速较弱，7/11°设计则在文丘里类方案中产生最低的射流强度。研究据此认为，增大锥缩角可增强局部抽吸与射流速度，但45°以后收益递减。
在“CFD的实验验证”部分，论文直接比较了数值预测与体外实验的取栓时间。两种方法均一致识别出圆柱形对照组最慢、45°文丘里设计最优。虽然CFD在绝对数值上系统性高估了提取时间，例如45°设计为1.64 s，而实验值为1.20 s，但各设计之间的相对排序及45°后的平台趋势完全一致。研究人员指出，偏差可能来源于若干简化假设，包括数值模型采用刚性血管壁、理想化血栓流变学及恒定负压边界条件，而实验系统存在硅胶管顺应性、真空泵动态波动及真实猪血栓的异质性。尽管如此，数值与实验在趋势上的吻合仍支持该CFD框架可用于器械的比较性评价。
在讨论部分，研究人员首先总结了主要发现及其验证意义。论文强调，CFD与实验同时支持45°文丘里设计为最有效方案，说明联合方法在器械筛选中具有可信度。研究进一步从流体力学角度解释文丘里性能差异：收缩喉部根据连续性方程导致流速升高，根据Bernoulli原理引起静压降低，从而增强对血栓界面的抽吸负载。45°文丘里之所以表现最佳，在于其既能提供较强的喉部加速和压力降低，又能形成相对稳定、指向血栓的抽吸射流。相比之下，60°设计虽然速度更高、喉部压力更低，但其尖端附近出现更集中的扰动流动区域和更强局部剪切，这与实验中较高碎裂倾向相呼应，不过论文明确指出，碎裂趋势是由体外实验建立，而非CFD直接预测。7/11°设计虽然流动更平顺，但射流较弱，因此取栓较慢；圆柱形对照则因缺乏收缩段而无法形成同等程度的加速和降压效应。
论文还从脑血流动力学背景讨论了湍流与非牛顿效应的意义。虽然本研究使用的URANS与k–ε模型无法直接解析湍流能谱，但计算结果显示在脉动抽吸条件下存在局部扰动与剪切层发展。作者将这些现象置于既往脑动脉复杂非定常流动研究背景下进行解释，但并未将非经典湍流作为血栓脱离的直接证据。研究更强调，决定本研究中取栓性能的主要因素仍是平均抽吸速度、Bernoulli驱动的压降以及血栓—流体界面的局部流体动力载荷。
在临床和生理学意义方面，论文指出中大脑动脉（MCA）是急性缺血性卒中中最常见的闭塞部位之一，因此器械能否在该部位实现快速、完整且低碎裂的取栓具有直接临床价值。研究结果提示，45°文丘里抽吸导管在抽吸效率与血栓完整性之间实现了最有利平衡，这对于缩短再通时间、减少远端栓塞风险具有潜在意义。同时，研究也表明器械设计优化不能仅追求更高峰值速度，而应综合考虑喉部加速、尖端局部剪切及下游流动稳定性。
研究结论部分可概括为：本研究通过CFD与体外实验相结合，系统评估了文丘里型抽吸取栓装置在简化脑动脉模型中的性能。两种方法均一致表明，45°文丘里设计在血栓提取效率方面最优；体外实验进一步显示，更大的文丘里角度与更高的可见碎裂相关。因此，在本研究测试条件下，45°设计在快速提取与有限可见碎裂之间提供了最佳实验平衡。尽管CFD对绝对提取时间存在系统性高估，但其对设计排序和性能趋势的准确再现验证了该计算框架可用于器械比较研究。总体而言，论文证明了锥缩几何对抽吸性能具有决定性影响，并显示计算—实验联合框架对于取栓器械优化具有重要价值。
