作者：阿曼达·兰德尔 2025年8月11日
几十年前，微创技术在冠状动脉疾病（CAD）诊断和治疗中的应用，曾为心脏病专家和患者带来重大突破。如今，一种同样有效的无创诊断技术问世，标志着医学领域再次取得重大进展。
我们的研究正借助尖端数字孪生技术和高级计算模型，彻底改变冠状动脉疾病的诊断方式——这是最常见的心脏病类型。
数字孪生与超级计算机提供解剖洞察，而非依赖造影剂与导丝
在我实验室开展的研究帮助开发了患者专属的数字孪生模型，可精确模拟个体血流动力学特征，使临床医生能够无创评估冠状动脉疾病的严重程度并指导治疗决策。重要的是，这种数字孪生方法在诊断CAD及其对血流影响的准确性方面，已达到传统有创检测方法的水平。
这些突破性模型由兰德尔实验室成员历经多年开发，并与布莱根妇女医院、加州大学圣地亚哥分校、加州大学丹佛分校，以及杜克健康中心的舒勒·琼斯医生、马内什·R·帕特尔医生和斯里坎斯·韦穆拉帕利医生合作验证。其中，玛杜丽玛·瓦德汉和赛勒斯·塔纳德主导了大规模多中心研究，将无创检测与有创导丝测量的金标准进行对比验证。
无导管诊断：为心脏病专家提供精确数据
每当心脏病专家使用微创导管工具进入患者冠状动脉时，都会造成一定的术后恢复期和轻微并发症风险。我们开发的无创技术不仅能让患者免于接受侵入性检查，还为出血性疾病、未控制感染、重度肾病或造影剂过敏等特定患者群体提供了必要的诊断选择。
数字模型对希望评估冠状动脉疾病的医生而言同样具有重要价值，因为它能即时提供全部血流信息——这一点在心肌梗死等心血管紧急情况下尤为关键。当医生面对多处狭窄、斑块堆积的冠状动脉时，判断需要治疗的阻塞部位往往充满挑战。传统方法是通过血管造影术配合造影剂注射或导丝插入，测量阻塞部位的压力下降。而我们通过高通量计算方法，能够无创预测这些压力变化，检测血流对血管壁的摩擦力（与疾病进展相关的生物力学指标）和血管薄弱区域，从而实现更精准的临床决策。
哈佛-FFR框架奠定技术基础
我们的扩展现实血流储备分数（FFR）哈佛框架，以临床测量数据和超级计算机数百万次哈维模拟为基础，实现实时血流动力学建模。该框架能重建患者独特的三维心血管解剖结构，证明无需使用有创导丝即可精准计算FFR值——这是当前临床诊断的金标准。
特别值得注意的是，FFR-哈佛框架能够识别新生物标记物「涡旋度」（流体旋转强度）。当治疗方案存在不确定性时，这项指标能帮助医生判断哪些患者和阻塞部位需要干预。该技术将二维血管造影信息转化为三维血流模型，可数字重建冠状动脉中的血流过程，还能识别其他工具难以检测的复杂斑块区域、常被忽视的侧支血管以及患者特定的三维解剖特征。由于FFR-哈佛能在大至主动脉、小至毛细血管的范围内精准模拟血流动力学，使心血管诊断更精准、实用且易于临床应用。该流程在评估冠状动脉中的复杂和连续病变方面尤其有效——现有计算工具通常无法分析这类病变。
该技术已在布莱根妇女医院和杜克健康中心160余名患者中完成临床验证，包含三年随访数据。这些框架和模型正在帮助临床医生：
- 更全面地评估心血管疾病
- 更准确地诊断病情
- 基于更详尽的患者数据选择治疗方案
- 深入理解每位患者的独特心血管状况
我们团队还开发了一维血流模型，沿单轴解析血流动力学。这些模型同样能准确还原FFR值和传统有创测量结果。通过一维模型进行数百万次模拟的不确定性量化研究，使我们更清楚地认识FFR计算中的误差来源。
基于3D和1D计算模型的无创诊断技术在精准评估冠状动脉疾病方面展现出巨大潜力。我们的目标是通过这些进步，更好地支持临床决策，最终改善患者预后。
未来应用方向
这种基于物理原理的高精度无创建模技术，其影响远超冠状动脉疾病的FFR计算范畴。我们正在扩展该框架以实现纵向血流动力学绘图——不仅捕捉单次心跳的血流变化，更追踪长期血流演变。这项技术突破将支持血管健康的远程监测，帮助识别早期疾病进展或治疗反应的细微生理变化。
同时，我们正将建模技术应用于其他血管领域，特别是存在诊断模糊性和解剖变异性的外周动脉。通过亚毫米分辨率模拟患者特异性血流，我们旨在以外科手术的精准度和临床相关性，指导外周动脉疾病的干预决策。
这些努力共同支撑着杜克计算与数字健康创新中心的使命：开发可扩展的无创工具，以前所未有的精度实现疾病的发现、追踪与治疗。如需了解您的机构如何参与我们的健康计算创新工作，请与我们联系。
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