Digital twin model of colon electromechanics for manometry prediction of laser tissue soldering

本研究引入了一种先进的多物理和多尺度建模方法，以研究基于计算的结肠运动。我们引入了一个广义的电机械框架，集成了细胞电生理学和平滑肌收缩性，从而推进了第一个独特的激光组织焊接计算模型，该模型在切除后进行。所提出的理论框架包括三个主要元素：描述肠壁几何形状和加强纤维组成的微结构材料模型，其中包括四个纤维家族，两个活性导电和两个被动的；描述慢波传播的电生理模型，基于完全耦合的非线性现象学方法；以及描述组织在不同加载条件下保持平衡的高弹性能量贡献的热力学一致性力学模型。采用主动应变方法来描述组织的电机械特性，通过利用每个活性纤维族的变形梯度的乘法分解，并通过交错有限元方案解决控制方程。计算框架根据最先进的实验证据进行了微调，并进行了广泛的数值分析，使我们能够比较通过数值模拟计算得出的人工肠道内压力波迹与在人类患者中临床获得的波迹。该模型证明能够定性和定量地再现高或低振幅的传播收缩。激光组织焊接后的结肠运动表明，沉积组织的材料特性和耦合对于再现生理肌肉收缩至关重要，从而恢复适当的蠕动活动。

本论文旨在通过引入一个先进的多物理和多尺度建模方法来研究结肠的运动，以解决激光组织焊接手术后的结肠运动问题。

论文提出了一个广义的电机械框架，将细胞电生理学和平滑肌收缩相结合，从而推进了首个计算模型的发展。

论文采用了微观结构材料模型、电生理学模型和力学模型相结合的方法，通过数值模拟比较人体患者的临床数据，证明了该模型能够 qualitatively and quantitatively 模拟高或低振幅传播收缩。值得深入研究。

最近的相关研究包括：1. A multi-scale and multi-physics model of colon biomechanics; 2. A computational model of the human colon to study the biomechanical effects of haustral fold configuration; 3. A computational model of colonic motility incorporating fluid dynamics and wall mechanics。