血流动力学研究内容与方法极简梳理

        血流动力学是生物力学的一个分支，其主要任务是应用流体力学的理论和方法研究血液沿血管循环流动的原因、条件、状态以及各种影响因素，以阐明血液流动的规律、生理意义及与疾病的关系。

心血管流动现象

        心血管系统是一个由心脏和血管所组成的封闭管道系统。心脏是动力器官，血管是运输血液的管道。通过心脏有节律性收缩与舒张，推动血液在血管中按照一定的方向不停地循环流动，完成血液循环。血液循环是机体生存最重要的生理机能之一。通过血液循环，血液的全部机能才得以实现，并随时调整分配血量，以适应活动着的器官、组织的需要，从而保证了机体内环境的相对恒定和新陈代谢的正常进行。循环一旦停止，生命活动就不能正常进行，最后将导致机体的死亡。

        从流体力学观点来看，心血管流动又有大循环和微循环之分。大循环心脏-动脉-组织（负载）-静脉-心脏，把组织看做纯负载，对其内部血流细节不予以深究。微循环从小动脉-毛细血管-小静脉，研究毛细血管血流和通过管壁的物质交换。

        人和动物体内血液的流动、植物体液的输运等与流体力学中的层流、湍流、渗流和两相流等流动形式相近。在分析血液力学性质时，血液在大血管流动的情况下，可将血液看作均质流体。由于微血管直径与红细胞直径相当在微循环分析时，则可将血液看作两相流体。当然，血管越细，血液的非牛顿特性越显著。

        人体内血液的流动大都属于层流，在血液流动很快或血管很粗的部位容易产生湍流。在主动脉中，以峰值速度运动的血液勉强处于层流状态，但在许多情况下会转变成湍流。尿道中的尿流往往是湍流。而通过毛细血管壁的物质交换则是一种渗流。对于血液流动这样的内流，因心脏的搏动血液流动具有波动性，又因血管富有弹性故流动边界呈不固定型。因此，体内血液的流动状态是比较复杂的。

血液动力学研究方法

        血液循环系统由心脏、血液和血管构成。与一般的流体动力系统相比，血液循环系统具有许多特点。首先，血管是有无数分支的弹性管,血管在维持整体性同时将血液输送至全身各个器官。其次，血液是一种含有大量固体成分（血细胞）的悬浮液，血液包含了细胞，蛋白质，低密度脂质以及输送养分和排放废物所需的离子。红细胞占整个血液体积的大约40%左右。在大多数动脉中，血液表现为牛顿流体特征，正常红细胞压积状态下，血液黏度为4厘泊（cP）。血液的非牛顿粘性流体特征则是生物流变学的研究范畴，已有大量研究。而心脏是一个受神经-体液因素控制、结构极为复杂的泵，心脏泵的周期运动在动脉内产生了脉动条件。因此，血液流动不能完全简单地看成定常流，而是脉动流。

        血流动力学就是研究表征人体血液循环系统的流动参数（血流量、流速、压力、流态、粘度、外周阻力等）在生理病理条件下的变化。血管分叉和血液脉动使血管壁面剪切力呈周期和非均匀变化。正常动脉血流为层流，在弯曲和分叉处会伴随二次流动，速度抛物线的偏移会产生低壁面剪切力小区域。动脉血管会根据血液动力学条件进行自适应调整和改变，而非常规血液动力学条件也会使血管产生生物学反应。

        血液的脉动性对心血管系统至关重要，在大多数分析中都是首要考虑的因素。与此相反，血液流动的其他因素在很多特定场合都被当作次要因素忽略不计，如：壁面的弹性，流体非牛顿性，流体中的悬浮粒子，体积力，以及温度等，这样，一些复杂血液流动的分析就可以大大简化。

        血流与内皮接触所产生的剪切力会使流动减缓，壁面剪切力和剪切率（速度梯度）成正比，速度梯度高度依赖于速度分布曲线的形状以及某一流速与壁面的距离，为测量脉动流动壁面剪切力，需要精准测量靠近壁面的速度梯度，但这在技术上并不容易。同时，由于红细胞浓度在壁面处会减少，壁面附近的血液黏度也不易获知，所以，壁面剪切力的预测值误差往往达到20-50%，动脉壁面剪切力通常维持在15dyn/cm以下， 内皮细胞会通过调节管径大小，内膜厚度以及血小板血栓形成对壁面剪切力做出响应，所以，壁面剪切力是血管对血流产生反应最重要的影响因素。

        另一作用于血管的主要血液动力学因素是横跨壁面的跨壁压力。动脉的平均跨壁压力为100 mmHg， 静脉的平均跨壁压力为10 mmHg。 对于圆形薄壁管，周向应力可由Laplace法则描述

        其中，t为壁面厚度，D为血管内径，P为跨壁压力。决定平滑肌细胞响应的最基本因素是这些细胞的应变。动脉血管壁对静态和周期载荷产生响应，并通过胶原蛋白和弹力蛋白的分泌和组合使壁面重构。

        过去的研究发展了许多血管应力评价方法，如：利用线性化的血液-血管耦合运动方程Womersley解，获得血液脉动压力载荷下的Green应变，同时利用血管壁应变能函数获得脉动压力下血管壁应力分布的一般表达式；通过测量血液黏度，管轴上血流速度，压力和管径波形计算均匀动脉壁的切应力；利用在体轴向伸长比条件下血管段的压力-容积（p-V）数据和指数函数关系，获得一定内压下血管壁周向应力沿壁厚的分布。这些计算血管应力方法为在体和离体评价血管对血流的反应提供了有力的方法。

        由于心血管系统结构的三维和多尺度特性，心血管系统所产生的力学现象非常复杂，仅仅依靠以往的计算力学和计算流体力学（CFD）方法远远不够，因此，基于图像的三维建模，流体-固体-生理现象耦合解析技术等是分析心血管复杂系统不可或缺的。耦合分析不只是狭义的流固耦合，而是应用计算力学手段探究构成人体系统的广泛的物理化学现象，最终形成生物医学技术的创新应用。

        近年，计算机断层扫描技术（CT），核磁共振技术（MRI）， 超声（US）和数字减影图像（DSA）等医学影像技术（DSA）为建立基于精确解剖结构的个性化三维模型提供了可靠的数据基础。计算流体力学，有限元分析，流固耦合技术以及高性能计算机硬件的发展为血液动力学特性分析提供了有力的理论基础。

        通过逆向工程技术，采用透明硅橡胶可以制作出真实结构的各种正常和病变血管模型，利用PIV（Particle Imaging Velocimetry）可视化技术体外观测血液流动特性，一方面可以验证数值模拟的有效性，另一方面为手术设计，药物研发和临床训练的血管内操作提供非常有用的工具。

        除此之外，一维和零维心血管系统模型能够很好地描述全身心血管系统脉搏波传递以及血压和流量波的相位变化，是研究血液动力学非常重要和有效的工具。

        经过四十多年的发展，一维模型建模方法在不断完善。速度剖面形状会直接影响动量方程的形式及壁面应力的估值，常用的速度剖面有平整性、抛物线型，幂函数型，Stokes边界层型，周期性速度剖面等。而管壁的运动直接影响压力波的传播波速和脉动特征。在一维血流动力学模型中，管壁运动通过状态方程来表征，表示为跨壁压差和截面积的关系。根据线弹性理论的Laplace方程推导得到的状态方程可以较好地描述正常状态下的血流特性。

        动脉内的血液流动主要受小动脉影响，但小动脉结构复杂而且不容易观测，使得很难建立合适的模型来描述小动脉对动脉内脉动波传播的影响。把小血管和毛细血管看成大血管出口边界的延伸，则可以用不同出口边界条件描述小动脉的影响。目前，常用的出口边界条件有三种，包括：纯阻抗模型，只使用一个阻抗元件来描述出口处压力和流量的关系，但该模型不能描述压力波和流量波的相位延迟特征。第二种是三元件弹性腔模型。这两种模型虽然简洁，但不同生理病理条件下的阻抗和顺应性的估计是一个难点。小血管树模型利用人体动脉网络的分型规律建立二叉树结构，然后利用拟线性分析理论获取大动脉出口处的压力和流量关系。结构树模型用较少的假定较全面地模拟了小血管树的阻抗。

来源：灵思MED影像算法  公众号

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