心血管流体动力学(Ⅰ)——概述·血管流变学

高等动物循环系统由心脏、各级动脉、静脉及毛细管组成。心脏分左、右心室、心房,是动力源;各级动脉是血液分配、输送渠道,静脉是回流系统,毛细血管则专司物质交换。工质是血液,它供给维持组织生机所必需的氧和养料,带走CO_2和各种代谢产物,前者通过肺,后者通过肾排出体外。      

BLOOD FLOW IN THE CIRCULATORY SYSTEM1)

从"三十年河东三十年河西"这样的现象联想到人体循环系统中的血液流动。针对动脉粥样硬化、动脉瘤、主动脉夹层等常见的动脉血管病变,介绍了这些血管病变及其治疗方法中蕴含的生物力学机理,提示人们关注循环系统的健康。     

“三十年河东三十年河西”与循环系统中的血液流动

从"三十年河东三十年河西"这样的现象联想到人体循环系统中的血液流动。针对动脉粥样硬化、动脉瘤、主动脉夹层等常见的动脉血管病变,介绍了这些血管病变及其治疗方法中蕴含的生物力学机理,提示人们关注循环系统的健康。     

检测脑血管功能的新方法

血液动力学是研究血液循环系统的力学，血液动力学不但可为脑血管系统的结构与功能之间建立定量关系，而且还可为脑血管血液动力学参数的检测提供新方法和新思路。脑血管血液动力学分析仪（ＣＶ３００）就是这方面的一个成功例证，它已成为临床检测脑血管功能，早期诊断脑血管疾病，以及评价和筛选脑血管药物的有效监测仪器。     

基于计算机仿真的3D打印血管材料力学性能研究

利用光固化与离子固化相结合的3D打印方法打印圆柱体,假设材料各向同性,通过压缩实验测得了材料的弹性模量和压缩强度;建立了血管和血液的流固耦合模型,采用有限元分析方法,分析了一个心动周期内流体速度入口条件下五个特征时刻的流体速度分布和固体管壁的力学特征。结果表明,在心脏射血期峰值时刻,血液流速和固体管壁承受应力都达到最大值,其中应力最大值为2018Pa,远小于材料的压缩强度。     

脑循环脉动流的集中参数模型

脑血管疾病和脑循环动力学异常改变密切相关．脑循环系统和体循环系统具有不完全相同的血液动力学特性．因此，临床上迫切需要一种既能反映脑循环的基本特性，又容易从中分析脑血管动力学参数的力学模型．本文在Ｗｉｌｉｓ环定常流模型的基础上，建立了描述脑循环血液脉动特性的集中参数模型，归结出了模型控制方程及求解方法．通过实例计算发现：理论计算结果和实验检测数据相当吻合，说明模型是符合生理实际的．这将为脑循环研究提供一个较理想的血液动力学模型     

脉动流条件下血管壁的应力分布

为了分析血液-血管耦合运动所产生血液脉动压力载荷对血管壁应力分布的影响,利用线性化的血液-血管耦合运动方程的Womersley解,导得血液脉动压力载荷下的血管壁Green应变,同时利用Fung的血管壁应变能密度函数,导得相应血管壁应力分布的一般表达式.数值结果表明,在脉动流条件下,当考虑血液-血管耦合运动时,血管壁中周向应力最大,轴向应力居中,径向应力最小;血管壁的残余应力将明显减小血管内壁的应力集中;脉动压力载荷将导致血管壁周向应力在一个心动周期中随时间的脉动,而且随着Womersley数α和血管轴向约束参数K*的增大,血管壁周向应力的脉动将明显加剧,提示在分析动脉重建时必须计及血液-血管耦合运动对血管壁应力分布的影响.     

脉劝流条件下血管壁的应力分布

为了分析血液-血管耦合运动所产生血液脉动压力载荷对血管壁应力分布的影响,利用线性化的血液-血管耦合运动方程的Womersley解,导得血液脉动压力载荷下的血管壁Green应变,同时利用Fung的血管壁应变能密度函数,导得相应血管壁应力分布的一般表达式.数值结果表明,在脉动流条件下,当考虑血液-血管耦合运动时,血管壁中周向应力最大,轴向应力居中,径向应力最小;血管壁的残余应力将明显减小血管内壁的应力集中;脉动压力载荷将导致血管壁周向应力在一个心动周期中随时间的脉动,而且随着Womersley数α和血管轴向约束参数K～＊的增大,血管壁周向应力的脉动将明显加剧,提示在分析动脉重建时必须计及血液-血管耦合运动对血管壁应力分布的影响.     

心脏与血管的相互影响

心脏与血管的相互影响早就引起生理学家们的兴趣，但其在临床医学上的广泛应用则是近几年的事．这主要归功于两大生物力学成就，一是应甩泵功能曲线和时变弹性元描述心脏功能，另一是应用输入阻抗来描述血管功能．本文系统地总结和评述了２０多年来国际上关于心脏与血管相互影响的研究发展概况．     

论心脏功能的“泵说”与“波说”

分析了心脏功能的“泵说”和“波说”。研究表明,心脏扮演的角色实际上不是泵,而是脉搏波发生器,产生一系列携带能量的脉搏波。每个脉搏波由升支和降支组成。前者对应于加载过程:压力、粒子速度、能量和血氧饱和度均随时间升高。而后者则对应于卸载过程:压力、粒子速度、能量以及血氧饱和度都下降,直至为零。因此,“泵说”中诸如Windkessel效应、一机二泵和舒张泵等概念都难以成立。所谓约1.5 W的心脏功率实质上表征了每个脉搏波的功率。针对脉搏波是流-固耦合和纵波-横波耦合的复杂波之特征,研究表明,能量的主要部分(99.99%)由横波携带,它沿固体血管传播,损耗低,效率高。研究还表明,血管分支处广义波阻抗的增大有助于抵消脉搏波传播中的衰减耗散,升高传入血管分支的脉搏波脉压,可视为人体的一种自我调节机制。     

浅谈动脉流体动力学分析

就我们所熟知,绝大部分正常动脉流,其血液的流动特性是属于层流范围,但随着弯曲和分 支部分会产生血液流之二次回流区,进而形成所谓近似非稳态流及紊流. 因此动脉流体的特 性会随动脉外形及条件的改变而改变. 在某些情形下,异常动脉的血液动力特性会造成动脉 的病变. 因此,近年来动脉血液流体的特性的研究,常着重于异常动脉的血液动力特性所形 成剪应力和病变部位动脉粥状硬化关系的探讨. 动脉血液流动经常包含分离流或二次回流运动,而这是流体力学的分析或数值模拟最困难的 部分. 有关分离流或二次回流的研究包括正常血管流和异常血管流,藉由二次回流的模拟与 测量可以观察血管病变的形成与演变,其中最受注目探讨题目是窄化血管如粥状斑块相关的 血液流动分析. 将回顾二维和三维、稳态、非稳态之动脉血流与窄化血管相关的几何外形作模拟研究和 实验. 并提供对血液动力学的研究方向,以作为未来医疗诊断与发展相关器材之参考.     

弯曲狭窄管内血液流的分析

与血管狭窄有关的异常血液动力学特征在血管疾病的发生和发展过程中起着重要的作用,由于血管狭窄和弯曲的综合影响,将会出现一系列有趣的流体力学现象,本文研究具有对称狭窄的弯曲小动脉内定常血液流动,在一定的假设条件下,直接从支配血液流动的Navier-Stokes方程求出问题的摄动解,由此求得弯曲狭窄管內血液流动的轴向速度、二次流速度及压力梯度等分析表达式,并进一步求得轴向和周向血管壁切应力。本文的结果是先前有关狭窄直管和弯曲均匀管流动研究的拓广。     

Isolation of circulating tumor cells under hydrodynamic loading using microfluidic technology(基于微流控技术在流体动力载荷下分离循环肿瘤细胞)

在世界范围内, 癌症的死亡率仍在逐年上升. 循环肿瘤细胞(circulating tumor cells, CTCs) 是指从原发肿瘤脱落并进入血液循环系统的细胞, 可能引发肿瘤转移并入侵其他正常组织和器官. 因此, CTCs 的检测结果可以作为癌症病人疗效和预后的评价指标. 但是CTCs 的数量及其稀少, 使得CTCs 的检测尤为困难. 在癌症转移的病人中, 每毫升血液约含有10-100 个CTCs. 利用经生物活性材料表面修饰的微流控器件, 可以从血液中分离出CTCs. 这是一项跨学科的挑战, 需要来自不同学科背景的专家们共同参与, 如细胞生物学、表面化学、流体力学及微纳加工技术等. 该文首先介绍了CTCs 的细胞生物学基础, 然后总结了当前分离CTCs 的主要微流控技术, 包括基于细胞-- 配体作用、磁力作用和过滤等, 最后综述了基于微流控技术的CTC 检测和计数、在体CTC 成像等最新研究进展.      

基于微流控技术在流体动力载荷下分离循环肿瘤细胞(英文)

在世界范围内,癌症的死亡率仍在逐年上升.循环肿瘤细胞(circulating tumor cells,CTCs)是指从原发肿瘤脱落并进入血液循环系统的细胞,可能引发肿瘤转移并入侵其他正常组织和器官.因此,CTCs的检测结果可以作为癌症病人疗效和预后的评价指标.但是CTCs的数量及其稀少,使得CTCs的检测尤为困难.在癌症转移的病人中,每毫升血液约含有10～100个CTCs.利用经生物活性材料表面修饰的微流控器件,可以从血液中分离出CTCs.这是一项跨学科的挑战,需要来自不同学科背景的专家们共同参与,如细胞生物学、表面化学、流体力学及微纳加工技术等.该文首先介绍了CTCs的细胞生物学基础,然后总结了当前分离CTCs的主要微流控技术,包括基于细胞-配体作用、磁力作用和过滤等,最后综述了基于微流控技术的CTC检测和计数、在体CTC成像等最新研究进展.     

心脏内部血流实时动态径迹的非侵入性显示方法——超声微泡血流图

一、前言人体心内血液流动是生命存在的象征.显示人体心内血液流场对研究心脏力学及其病理改变有着重要意义.虽然流体力学中显示流场动态的方法有多种形式,但要显示人体心内血液流场,又要做到     

冠状毛细血管长度非线性变化及渗透作用下的毛细血管血液流动

建立冠状毛细血管内血流的血液动力学模型,研究毛细血管长度沿轴向的非线性变化及冠状毛细血管与周围组织的渗透和物质交换对血液流动的影响。考虑单根长弹性并具有通透性的冠状毛细血管,毛细血管长度非线性变化,毛细血管内血液为粘性不可压缩牛顿流体,跨壁滤过遵循Starling定律,血浆胶体渗透压和血浆蛋白浓度成线性关系。建立血管半径的无量纲方程,数值求解不同生理参数情况下,左心室壁不同层中毛细血管沿长度平均的无量纲半径和不同层毛细血管的平均流量。结果显示,冠状毛细血管与周围组织的渗透和物质交换及毛细血管长度沿轴向的非线性变化对平均无量纲半径和平均出口流量几乎没有影响;而对弹性模量较小的毛细血管,则对心脏收缩期时的平均进口流量有不同程度的影响。     

颅内压与脑循环动力学参数模型研究

在对颅内血管床整体分析的基础上，应用血液动力学理论建立了一个描述颅内血液与脑脊液血液动力学特性的集中参数模型．在此模型的基础上得到了状态方程并给出了求解方法．通过对方程解的进一步分析得到颅内压与颈动脉血流量的关系，为临床无创检测颅内压提供了一个辅助手段．理论计算结果与实验数据比较发现，颅内压与颈动脉流量脉动间的关系与实验是相吻合的．     

心脏内部血流实时动态径迹的非侵入性显示方法——超声微泡血流图

前言人体心内血液流动是生命存在的象征.显示人体心内血液流场对研究心脏力学及其病理改变有着重要意义.虽然流体力学中显示流场动态的方法有多种形式,但要显示人体心内血液流场,又要做到...     

分叉血管中动脉狭窄对血液流动的影响

利用血液流动的粘性不可压Navier-Stokes方程，采用有限元方法研究了分叉血管中动脉局部狭窄对血液流动的影响，分别对母血管壁有动脉狭窄病变和无病变时的血液流动进行了数值模拟。针对不同程度的动脉狭窄，得到了当狭窄度S分别为0.05、0.25、0.5时血液流动的流线图和压力图。一方面，从计算的压力图中可以看出当血液流经狭窄区域时，压力会迅速发生变化；另一方面，观察流线图可知，在血液流经狭窄的区域时会出现流动分离现象，产生涡的结构。根据上述结果，可以看出动脉局部狭窄会对血液流动产生很大的影响。动脉粥样硬化等某些血管疾病的发病机制和病变发展与血液流动的力学特征有密切关系。在动脉局部狭窄的初期，动脉狭窄邻近区域的血液几乎光滑地流过狭窄区，流动产生的分离小；随着狭窄区域半径的逐渐增大，血流流动产生比较明显的分离，在分离区内存在层流和回流；而当狭窄区域的半径进一步增大时，血管内血流流动分离区域扩大，而且在分离区内的血液流动会出现局部湍流。这种情况可能会使血液中的血小板、纤维蛋白、脂肪颗粒沉积，最终导致血流不畅或动脉粥样硬化等血管疾病。     

4D打印负泊松比聚乳酸心脏支架的体外性能研究

冠心病等心血管疾病的发病率逐年提高,血管支架使用率大幅提升．聚乳酸等形状记忆聚合物生物相容性较好、具有一定生物降解特性,可以用于制备新型心脏支架．心脏支架需要收缩时体积尽可能小,且膨胀时足以撑开堵塞的血管,因此需要具有负泊松比特性.本文基于聚乳酸的力学和形状记忆性能,设计了不同截面胞数的凹六边形负泊松比心脏支架模型,使用4D打印熔融沉积成型技术对其制备,并对血管支架模型的力学性能、形状记忆性能及血管支撑性能等进行测试,分析了支架的不同构型对支架体外性能的影响．同时,进行了有限元数值模拟,弹性模量和泊松比计算结果与实验相吻合．本文提出的模型对于通过4D打印的方式构建在临床上可用的新型血管支架具有重要参考价值．