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。     

人体循环系统流体动力学

一、概述人体循环系统是一个复杂的生理系统,由心脏、动脉和毛细血管组成。心脏是血液泵。心肌每年收缩约3600百万次,泵浦约300万升血液。血管在各种不同条件下源源不断地输送着维持生命的血液。血液同血管周围组织进行质量和能量交换。整个循环系统是一个“工程奇迹”。      

基于大鼠背部视窗显微观测的微血管网的三维重建

微循环是循环系统中最基层的结构和功能单位,它在保持人体正常生理功能中占有突出地位,许多疾病的发生也是从微循环开始. 因此,利用脊背视窗技术,并通过体视显微镜观察视窗内的血管结构, 进一步对所获血管图像进行一系列图像处理,得到了血管边界和中心线等结构信息. 同时,根据血管分叉处相贯线的信息确定分叉血管的连接方式. 在网格划分时,采用了改进的超限插值算法,构建了三维血管网的有限元网格模型,实现了对任意分支血管网的三维重建. 为微循环的体外实验和数值分析奠定基础.      

中等严重程度冠状动脉病变模型的血流动力学参数分析

基于中等严重程度冠状动脉病变模型,应用流固耦合方法数值研究了中等严重程度面积狭窄率(AS=50%,65%,75%)和病变长度(LL= 0 mm,15 mm,20 mm) 对血流动力学参数的影响.研究发现:随着AS与LL的增大,病变血管分支的壁面剪应力变化愈加剧烈,狭窄段下游的壁面剪应力值逐渐降低,狭窄段下游回流区的长度呈"S"型增长,模型最大剪切速率呈抛物线型增长, 压力分布曲线显著下降.血流动力学参数结果表明, 中等严重程度面积狭窄率和病变长度均是可能引发血栓的因素,临床上应予以重视.      

支架，放还是不放？这是个生物力学问题

血管支架用于扩张血管狭窄病变部位,以达到血流通畅的目的。但什么样的狭窄血管需要放支架？这是个生物力学问题。本文从血管狭窄的功能学评价指标来分析血管狭窄、心肌缺血和支架治疗之间的逻辑关系,用农田灌溉这样形象的比喻来阐明冠脉支架介入术的生物力学机理,启发读者思考临床医学背后的基础工程科学原理。     

血管里的“罗宾汉效应”

血液循环系统里有一种类似于经济学术语"罗宾汉效应"的"劫富济贫"或者"劫贫济富"的现象——"盗血"综合征。盗血现象背后蕴含着科学的生物力学机理。本文介绍了盗血现象的确切含义及其生物力学机理,可以启发读者从生物力学的角度来解释医学问题中的科学道理。     

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.     

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。     

动脉分岔血管内膜增生过程的数值模拟

内膜增生从发生到阻塞血管是一个复杂的变化过程,在这个过程中,内膜的增生、血管腔体形状的改变和血流动力学之间是相互影响的。为了研究这些变化,本文提出一种单元填充方法数值模拟了三维颈动脉分岔血管在低切应力作用下血管内膜增生的过程。该方法既可以克服节点移动方法所不可避免的内膜增生的不连续性,也可以避免网格重划分的困难。结果发现,如果单纯以切应力阈值作为内膜增生的判据,低切应力的作用将无法导致血管完全阻塞,但内膜增生和血流动力学之间的相互影响是可以通过数值方法进行模拟的。在本数值模拟中,内膜增生的过程分为"增厚"(先)和"扩展"(后)两个阶段,最大狭窄率为34.4%,发生在距血管分岔5mm处动脉窦的外侧壁面。其发生位置和形状与临床观察吻合。     

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。      

内皮抑素抑制肿瘤血管生成的数值模拟

数值模拟抗血管生成药物内皮抑素对肿瘤血管生成的抑制效应. 建立内皮抑素作用下肿瘤内外血管生成的二维、三维离散数学模型,模型中考虑内皮抑素的抑制作用、内皮细胞自身的增殖、促血管生成因子TAF和Fibronectin对内皮细胞产生的趋化性和趋触性以及内皮细胞自身扩散引起的随机性运动,数值模拟肿瘤内外微血管网的生成过程. 模拟结果表明,抗血管生成药物内皮抑素对肿瘤内外血管生成的速度、成熟度以及血管分支数量均有明显的抑制作用,从而有效地抑制肿瘤新生血管的形成. 该模型能够较好地模拟内皮抑素对肿瘤血管内皮细胞迁移与增殖的抑制效应,为临床抗血管生成治疗肿瘤提供有益的信息.      

生理流动与医学听诊

本文介绍人体中的生理流动即主要是循环系统和呼吸系统中，流体运动的层流和湍流状态，转捩条件及转捩现象．讨论了医学听诊的机理以及生理流动的致声效应在医学听诊中的重要意义．     

血管修剪

就像园林中的树木修剪一样,血管树在成长过程中也有类似“血管修剪”的现象。这一现象背后蕴含着生物力学机理。本文介绍了“血管修剪”现象的含义、生物力学机制及其生理学意义,启发读者思考血管生长中的奇妙现象和科学道理。     

超声弹性成像应用在角膜疾病诊断中的有限元分析

弹性成像在医学成像领域具有广阔的应用前景.在本文中,有限元法被用于模拟角膜组织的超声弹性成像,通过改变角膜病变组织与正常组织杨氏模量的数值大小及分布,模拟角膜病变的不同情形,分析计算各种不同情形时的应变、应力和位移分布,并对仿真结果进行分析.当角膜正常组织与病变组织的杨氏模量之比为1∶4时,病变区域中心的应变为-0.0...     

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。     

受支架支撑的血管管壁变形及应力分析

摘要：为了计算动脉粥样硬化和局部斑块形成的堵塞对血管壁工作状态的影响,本文根据血液流动的连续性方程、运动方程及管壁运动方程,在给定了血压波形函数的基础上,求得了狭窄血管管壁的径向位移及环向应力。分析了不同狭窄程度对血管壁变形及应力的影响;给出了不同狭窄情况下及局部斑块硬化程度不同时,血管植入支架所需的作用力。从而计算出了植入支架后血管壁的径向位移及应力状态。本文的研究结果可供临床上对狭窄血管植入支架后的变形与受力分析,和支架的正确安放参考,可避免发生堵塞严重或血管过渡硬化时,由于安放支架不当而使发生血管破裂的医疗事故。     

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．     

在体轴向伸长比条件下血管壁的周向应力分布

本文通过检测在体轴向伸长比条件下血管段的压力－容积数据,利用应变能密度函数,求得血管壁周向应力沿壁厚的分布。文章的正常大鼠腹主动脉为例进行计算,结果发现,在生理压力作用下（例如ｐ＝１３．３ｋＰａ）,不考虑残余应力确实出现在血管内壁处的周向应力集中,血管内、外壁处的应力值之比可达１５左右,而存在于实际动脉管中的残余应力会使血管壁中的周向应力沿壁厚的分布明显趋于均匀,血管处的周向应力之比差不多只有２左     

家兔颈总动脉血管低温力学性能的实验研究

实验研究了家兔颈总动脉血管低温下的轴向和周向的力学性能．这些力学性能包括应力应变曲线和断裂强度，它们将有助于血管低温保存过程的热应力分析．结果表明，血管在低温下的力学性能与室温情况非常不同，冷冻血管的弹性模量要比未冷冻的高很多．当温度接近液氮温度时，甚至可能高几千倍．低温下，血管的轴向模量要高于周向的，但他们的断裂强度相差不大．最后，从血管组分的力学性能考虑，讨论了血管整体力学性能的变化规律．     

急性高血压引起血管重建的数值模拟

通过建立血管重建率方程对急性高血压引起的血管零应力状态重建进行模拟。为体现高血压血管重建在时间和空间上的不均匀性，在重建率方程中引入生长因子，对零应力状态血管的重建进程进行有效控制。以6只正常大鼠腹主动脉的重建为例，对该动脉段由急性高血压引起的重建进行数值模拟。结果表明，所模拟的6只大鼠急性高血压引起的腹主动脉重建都具有相类似的重建趋势和特征，说明所提出的血管重建方法对 急性高血压诱发血管重建的预测具有一定的普遍性。同时，由于在分析模型中引进反映重建非均匀性的生长因子，使得所模拟的重建进程能较好地符合急性高血压血管重建的基本生理病理特征。