醫(yī)用生物力學第27卷第5期2012年10月Journal of Medical Biomechanics, Vol, 27 No 5, Oct. 2012475文章編號:1004-7220(2012)05047506述評血流動力學及其醫(yī)學應用劉有軍,喬愛科(北京工業(yè)大學生命科學與生物工程學院,北京100124)摘要:血流動力學與心腦血管疾病的形成發(fā)展和治療存在密切聯(lián)系。對心腦血管系統(tǒng)中的血流動力學研究一直是生物力學和生物醫(yī)學工程研究的熱點。本文就專欄文章所涉及的研究內(nèi)容研究方法研究成果及其醫(yī)學應用等進行評述,重點從血流動力學的研究驅(qū)動力、研究進展和研究趨勢等幾方面進行綜述,展示了血流動力學研究在臨床和保健的預防、診斷、治療等多層次的應用前景。關(guān)鍵詞:血流動力學;心腦血管疾病;介入治療;手術(shù)規(guī)劃中圖分類號:R318.01文獻標志碼:AHemodynamics and its medical applicationLIU You-Jun, QIAO Ai-ke( College of Life Science and Bioengineering, Beijing University of TechnologyBeijing 100124, China)Abstract: Hemodynamics is closely related with the initiation, development and treatment of neo-cardiovasculardiseases. The studies on the hemodynamics in neo-cardiovascular system are the hotspots of biomechanics andbiomedical engineering. The research topics, research method, research achievement and its medical applica-tion, which are issued in the articies in this special column, were remarked, Emphasis was paid to the review ofthe research driver, research progress and research tendency of hemodynamics. the application prospect of hemodynamics research on the clinical procedure and healthcare was demonstrated with respect to its multi-levelapplication in prevention, diagnosis and treatmentKey words Hemodynamics: Neo-cardiovascular disease; Interventional therapy; Surgical planning經(jīng)過編輯部和各位作者的共同努力,本期開辟的血流動力學研究專欄終于和大家見面了。本期令1血流動力學的研究驅(qū)動力欄共收錄論文9篇,論文作者都是國內(nèi)血流動力學研究血液在血管系統(tǒng)中流動的力學稱為血流動研究的活躍分子。他們中既有血流動力學研究領域力學。血流動力學因素與心腦血管疾病的形成、發(fā)的資深專家,也有后起的研究新秀。專欄研究內(nèi)容展和治療存在密切聯(lián)系。對心腦血管系統(tǒng)中的血流涉及心血管手術(shù)規(guī)劃血流動力學、血管介入治療血動力學研究一直是生物力學和生物醫(yī)學工程研究的流動力學、流固耦合計算、脈搏波參數(shù)分析等;特別熱點。血流動力學的研究驅(qū)功力大致可以歸結(jié)為3是旋動流的生理意義及其醫(yī)學應用,展示了血流動個方面:力學研究的潛在臨床應用價值。本專欄論文集中反1.1從生理的角度來看,需要搞清楚正常健康人體映了國內(nèi)血流動力學研究的熱點。下面結(jié)合本專欄的血管系統(tǒng)中的血液流動規(guī)律的幾篇文章,就血流動力學的研究驅(qū)動力研究進展血流動中國煤什基因和蛋白和研究趨勢等幾方面,進行簡要的評述。質(zhì)的表達,從結(jié)果。在血CNMHG收稿日期:20120910;修回日期:20120925通訊作者:喬愛科,教授博土研充生導師E-mail:qak@bjut.edu.cn醫(yī)用生物力學第27卷第5期2012年10月476Joumal of Medical Biomechanics Vol. 27 No 5. Oct. 2012管系統(tǒng)中,直管和彎曲/分支/分叉處呈現(xiàn)不同的流科手術(shù)過程。例如,血流動力學在早期確定旁路移動情形和血流動力學分布。血液自主動脈瓣噴射出植管搭橋術(shù)的吻合幾何形狀時發(fā)揮重要作用,因為來后便開始旋動。大量研究發(fā)現(xiàn),旋動流態(tài)不僅存在手術(shù)準備過程中可以優(yōu)化血流動力學特性以便改在于主動脈,而且存在于心血管系統(tǒng)的其他部位,如善早期和晩期移植成功率、內(nèi)膜增生、動脈粥樣硬化右髂總動脈、腹股溝動脈、腹主動脈等。這種旋動流等。目前,心血管外科手術(shù)的決策過程還主要依靠態(tài)是大自然巧奪天工的設計,也許有著積極的生理醫(yī)生的臨床經(jīng)驗,缺乏對當前特定病人的手術(shù)規(guī)劃意義,能夠抑制湍流,促進物質(zhì)傳輸,從而抑制心腦和疔效預測?；谘鲃恿W仿真的心血管外科手血管疾病的發(fā)生。術(shù)規(guī)劃,其主要目的是建立個性化的手術(shù)模型,通過另外,隨著心臟的間歇性收縮和舒張,血液壓對不同手術(shù)方案的血流動力學進行數(shù)值計算和比力、血流速度和血流量的脈動以及血管壁的變形和較,達到優(yōu)化心血管外科手術(shù)的血流動力學狀況的振動在血管系統(tǒng)中的傳播,統(tǒng)稱為脈搏波或脈搏波目的,保證手術(shù)的長期有效性3在血管中的傳播。發(fā)展血流動力學,掌握脈搏波的綜上所述,血流動力學越來越緊密結(jié)合臨床實傳播規(guī)律,確定血液壓力和流量之間的關(guān)系,揭示血際問題進行深入和廣泛的研究。不僅開展了基礎研流速度及應力的時空分布,可以評價血管系統(tǒng)的功究,定性、定量地揭示心血管疾病的力學機理;而且能,檢測心腦血管系統(tǒng)疾病,設計定量的測量方法,拓展了應用研究,為設計和開發(fā)針對不同心血管疾解釋測量參數(shù),例如心音、血壓、血液黏度、動脈彈性病診療的新技術(shù)和新裝置提供了科學依據(jù);彰顯了等生物流體力學在現(xiàn)代生物醫(yī)學工程領域的重要意1.2從病理的角度來看,需要弄清病理過程的起源義及影響心腦血管病呈現(xiàn)高度的病灶性。血流動力學是2血流動力學的研究進展血管重塑的關(guān)鍵因素。病灶部位具有危險的血流動縱觀專欄文章可以看到,血流動力學研究至少力學特征。低而振蕩的分離等血流動力學因素被認在以下幾個方面取得了可喜的成果。為與粥樣硬化等動脈病理改變密切相關(guān)。擁有高剪切應力的持續(xù)層流(直管段),可以避免產(chǎn)生動脈粥2.1提出心血管系統(tǒng)的旋動流理論,并將其應用于心血管疾病生物流體力學機理研究和臨床治療器械樣硬化;然而相關(guān)的擾動流動(彎曲/分支/分又處),有較低的剪切應力,可促進動脈粥樣硬化的形的開發(fā)成1。在靜脈系統(tǒng)中,擾動流動導致反流,外流障此專欄中,鄧小燕、劉明等4的文章《主動脈處礙,淤積導致靜脈炎癥血栓形成并因此產(chǎn)生血管的血流動力學特性及其生理意義》,就旋動流產(chǎn)生慢性疾病。原理和以旋動流原理為基礎的心血管介入器械等方對不同動脈血管所處的力學環(huán)境進行分析,并面的介紹非常詳細。旋動流能明顯地減少血小板在對這種力學環(huán)境的變異性提供確切的定量描述,可壁面的黏附單渦旋動流能穩(wěn)定流動有效地抑制流以分析血管內(nèi)皮細胞在不同力學環(huán)境中的適應性反動分離,進而能有效地抑制致動脈粥樣硬化大分子應,討論心腦血管疾病的形成和發(fā)展機制,從而研究以及促進小分子在血管壁的傳輸,從而抑制動脈粥血流動力學與心腦血管疾病之間的關(guān)系。樣硬化的發(fā)生。旋動流還能減少血管內(nèi)支架后面的1.3從治療的角度來看,需要發(fā)展和優(yōu)化心腦血管擾流,可能會抑制血管內(nèi)膜增生和支架內(nèi)再狹窄的疾病的診斷和治療技術(shù)發(fā)生。在旋動流理論基礎上,設計了用于動脈旁路血管手術(shù)或介入治療改變了局部血流動力學,搭橋的螺旋狀人造血管,以及橫截面成非圓形偏心引起血管重塑。手術(shù)的成功和長期有效性高度依賴結(jié)構(gòu)的人造中國煤化管搭橋遠心端于術(shù)后產(chǎn)生的血流動力學。因此,血流動力學研究內(nèi)膜增生的CNMHG血管中引入旋在心腦血管病治療中的一個應用實例就是手術(shù)規(guī)動流,能夠通爛影啊皿小假仕皿內(nèi)壁以及端端吻劃,即用血流動力學優(yōu)化的方法設計和改進血管外合處的黏附從而抑制急性血栓形成。劉有軍,等.血流動力學及其醫(yī)學應用LIU You-Jun, et al. Hemodynamics and its medical application4772.2針對人體循環(huán)系統(tǒng)的血流動力學與流態(tài),進行管系統(tǒng)實驗室。近期有代表性的是 SURGM心血管心血管系統(tǒng)的脈搏波分析外科手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)。國內(nèi)的相關(guān)研究還需要在本專欄中,何為、肖漢光等的文章《基于傳輸實用化集成化方面努力,開發(fā)一個包括解剖真實的線模型的脈搏波傳播數(shù)值仿真及參數(shù)分析》,提出血管建模、手術(shù)規(guī)劃模型雕塑、從醫(yī)學圖像到有限元種傳輸線模型和輸入阻抗遞歸算法的計算方法,網(wǎng)格、血流動力學數(shù)值模擬及流動可視化的軟件集數(shù)值仿真人體動脈樹中脈搏波的傳播過程,分析個成環(huán)境2。體差異性和動脈樹各參數(shù)對脈搏波的影響,為動脈2.4基于血流動力學數(shù)值模擬的心腦血管介入器樹生理和病理變化分析提供參考,是人體動脈樹生械的設計與臨床介入治療方案評測,使介入治療更理病埋分析和診斷的重要輔助手段。鄒遠文、吳結(jié)具科學性鳳等6的文章《脈動流模擬系統(tǒng)血壓波形相似度算本專欄中,蔣文濤、晏菲等1的文章《動脈粥樣法研究》提岀了加權(quán)平均算法以表征血壓波形間相硬化斑塊對藥物洗脫支架藥物擴散影響的數(shù)值分似程度,并應用到脈動流模擬系統(tǒng)的血壓波形分析析》研究了動脈粥樣硬化斑塊藥物擴散系數(shù)對血管中。加權(quán)平均算法可以表征不同血壓波形之間的差壁組織中藥物擴散的影響后發(fā)現(xiàn),當斑塊擴散系數(shù)異,比較不同脈動流裝置之間的模擬性能,進一步完小于組織時,斑塊對血管壁中藥物擴散起抑制作用善后還可以用于其他生理波形的分析。此外,研究反之起促進作用;特別是當斑塊中的藥物擴散系數(shù)人員還建立了心血管系統(tǒng)的集中參數(shù)模型和非線性遠大于血管壁時,其不再影響藥物在血管壁中的擴脈搏波傳播數(shù)學模型,并在此基礎上研究和開發(fā)了散。喬愛科、付文宇等1的文章《支架介入治療頸心血管功能參數(shù)的無創(chuàng)檢測裝置。所建立的數(shù)學模內(nèi)動脈狹窄和動脈瘤的壓力變化計算研究》,結(jié)果型,可以在循環(huán)系統(tǒng)的局部和整體層面描述血流形表明當使用支架治療狹窄與動脈瘤毗鄰并發(fā)的患者態(tài),為多尺度的血流動力學分析提供理論工具,即用時,載瘤動脈的形狀、動脈狹窄確實對動脈瘤部位壓心血管系統(tǒng)的集中參數(shù)模型(0維與局部三維血管力變化有影響,但輕度狹窄的支架介入治療后不會模犁相結(jié)合,利用集中參數(shù)模型為三維模型提供更導致顯著的壓力增加。王希誠、張藝浩等的文章加生理真實的計算邊界條件。所開發(fā)的無創(chuàng)檢測技《血流作用下冠脈支架的疲勞壽命優(yōu)化》,建立了包術(shù)和裝置,在心血管功能、動脈彈性、妊高癥、中醫(yī)脈含植入支架、血液、血栓以及動脈壁的簡化組合模相無創(chuàng)檢測等方面得到了很好的臨床應用,取得良型,通過數(shù)值模擬的方法研究了支架疲勞壽命優(yōu)化好的社會效益和經(jīng)濟效益。問題,結(jié)果表明利用所建立的 Kriging代理模型可對2.3基于血流動力學仿真的心血管外科手術(shù)規(guī)劃,冠脈支架疲勞壽命進行有效的評估,據(jù)此對支架進為輔助心血管疾病的臨床治療提供了良好的理論支行優(yōu)化設計可以有效地提高支架的使用壽命。此持外,研究人員還提出了局部開窗和局部被膜等新的本專欄中,劉有軍、趙夕等的文章《雙向雙側(cè)支架治療技術(shù)以及新型網(wǎng)絲截面支架等血管內(nèi)支架格林手術(shù)的數(shù)值研究》利用數(shù)值模擬的方法預測左結(jié)構(gòu),以改善介人治療效果?；诙嘀行牟±Y料,上腔靜脈與肺動脈的連接位置對雙向雙側(cè)格林手術(shù)建立了支架介入治療的病例數(shù)據(jù)庫,并利用統(tǒng)計分的影響,研究結(jié)果對于評價伴隨有左上腔靜脈的單析和神經(jīng)網(wǎng)絡等原理和方法,對支架療效評估進行心室心臟缺陷綜合征的治療手術(shù)是非常有意義的。了研究。不僅考慮療效的生理病理因素,還重點考此外,該課題組還在冠狀動脈旁路移植管搭橋術(shù)、復慮了不同動脈病變、不同支架類型、不同釋放位置等雜先心病(單心室) Fontan矯治術(shù)、 Fallot四聯(lián)癥右情況下血流動力學因素的影響;為個性化術(shù)后療效室流出道加寬補片術(shù)、 Batista手術(shù)(左心室減容預測打下了良好的基礎。術(shù))、主動脈夾層的旁路搭橋轉(zhuǎn)流術(shù)、動脈瘤和動脈基這V山中國煤化工司題,如:新型狹窄的血管內(nèi)支架介入治療術(shù)等方面,開展了一系支架結(jié)構(gòu)及NMHG方面?藥物緩列的生物力學仿真和手術(shù)規(guī)劃研究。 Stanford大釋支架是最好的遠擇嗎?是個是肋有的動脈瘤都適學的 Taylor等最早建成了世界上第一個虛擬血合用支架介入治療?介入式熱療方法可否用于動脈醫(yī)用生物力學第27卷第5期2012年10月478Journal of Medical Biomechanics, Vol. 27 No 5. Oct. 2012瘤的治療?等等。這些問題為后續(xù)的深入研究指明體力學需要考慮的重要問題?；谶@些因素而建立了方向。血管壁的動態(tài)本構(gòu)方程,將為流固耦合問題的研究2.5建立合理的血管力學特性,研究血液流動的流奠定科學基礎,進一步推進血管生理病理的流固耦固耦合效應合研究和介入治療器械的設計本次專欄中,劉志成、錢秀清等6的文章《基于(3)加強微/納尺度生物流體力學研究。非線膨隆實驗的血管非線性力學特性確定方法》,利用性、非平衡、各向異性、生物化學反應、跨越分子細動物實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法構(gòu)建了腹主動脈胞組織器官-系統(tǒng)等多個層次是生物流體力學研究的本構(gòu)關(guān)系,同時提出了一種反方法以識別血管的的基本特征。一方面沿著力學細胞分子-基因的方材料特性。本方法對材料特性識別初值的選擇沒有向探討深層次的應力生長關(guān)系,進一步認識生物大限制,能用于血管非線性力學特性的識別。利用本分子的力學特性、結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系、力學化學耦合方法就可得到患者血管的非線性材料特性,從而判效應,在細胞、亞細胞層面揭示生命活動的力學調(diào)控斷血管力學特性的變化或用于血管的流固耦合分規(guī)律;另一方面沿著基因分子細胞組織器官人析,得到更可信的血流動力學參數(shù)。李志勇、史正體的方向研究生命活動過程中的流體力學規(guī)律,探濤的文章《腹主動脈瘤的數(shù)值計算模型比較研索相關(guān)疾病預防、診斷、治療的新方法和新技術(shù),力究》,以流固耦合模型與純流體計算模型對比的方爭在相關(guān)疾病的基因治療、干細胞治療、藥物設計等式對腹主動脈瘤的血流動力學進行了數(shù)值模擬研方面獲得突破。究。結(jié)果顯示,流固耦合模型中的最大壁剪切力比(4)個性化手術(shù)規(guī)劃的計算機輔助優(yōu)化設計。純流體模型要小,最大壁應力和最大血管壁的形變基于大量臨床病例和血流動力學基礎的回顧性分析量與出口血壓呈正相關(guān)。由此推斷,在研究血管瘤和前瞻性研究,搭建一個醫(yī)學工程集成化、形象直生長與血流動力學的關(guān)系時,需要使用流固耦合模觀、操作簡便的心腦血管疾病手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng),為臨床型。血液在動脈血管內(nèi)的流動是一個流固耦合的醫(yī)生提供便捷的手術(shù)規(guī)劃輔助工具,實現(xiàn)手術(shù)設計力學過程。為了較為真實地反映血流動力學變化,和術(shù)后預測,力爭從經(jīng)驗型醫(yī)療向設計型醫(yī)療過渡。針對具有大變形問題的血流動力學分析,應該基于(5)進一步開展包括管腔內(nèi)支架、人工血管、人流固耦合模型進行數(shù)值模擬。工心瓣和人工心臟泵心室輔助裝置等術(shù)后的流體動力學機理研究,特別是針對目前產(chǎn)品存在的臨床實3血流動力學的研究趨勢際問題,提出合理的解決方案,設計和開發(fā)新型的醫(yī)血流動力學研究不僅有利于揭示血液循壞系統(tǒng)獰器械和材料。探討人工心瓣、左心輔助血泵導致的流動物質(zhì)交換和能量傳遞的基本規(guī)律,還可以為的血流動力學改變對于心臟結(jié)構(gòu)和功能的影響對保障人類健康、預防和治療重大疾病提供新概念新心肌細胞中基因和蛋白質(zhì)表達的影響以及對主動理論、新方法和新技術(shù)。今后的研究應該考慮以下脈基底和主動脈瓣的影響。內(nèi)容。(6)極端條件下的血流動力學研究。探討在超(1)多尺度耦合分析及其在相關(guān)疾病診療中的失重、高低溫、高低壓等極端條件下血管系統(tǒng)的生物應用研究。疾病發(fā)展需要幾年時間,因此需要建立增殖、分化及凋亡的影響;血流灌注、組織/血管重在生理系統(tǒng)上跨越物理尺度和時間尺度的數(shù)學模型建;空間藥物傳輸?shù)?。這些研究將為軍事、醫(yī)療、安和數(shù)值方法,包括物理多尺度、幾何多尺度、時間多全、防護等應用領域提供科學依據(jù)。尺度等多層面的數(shù)學模型構(gòu)建、數(shù)值模擬研究、模型(7)逐步開展并深入探討毛細血管、靜脈血管實驗研究等,力爭從生物流體力學定量分析的角度為中血液流動的聞題講而研發(fā)加微循環(huán)評測裝置靜相關(guān)疾病的形成、發(fā)展、診斷和治療提供理論基礎。脈濾器等醫(yī)中國煤化工學上區(qū)別動脈(2)建立并完善活體組織的本構(gòu)關(guān)系。心腦血和靜脈內(nèi)皮CNMHG異對心血管疾管系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)非線性、黏彈性力學性質(zhì)非線性、病的病理生理作用,可以提供治療心血管疾病的新殘余應力不確定性等,是研究這些系統(tǒng)中的生物流方法劉有軍,等,血流動力學及其醫(yī)學應用LIU You-Jun, et al. Hemodynamics and its medical application479展[小].醫(yī)用牛物力學,2000,24(6):3954004結(jié)語YJ, Qiao AK. Progress ofon hemodynamics生物力學界一致認為,血流動力學應立足于從simulation cardiovascular surgical planning [J]. J Med Bio-mech,2009,24(6):395400臨床治療角度提煉科學問題,研究成果更多地體現(xiàn)4]劉明,劉肖,康紅艷,等.主動脈處的血流動力學特性及其生在臨床和保健的預防、診斷、治療等多層次的應用醫(yī)用生物力學,2012,27(5):481487在血流動力學與血管生理/病理/治療之間的關(guān)系研Liu M, Liu x, Kang HY, et al. Hemodynamic characters究取得重大成果的基礎上,血流動力學研究正在將tics of the aorta and its physiological significance [J].J這些成果逐步推向醫(yī)學應用,如基于血流動力學優(yōu)Med Biomech,2012,27(5):4814875〕肖漢光,何為,李松濃,等?；趥鬏斁€模型的脈搏波傳播化的心血管外科手規(guī)劃、血管支架介入治療的優(yōu)化、數(shù)值仿真及參數(shù)分析[引].醫(yī)用生物力學,2012,27(5)人工組織器官的開發(fā)、心腦血管的無創(chuàng)/微創(chuàng)檢測設備等,特別是利用旋動流原理增加血管壁面切應力Xiao HG. He W. Li SN, et al. Numerical simulation of來指導小口人工血管設計、靜脈濾器設計、血管內(nèi)支pulse wave propagation and parameter analysis based ontransmission line model [J. J Med Biomech, 2012, 27架設計等,這些都展示了血流動力學廣闊的醫(yī)學應(5):52753用前景。「6]吳結(jié)鳳,黃學進,李晉川,等脈動流模擬系統(tǒng)血壓波形相未來醫(yī)學模式將由治療型向預防保健為主的模似度算法研究[J].醫(yī)用生物力學,2012,27(5):515520式轉(zhuǎn)變,特別是由于個人健康意識的增強,用于社Wu JF, Huang XJ, Li JC, et al. Similarity measurement of區(qū)、家庭和個人保健及健身的設備、健康自我檢測醫(yī)blood pressure waveforms for pulsatile flow simulation sy療設備將成為家庭中新的“家電”。未來生物醫(yī)學tem [J].J Med Biomech, 2012, 27(5): 515-520「7]趙夕,劉有軍,白帆,等,雙向雙側(cè)格林手術(shù)的數(shù)值研究工程學向生物學、工程學和醫(yī)學更緊密相結(jié)合的方[J」.醫(yī)用生物力學,2012,27(5):488494向發(fā)展,為醫(yī)療保健創(chuàng)造出來的新技術(shù)、新方法、新Zhao x. Liu YJ, Bai F. et al. Numerical study on bilateral材料、新儀器設備將推動醫(yī)學更快地向更高層次發(fā)bidirectional Glenn shunt [J]. J Med Biomech, 2012, 27展。面向醫(yī)學應用的血流動力學將為心腦血管疾病(5):488-494的預防、診斷和治療提供強有力的理論支撐。21世8]喬愛科,劉有軍.面向醫(yī)學應用的血流動力學動脈中的血流[J].北京工業(yè)大學學報,2008,34(2):189紀是生命科學大發(fā)展的時代,工程技術(shù)與生命科學進一步互相滲透,必將推動血流動力學研究和開發(fā)9]aaA,LuY. Medical application oriented blood flow sim跨入嶄新的階段。ulation [ J. 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