本文關鍵詞：血流動力學的醫(yī)學應用與發(fā)展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

醫(yī)用生物力學 第 28 卷 第 6 期 2013 年 12 月 Journal of Medical Biomechanics，Vol． 28 No． 6 ，Dec． 2013

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7220 （ 2013 ） 06067707 文章編號： 1004-

血流動力學的醫(yī)學應用與發(fā)展
白
1 1

2 1 帆 ， 劉有軍 ， 謝進生 ， 丁金立 ， 王 1 楓 ， 趙 1 1 1 夕 ， 任曉辰 ， 喬愛科

（ 1． 北京工業(yè)大學 生命科學與生物工程學院 ，北京 100124 ； 2． 北京安貞醫(yī)院 心臟外科，北京 100029 ）

摘要： 血流動力學是指血液在血管系統(tǒng)中流動的力學 ， 主要研究血流量、 血流阻力、 血壓、 切應力、 擾動流等， 以及它 對人類生命健康具有重要的影響 。 血流動力學在血管的彎曲 、 狹窄、 堵塞、 分叉以及腫瘤的治 們之間的相互關系， 療等方面具有重要的臨床研究意義 。目前， 血流動力學在動脈血管搭橋 、 冠狀動脈狹窄、 腹主動脈瘤、 動脈粥樣硬 化、 腦動脈腫瘤以及旋動流等方面引起廣泛研究 。伴隨著血流動力學的深入研究 ， 心腦血管的手術規(guī)劃、 介入治療 基于血流動力學的臨床檢測和治療儀器也越來越多 。 血流動力學因素， 如血管壓力、 血管阻力、 等得到快速發(fā)展， 血流量、 壁面切應力、 血液黏度、 流動分離、 湍流、 渦流等對常見血管疾病以及術后并發(fā)癥的影響機理正在逐步深入 探索之中， 并已經取得了一定成果 。 關鍵詞： 血流動力學； 動脈疾病； 手術規(guī)劃； 介入治療； 醫(yī)療儀器 中圖分類號： Ｒ 318． 01 文獻標志碼： A

Ｒecent development and application of hemodynamics
BAI Fan1 ， LIU Youjun1 ， XIE Jingsheng2 ， DING Jinli1 ， WANG Feng1 ， ZHAO Xi1 ， ＲEN Xiaochen1 ， QIAO Aike1 （ 1 ． College of Life Science and Bioengineering，Beijing University of
Technology，Beijing 100124 ，China； 2 ． Cardiac Surgery Department，Beijing An Zhen Hospital，Beijing 100029 ， China）
Abstract ： The study of hemodynamics，which refers to dynamics inside the blood circulation，mainly includes the flow rate，flow resistance，pressure，shear stress，disturbed flow，as well as their associations in between． Therefore，with its important significance in the clinical treatments of vessel curvature，arterial stenosis or occlusion，pathological artery branches and aneurism，study about hemodynamics is essential to human health． Currently ，extensive researches on hemodynamics have been conducted with respect to artery bypass，coronary arterial stenosis， abdominal aortic aneurysm， atherosclerosis，cerebral aneurysm and swirling flow． With the development of such research on hemodynamics，surgical planning and interventional therapy have improved rapidly． The influence mechanism of hemodynamic parameters， including pressure，flow resistance，flow rate， wall shear stress ， blood viscosity， flow separation， turbulent flow， vortex on the postoperation complications could be deeply explored with the help of more and more clinical apparatus and have gained some achievements． Key words： Hemodynamics； Arterial disease； Surgery planning； Interventional therapy； Medical instrument

生物體處于力學環(huán)境之中， 力學因素影響機體 整體、 器官、 組織、 細胞和分子各層次的生物學過程 。 血液循環(huán)過程包含著血液流動、 血細胞和血管的變 形、 血液和血管的相互作用等， 其中均蘊藏著豐富的

力學規(guī)律。血流動力學是血液在心腦血管系統(tǒng)中流 動的力學， 對人類生命健康具有重要意義。 血流動 力學因素與動脈疾病的形成、 發(fā)展和治療存在密切 聯(lián)系， 對動脈中的血流動力學研究一直是生物力學

0903 ； 修回日期： 20120928 收稿日期： 2012基金項目： 國家自然科學基金資助項目 （ 11172016 ） ， 北京市自然科學基金重點資助項目（ KZ201210005006 ） 。 mail： lyjlma@ bjut． edu． cn。 通信作者： 劉有軍，教授，博士研究生導師 ，Tel： （ 010 ） 67396657 ； E-

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［12 ］

和生物醫(yī)學工程研究的熱點

。

心血管系統(tǒng)中常見的動脈病變有內膜增生、 粥 動脈瘤和血栓癥等。 在大量復雜的生理學 樣硬化、 和生物力學因素中， 一些異常和不均勻的血流動力 學特征如渦流、 長粒子滯留時間、 高壓、 低壁面切應 力、 振蕩的壁面切應力等， 被普遍認為是動脈病變重 要的原因
［36 ］

1

數值模擬在血流動力學方面的應用

血管內血流動力學信息最直接、 最準確的獲取 方法即從人體中直接測量。但是出于多種社會因素 和技術限制， 直接對人體進行測量存在較大的局限 性。利用動物實驗和離體實驗進行血流動力學測量 的方法較為常用， 通過這些方法能夠較好地獲取血 管內部大概的血流狀態(tài)、 血管壓力和血流量等， 卻難 。 隨著計算機技 ， 術和圖形處理技術的快速發(fā)展 計算流體力學逐漸 成為血流動力學計算和分析的重要方法 �；谟邢� 元法和控制體積法的生物流體計算軟件大量出現(xiàn) 。 通過計算，， 可以直觀地觀察到血管內部的三維流場 細節(jié)， 例如渦流、 二次流、 流動分離等， 同時也可以獲 取感興趣部位的壁面切應力、 壓力、 血流速度等血流 動力學參數， 與實驗的方法相比， 更具優(yōu)越性。由于 計算結果與所給定的邊界條件、 材料屬性、 網格大 小、 計算收斂精度等多個因素存在直接聯(lián)系 ， 故計算 結果必然存在一定的誤差。 經臨床試驗對比， 目前 計算流體力學得到的血流動力學信息較好地符合臨 床實際測量結果， 其有效性得到眾多臨床醫(yī)生的認 可， 對臨床具有一定的意義。因此， 基于血流動力學 的計算流體力學在心腦血管的研究方面得到廣泛應 尤其是在先天性心臟病的檢查和輔助手術決策 、 用， 動脈瘤破裂的預防、 動脈血管血栓的血流動力學分 析、 病變血管壁生物力學機制的探索 、 植入支架后血 管內環(huán)境的改變等方面 （ 見圖 2 ） 。 動脈血管在計算流體力學計算中 ， 多數情況下，
［1820 ］

。動脈粥樣硬化總是呈現(xiàn)高度的病灶

即動脈粥樣硬化早期的斑 性而無明顯的個體差異， 狀沉積大都會發(fā)生于冠狀動脈、 頸動脈、 腹主動脈、 股動脈等的復雜流動區(qū)域， 而其他動脈中則不發(fā)生 或基本不發(fā)生這樣的病變
［79 ］

以觀測局部細節(jié)的血流狀況

［1517 ］

。 動脈瘤常常發(fā)生在 。 這些病變部位的

腹主動脈或為大腦供血的小動脈中， 而在肢體動脈 中則從不發(fā)生這樣的病變
［1011 ］

血液流動常常伴隨著流動分離、 回流、 二次流等復雜 而這些復雜流動全部是由動脈 流動現(xiàn)象（ 見圖 1 ） ， 的分岔、 彎曲等所引起的。研究表明， 血流動力學因 素如壁面切應力、 壁面切應力梯度、 流動分離、 二次 流等， 對動脈血管內皮細胞損傷、 動脈內膜加厚、 內 以及對聚 膜平滑肌細胞增生和內膜結締組織接合， 集單核血細胞、 血小板和巨噬細胞等， 都有著重要影 響
［1213 ］

。人們由此相信， 這些病灶部位的局部血流
［12， 14 ］

動力學因素在動脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展過程中起 著決定性的作用 。

血液被簡化成統(tǒng)一密度和黏度的牛頓流體 ， 對于非 牛頓流體的計算較為少見， 該問題目前已引起了部 分關注。如 Chitra 等 通過對全腔靜脈吻合手術 的非牛頓流體的仿真研究， 解釋說明了非牛頓在血
［21 ］

認為非牛頓流體仿真有 流動力學仿真中的重要性， 一定的實際意義。此外， 隨著年齡的增長， 血管系統(tǒng) 也處于生長發(fā)育的狀態(tài)， 目前的計算流體力學方法 主要計算當前生理條件和血管形態(tài)下的血流動力學 信息， 忽略了對生長條件下血流動力學信息的計算 ， 血流動力學計算與血管生長的關系也是未來要考慮 的重要方面。血管屬于軟組織， 血管壁具有一定的 彈性， 以往的計算流體力學大多忽略了血液流動與 血管壁之間的相互作用； 為了解決這一難題， 流固耦

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下肢動脈人工血管轉流術的手術規(guī)劃、 療效預測與 并形成了 評價等方面取得了一系列重大研究成果， 一個全新的研究領域—預測醫(yī)學。醫(yī)生可以考慮病 人的解剖結構和生理條件的個體差異， 基于醫(yī)學圖 像建立解剖和生理真實的手術模型， 利用血流動力 學數值計算來評價和比較各種不同的治療方案 ， 通 過獲得最佳的血流動力學參數來保證手術的成功和 ［18 ， 2627 ］ （ 見圖 3 ） 。 基于這一理念， Pen長期有效性 natia 等［28］通過血流動力學的優(yōu)化研究了治療單心 ［29 ］ 室疾病的 Fontan 手術優(yōu)化。在國內， 孫琦等 研究 了雙向 Glenn 手術的血流動力學特征， 為治療單心 室先天性疾病提供了重要的血流動力學依據 。丁金 研究了單心室治療的 TCPC 手術的血流動 力學優(yōu)化， 以及法洛氏四聯(lián)癥病人相應的體肺分流 術手術優(yōu)化， 并建立了一套手術規(guī)劃系統(tǒng)用以輔助 心血管疾病的臨床手術決策。 合的計算方法處于快速發(fā)展過程中 ， 如 Papahar［23 ］ ilaou 等 分別采用純流體計算和流固耦合模型計 算研究了腹主動脈瘤， 結果顯示無論流動狀態(tài)還是 剪切應力分布都存在明顯差異， 對于血管瘤方面的 研究需要考慮流固耦合的計算。
［22 ］

立等

［30 ］

2

血流動力學與心血管外科手術規(guī)劃

血液在血管內流動的血流動力學因素， 對心血 管疾病手術及術后長期有效性有很大的影響 。一方 面， 血管特別是動脈血管內的血流動力學因素與血 內皮細胞損傷、 內膜平滑肌細胞增生、 管內膜加厚、 粥樣硬化斑塊形成等血管疾病密切相關 。 另一方 面， 血管內的血流動力學對血管的幾何形狀強烈敏 感， 即血管幾何形狀的微小變化， 也會導致血流動力 血流動力學不僅在動脈粥樣 學的明顯差異。因此， 硬化的發(fā)生和發(fā)展過程中起著決定性的作用 ， 而且 使外科醫(yī)生在心血管疾病的手術、 介入治療等過程 中， 也必須充分考慮血流動力學的因素 。 基于血流動力學仿真的心血管外科手術規(guī)劃， 其主要目的是建立個性化的手術模型， 通過對不同 手術方案血流動力學參數的數值計算和比較 ， 從而 優(yōu)化心血管外科手術的血流動力學狀況， 降低動脈 疾病的危險性， 輔助醫(yī)學臨床手術決策， 以保證手術 ［2425 ］ 。 Stanford Taylor 的長期有效性 大學的 等 最早 建成了世界上第一個虛擬血管系統(tǒng)實驗室 ， 他們在
圖3 Fig． 3 利用手術規(guī)劃系統(tǒng)對手術進行優(yōu)化 Optimization with system of surgical planning

3

血流動力學與血管介入治療

血管內支架 （ endovascular stent，ES ） 介入手術 其手術特點為創(chuàng)傷小、 是治療心血管病的重要選擇， 風險低、 術后并發(fā)癥少。 全世界每年大約有 300 萬 ［31 ］ 人接受血管內支架手術治療 。 但是， 血管內支架 在臨床植入部位可能會發(fā)生血管再狹窄。 據統(tǒng)計， ［32 ］ 。 支架植入 6 個月后， 再狹窄率高達 20% ～ 30%

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一些研究表明， 血流動力學方面的因素也是支架植 血管再狹窄的一個重要的致病原因。 血管內 入后，
［3334 ］ ， 支架的植入會對血流產生不利的擾動 導致血 流產生流動分離， 使支架處區(qū)域的流動剪應力發(fā)生

的 Philips Ambient Experience Interventional Suite（ 見
［40 ］ 圖 5 ） 。在國內， 李潔等 應用彩色多普勒超聲技

睫 術觀察糖尿病患者眼部視網膜中央動脈 （ CＲA ） 、 狀后動脈（ PCA） 、 眼動脈 （ OA ） 血流動力學改變， 旨 在研究眼部血管血流動力學對糖尿病視網膜病變發(fā) 生發(fā)展的相關性， 探討彩色多普勒血流顯像技術在 糖尿病視網膜病變中應用價值。 劉皎然等
［41 ］

不利的改變

［35 ］

。血液流動的這些異常變化與再狹
［36 ］ ［37 ］

窄的發(fā)生存在相關性 。 鄧小燕等 的理論研究 結果表明， 動脈狹窄遠端的擾動流能夠增強血液與 動脈壁接觸面上脂質的積聚， 故如何抑制不利的擾 動是如今血流動力學的一個研究課題 。 支架置于動脈瘤口就相當于一個物理屏障， 可 以抑制瘤內血液流動， 達到治療的目的。 為了提高 支架治療動脈瘤的效果， 僅靠降低支架的通透率是 行不通的。因為較低的通透率會使支架和血管壁之 間的生物相容性變差； 同時， 較低的通透率也會使金 屬支架的彈性變差， 不利于支架的壓縮以及通過形 狀較為復雜的血管。 因此， 實際使用的支架通透率 是有一定范圍的。在生理條件下實際使用的支架通 透率范圍為 60% ～ 86% ， 而這一范圍數值的下限是 通過使用 2 個支架層疊來實現(xiàn)的。不同結構形狀或 者不同網絲截面的支架對動脈瘤血流動力學特性具 有不同的影響。已經有許多學者對圓型及矩形截面 支架對腦動脈瘤血液動力學的影響進行了研 ［3839 ］ 。如曾堃等［19］ 研究了相同通透率條件下不 究 同網絲截面形狀的支架對腦動脈瘤血流動力學的影 響（ 見圖 4 ） 。

運用

顱腦超聲對大腦前動脈的血流動力學檢測 ， 并通過 大腦前動脈血流動力學的變化在早期篩選出顱內室 并及時加以關注和預防性治 管膜下出血高�；純�， 療， 從而指導臨床早期預防性治療和判斷已經發(fā)生 規(guī)劃后期 顱內室管膜下出血患兒治療效果及預后， 治療具有重要臨床應用價值。 于飛等
［42 ］

利用胸腔

電生物阻抗的方法測量人體血流動力學和心臟功 分析了代謝綜合征對心臟血流動力學影響的特 能， 點， 中心性肥胖、 脂質代謝紊亂、 高血壓及糖代謝異 常這些代謝綜合征相關危險因素對血流動力學的影 以確定無創(chuàng)血 響 及其合并存在時心臟功能的改變 ，

圖4 Fig． 4

血管與支架裝配模型 Assembly model of the vessel and stent

4

基于血流動力學檢測和優(yōu)化的生物器械

血流動力學檢測技術在臨床疾病診斷與生物研 究中有著廣泛的應用， 目前有很多應用的實例， 例如 GE 公司的 Vivid E9 彩色多普勒超聲診斷系統(tǒng)、 邁 瑞公司的 iPM9800 血流動力學監(jiān)護儀和飛利浦公司

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流動力學監(jiān)護系統(tǒng)在代謝綜合征及相關危險因素中 為代謝綜合征的防治提供依據。 的監(jiān)測價值， 在人工組織與動物組織移植的研究中， 移植材 料的選取、 手術成功與否都要根據術后血流動力學 表現(xiàn)來評定。因此， 移植組織作為一種新型的醫(yī)療 設備， 在很多研究與應用中都需要得到良好的血流 動力學表現(xiàn)支持。 黃文等
［43 ］

其旋脊的橫截面為半圓形， 厚度 0． 2 mm。 剖面圖，

在對膨體聚四氟乙烯

人工血管補片移植的研究中發(fā)現(xiàn)內皮細胞可以覆蓋 ePTFE 材料表面，其內膜增生主要是平滑肌細胞 和膠原纖維增生引起。主要原因可能是內皮細胞慢 性損傷、 血小板聚集、 血流動力學改變、 材料與血管 順應性不一致等。 Deng 等
［44 ］

在研究血管材料水滲

透性與搭橋血管多孔性和手術成功率與手術時效性 的關系時， 提出過高的水滲透性會影響血細胞與搭 橋血 管 的 相 互 作 用， 會 提 高 搭 橋 失 敗 的 可 能 性。 ［45 ］ Jamieson 等 研究了牛心包瓣在治療心臟瓣膜變 異疾病時的應用， 根據臨床數據發(fā)現(xiàn)手術后病人心 臟關注區(qū)域具有良好的血流動力學指標， 未出現(xiàn)嚴 重的不匹配現(xiàn)象， 且手術材料與其他移植材料 （ 豬 ［46 ］ 心包膜） 相比具有更好的耐用性。 此外， 張鶴等 根據血流動力學參數來優(yōu)化人工血管結構 ， 建立在 低剪切力理論和血管結構的解剖發(fā)現(xiàn)等基礎上 ， 試 圖通過對血管內壁結構的特殊加工即加入螺旋槽結 阻止血栓形成和內膜增生等導致臨 構來增加流速、 提高人工血管的長期通暢率。 床失敗因素的發(fā)生， 張治國等 對動脈旋動流及其臨床應用進行了深 入研究： 人體循環(huán)系統(tǒng)內的旋動流是一種正常的生 理流動現(xiàn)象， 該旋動流可以保護動脈血管內壁面免 受側向應力的直接作用， 有利于動脈血管內皮損傷 的修復。該研究將動脈系統(tǒng)中的旋動流原理應用到 小口徑人造血管的設計中，研究了旋動流對小口徑 人造血管的血流動力學特性的影響 ； 結果表明， 旋流 引導器的植入可使小口徑人造血管內的血流產生旋 動， 血管近壁面處的血流速度及壁面切應力均得到 了顯著提高， 血流動力學環(huán)境得到了明顯的改善 ， 有 ［4750 ］ ， 望解決小口徑人造血管的血栓問題 如圖 6 所 示， 圖 6 （ a） 是新型與傳統(tǒng)小口徑人造血管的結構示 AA截 意圖，y 和 r 分別為血管的軸向與徑向坐標， 面（ 即 y = 0 處） 為兩種血管進行血流動力學參數對 比的起始位置； 圖 6 （ b ） 是旋流引導器的幾何形狀， 其螺旋線的波長為 4 mm； 圖 6 （ c ） 是旋流引導器的
［50 ］

5

結論

血流動力學因素， 包括血流速度、 壓力、 流動分 離、 二次流、 壁面切應力、 粒子滯留時間、 流動紊亂 等， 對于人體血管系統(tǒng)的生理和病理研究具有重要 意義。深入了解心腦血管疾病病灶部位 （ 如動脈血 管的分岔、 彎曲、 狹窄等處 ） 的局部血流動力學評價 指標， 可以很好地揭示和定量地描述血管病變的產 生和發(fā)展的情況， 為臨床醫(yī)學的疾病預防和治療提 供重要依據。數值模擬的方法與臨床血流動力學監(jiān) 測手段能夠較為準確地獲得上述血流動力學參數 ， 對于臨床手術方式的優(yōu)化與設計提供科學的方法和 研究血流動力學的學者主要以血流動 依據。目前， 力學參數評價手術的優(yōu)劣， 臨床醫(yī)生主要依據臨床 測量的生理指標評價手術的好壞， 而各類血流動力 學參數與生理指標均為心血管疾病的影響因素 。要 明確確定血流動力學參數與生理指標之間的定量關

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系， 目前還是一件比較困難的事情， 導致學者與醫(yī)生 這是血流動力學在 之間缺乏一個公認的評價標準， 醫(yī)學上發(fā)展與應用的一大阻力。 隨著數值模擬方法的逐步發(fā)展， 一些新的計算 流固耦合的方法 方法 （ 如 幾 何 多 尺 度 的 方 法、 等 ） 也不斷涌現(xiàn)， 使得學者與醫(yī)務工作者之間 的交流顯得更加重要。只有建立起學者與醫(yī)務工作 逐步減小雙方評價標 者之間暢通有效的溝通渠道， 準之間的差異， 才能讓血流動力學在醫(yī)學上有長足 的應用和發(fā)展。 血流動力學在臨床上的應用對心腦血管外科手 術產生了革命性的影響， 所有學者與醫(yī)務工作者都 應當并正在不斷努力， 力爭實現(xiàn)從經驗型醫(yī)療向設 計型醫(yī)療的過渡。 參考文獻：
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  本文關鍵詞：血流動力學的醫(yī)學應用與發(fā)展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。