过载负荷下分叉血管的流动数值模拟

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0573

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

剪切应力：物体由于外因(载荷、温度变化等)而变形时，在它内部任一截面(剪切面)的两方出现的相互作用力，称为“内力”。内力的集度，即单位面积上受到的内力称为“应力”。应力可分解为垂直于截面(剪切面)的分量，称为“正应力”或“法向应力”；相切于截面(剪切面)的分量称为“剪切应力”。

数值模拟：也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。数值模拟技术诞生于1953年Bruce G.H和PeacemanD.W模拟了一维气相不稳定径向和线形流。受当时计算机能力及解法限制，数值模拟技术只是初步应用于解一维一相问题。两相流动模拟诞生于1954年，West WJ和Garvin W.W模拟了油藏不稳定两相流。

摘要

背景：人体对于过载负荷的大小具有一定的耐受极限，超过一定强度时会对人体造成损伤，过载对人体血管流动过程的影响是载人航天医学研究的一个重要课题。

目的：针对典型的颈部动脉简化分叉三维血管模型进行了非常规重力载荷下的脉动流血管流动形态数值模拟分析。

方法：根据人体的正常脉搏周期，计算过程设定0.85 s为一个血液脉动供给周期。对于分叉血管(基于人体颈部动脉分支血管的几何特征进行刚性简化)，假设正常状态下主血管与分支血管流量分配为7∶3。基于Fluent计算流体力学软件，通过在控制方程动量源项中添加重力载荷的方法(过载方向X+，过载大小为1 G；过载方向Y+，过载大小为2 G)，分析重力过载效应对人体典型血管流动特征的影响。

结果与结论：①获得了重力过载下的瞬态流场结构、壁面剪切应力的变化情况。由于受到Y+方向过载的影响，分叉血管在不同时刻在流速分布、回流区域大小、剪切应力分布上存在明显差异；②超重负荷效应下，分叉位置分支血管内壁面处形成了明显的分离区域且血液流量明显变大，造成主血管段内血液流量减少且发生严重的回流现象；③在超重负荷的影响下分支血管段壁面剪切应力明显大于主血管段壁面剪切应力。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0001-5125-827X(鲍觅夏)

关键词: 重力过载, 过载负荷分叉血管流动数值, 剪切应力, 数值模拟

Abstract:

BACKGROUND: Human body has a certain tolerance limit to overload, so load beyond certain strength will cause damage to the human body. The effect of overload on the flow of blood vessels is an important medical topic in manned space.

OBJECTIVE: To study the flow patterns of pulsating blood vessels under unconventionally gravity load in a typical three-dimensional model of cervical artery.

METHODS: Based on normal pulse cycle, we considered 0.85 seconds as pulsating blood supply cycle. The blood flow ratio of main vessels and branch vessels was 7:3. Based on Fluent software, the effects of gravity overload on the flow characteristics of typical blood vessels were analyzed by adding gravity load (1 G of overload at direction of X+; 2 G of overload at direction of Y+) to the momentum source of the control equation.

RESULTS AND CONCLUSION: The changes of transient flow field structure and shear stress of wall under gravity overload were obtained. Because of the influence of Y+ direction of overload, the bifurcating vessels had obvious difference in velocity distribution, size of reflux region and shear stress distribution at different time. Under the effect of overweight load, the blood flow in the main blood vessel decreased and serious reflux occurred. The shear stress on the wall of the branching blood vessel was obviously higher than that on the main blood vessel.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Stress, Mechanical, Hemodynamics, Computers, Analog, Tissue Engineering

中图分类号:

R496

鲍觅夏，周平，郭凤，王佳. 过载负荷下分叉血管的流动数值模拟[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(4): 551-555.

Bao Mixia, Zhou Ping, Guo Feng, Wang Jia. Numerical simulation of bifurcating blood vessel flow under overload[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(4): 551-555.

图/表（结果） 4

2.1 血流特征对比分析 为了分析重力过载效应对血管流动基本特征的影响，以简化的分叉血管为研究对象，采用流体动力学方法，通过数值计算获得了常规重力条件下和重力过载条件下的分叉血管流动特征。

正常重力1 G(x=-9.81)工况下，首先选取一个心动周期内4个不同时刻的分叉血管作为研究对象。数值计算结果如图2所示，图中显示了不同时刻(对应于速度最大值和最小值时刻)，分叉血管内部的局部速度矢量图。从图中可以清楚地看到各时刻速度分布大小的情况，即血液流动快慢的分布情况。通过时间序列的血管流动演化过程的对比分析可以看出，随着血管入口脉动速度逐渐变大，在血管分叉区域逐渐形成一个分离区。当入口速度达到峰值时，分离区域稳定且达到最大。随着血管入口脉动速度逐渐减小，分离区域向分支血管内部运动将形成多个分离区。在血管入口处，流动偏向于管壁内侧，随着几何形状的变化，主血管和分支血管流动均是先偏向于管壁外侧，后偏向于管壁内侧。

由上述分析可以得出，分叉血管内部血液流动速度表现为不对称分布特性。这种由于速度分布不均匀而造成的动压根部不均，会使得管壁表面所受到的压力和剪切应力分布也出现不均匀性特点。
Y+方向超重2 G(从右肩到左肩，y=9.81*2)工况下，如图3所示分别为不同时刻(对应速度最大值和最小值时刻)，分叉血管局部速度矢量图。在图中，可以清楚看到各时刻速度分布大小的情况，即血液流动快慢的分布情况。通过对比分析可以得出，当t≤0.12 s时，血管入口速度逐渐变大，受到Y+方向过载的影响，主血管段速度与无超重负载情况相比，流动速度明显减小。然而分支血管内部速度变大且在分叉区域并没有形成明显的分离区。0.12 s≤t≤ 0.2 s时，在分叉处分支血管外壁面处逐渐形成明显的分离区且分离区区域逐渐变大，在0.2 s时分离区区域达到最大值。同时在分叉处主血管外壁面区域形成明显的分离区且分离区区域不断变大。0.2 s≤t≤0.27 s时，分叉位置分支血管外壁面处的分离区逐渐变小直至消失，此时分支血管段内没有任何明显的分离区。分叉位置主血管段外壁面处的分离区不断变大，造成主血管出口处有明显的回流。0.27 s≤t≤0.8 s时，在分叉位置分支血管内壁面处形成了明显的分离区域且血液流量明显变大，造成主血管段内血液流量减少且发生严重的回流现象。

2.2 剪切应力分布对比分析 利用计算流体力学分析方法可以获得实验无法直接测量的管壁剪切应力，为血流动力学分析提供定量的分析参数。重力过载作用下，也会对血管壁面的应力分布产生一定的影响。

图4所示为正常重力(x=-9.81)工况下，不同时刻分叉血管壁面剪切应力分布图。在t=0-0.12 s时，即收缩上升阶段，入口速度逐渐变大，壁面剪切应力随之变大，且在入口处及分叉处剪切应力远大于其他位置。在t=0.12- 0.34 s时，入口速度逐渐减小，壁面剪切应力也随着减小且管壁内侧剪切应力大于管壁外侧。在t=0.34-0.49 s时，入口速度逐渐变大，壁面剪切应力也随之变大且管壁内侧大于外侧。在t=0.49-0.8 s时，入口速度逐渐减小，壁面剪切应力随之减小且管壁内侧大于外侧。

如图5所示为Y+方向超重2 G(从右肩到左肩，y=9.81*2)工况下，血管壁剪切应力分布云图。在t=0- 0.12 s时，即收缩上升阶段，在超重负荷的影响下分支血管段壁面剪切应力明显大于主血管段壁面剪切应力。与无超重负荷工况相比，主血管段壁面平均剪切应力并无明显差距只是分叉位置外壁面处的低剪切应力区域明显变大。然而分支血管壁面平均应力明显变大且在分支血管内壁面处剪切应力较小。在t=0.12-0.34 s时，入口速度逐渐减小，整体壁面剪切应力也逐渐减小，但是平均剪切应力仍大于无超重负荷工况时的平均压力。在t=0.34-0.49 s时，入口速度逐渐变大，分支血管壁面平均剪切应力同时变大，但是主血管段壁面平均剪切应力仍在减小。此时间段，无超重工况下，主血管壁面平均剪切应力随着速度变大也逐渐变大，两种工况主血管壁面剪切应力变化特征相似。在t=0.49-0.8 s时，入口速度逐渐减小，壁面剪切应力随之减小，但是仍然大于无超重工况时的壁面平均剪切应力。

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引言

重力对人类生活具有重要影响。地球上人体各系统在被动刺激(重力)、主动刺激(运动)相互作用诱导下，将产生与之相适应的一系列生理、生化过程^[1]。人类已适应了地球条件下常规重力的力学环境。随着航空航天事业的不断发展，在人类探索太空的实践中，必然面临着非常规重力环境的考验。非常规重力环境包含两类：一类是微重力环境，一类是过载重力环境。其中微重力环境是宇航员太空生活中必须面临的环境特征，其表现在长期应激特性^[2-4]。后一种的过载环境主要体现在宇航员进入太空的过程中，由于火箭发动机加速过程带来的负载，其表现为短时应激。此外在舰载机起飞、飞行员应急弹射逃生的过程中也面临着重力过载的影响，甚至人体在意外跌倒的过程中也伴随着非常规重力负荷对人体的影响。人体对于过载负荷的大小具有一定的耐受极限，当过载负荷超过一定强度极限时会对人体造成损伤^[5]。在载人航天工程实践中，对人体过载负荷耐受极限的研究及其训练是载人航天医学研究的一个重要课题^[6-8]。人体在不同的重力过载条件下，会产生不适感，并随着体位的不同而不同。目前的主要解释是，过载条件可能对心脏的供血功能和血循环系统产生影响^[9-10]，但是其中的作用机制尚不明确。人体具有非常复杂的血液循环系统。非常规重力环境下，人体不适感是否是由血液的供给和流动过程的影响而导致的，需要进一步研究。

血流动力学模拟方法已经成为血管疾病诊断、预测分析临床应用与研究领域的一个热点方向。已有研究认为，过高的切应力将导致与血液接触的血管内皮细胞损伤，促使血小板聚集和黏附，进而形成局部血栓^[11]。颈动脉内的流动分离也会导致血液脂蛋白浓度的改变，对动脉粥样硬化的形成有一定的影响^[12]。过高平均壁面剪切力会导致内膜损伤和增加血栓形成的风险^[13-14]。

文章基于Fluent流体力学软件，通过对控制方程动量源项添加重力载荷的方法，分析重力过载条件对人体颈部动脉简化分叉血管流动特征的影响，获得重力过载下的瞬态流场结构、壁面剪切应力的变化情况。研究结果可为非常规重力负荷导致的器质损伤和生理反应机制的分析提供一些有益结论，为载人航天医学研究中人体负荷耐受极限的研究及其训练提供参考。

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材料方法

讨论

短时应激虽然时间短，但是由于其强度往往较大，对人体易导致损伤。由于非常规重力加载大多伴随着其他外力损伤，人们往往忽视了它对人体心血管机能造成的伤害。在战斗机飞行员各种应激中，由持续性加速度导致意识丧失的威胁仍然被认为是最重要的，持续性加速度生理研究与防护成为飞行生命保障与防护救生的重点。飞行员在持续高+G条件下的暴露会引起人体暂时性应激变化，影响心脏舒张功能，应该对飞行员健康深层次防护问题开展研究。新型战斗机的敏捷性与机动性能已明显超过人体生理耐限，机体表现出明显的血液动力学变化及生物力学改变，威胁飞行人员的身体健康甚至生命安全，进而影响战斗机性能的发挥。过载即在飞行时飞行员的身体必须承受巨大的加速度。这些正或负的加速度通常以G的倍数来度量。过载分为正过载和负过载。正过载即在加速度的情况下离心力从头部施加到脚，血液被推向身体下部分。正过载的情况下如果飞行员的肌肉结构不能很好地调整，则大脑就得不到适当的血液补充，飞行员易产生称为灰视或黑视的视觉问题。如压力持续，可最终可导致飞行员昏迷。负过载指飞行员在负加速度下飞行时(如倒飞)，血液上升到头部，颅内压力增加，会产生不舒服甚至痛苦的感觉。

在高强度的过载作用下，由于多表现为碰撞损伤，而对心血管的影响研究不足。前已有大量的研究针对失重条件下的长期应激开展研究，而对短时应激的研究不足。在高强度的过载作用下，由于多表现为碰撞损伤，而对心血管的影响研究不足。张立辉等^[6]回顾了近年来持续性正加速度生理效应研究进展。Iyer等^[16]曾报道飞行员高+Gz训练后的激素变化水平，认为训练时的应激足以对心肌造成显著损害。金朝等^[7]的研究结果提示，在高+G暴露后出现心肌细胞发生一过性轻微损伤，表明+G暴露并非对人的心肌无不良影响。Ozturk等^[17]的研究结果表明慢性+Gz暴露对心脏结构及收缩功能没有影响，但对心脏舒张功能有一定影响。Tetsuya等^[18]在对飞行员进行离心机训练中发现，采用慢增长率和快增长率两种高+G训练模式，可促使血小板活化，导致心肌细胞及血管内皮细胞损伤；还可使高胆固醇饮食兔主动脉内皮细胞CO含量和血红素氧化酶活性明显升高，造成兔血清脂质代谢紊乱^[19]，表明+Gz暴露可能加速动脉粥样硬化的进程^[20]。因此，虽然未发现+Gz暴露会对人的心脏造成不可逆性损伤，但对心肌细胞与心脏功能具有一定影响。关于高+G暴露是否会对人体心血管系统造成严重损伤及其防护问题，还有待深入研究。

目前已有大量的研究针对失重条件下的长期应激开展研究。而对短时应激的研究不足。持续性的正加速度生理效应对心血管系统的影响，重力过载环境下的暴露对心脏结构和功能的影响一直是航空医学界关注的问题。采用流体动力学方法可以获得人体血管系统受重力加载作用下流体动力学特征的改变过程，建立过载效应导致血流特征的变化与相关生理应急之间的联系。研究结果可为非常规重力负荷导致的器质损伤和生理反应机制的分析提供一些有益结论，为载人航天医学研究中人体负荷耐受极限的研究及其训练提供参考。

文章借助Fluent软件模拟计算了重力过载条件下的分叉血管流动和剪切应力分布特征，主要得出以下结论：

(1)由于受到Y+方向过载的影响，分叉血管在不同时刻在流速分布、回流区域大小、剪切应力分布上存在明显差异；

(2)超重负荷效应下，分叉位置分支血管内壁面处形成了明显的分离区域且血液流量明显变大，造成主血管段内血液流量减少且发生严重的回流现象；

(3)在超重负荷的影响下分支血管段壁面剪切应力明显大于主血管段壁面剪切应力。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程