颈动脉血液动力学的数值模拟

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.42.012

摘要/Abstract

摘要：

背景：由于颈动脉个体差异的多样性，血流量的不同等，因此建立人体真实动脉模型有其自身的局限性。
目的：分析不同颈总动脉脉动入口波形和内外颈动脉出口流量分配比对颈动脉血液动力学的影响。
方法：建立标准性颈动脉音叉式分叉TH-AHCB三维模型。采用不同脉动入口条件和出口流量分配比，利用ANSYS流体分析软件数值模拟颈动脉分叉管内流场，计算血液动力学参数，包括速度、壁面剪切力(WSS)等，结合数值计算结果，不同角度分析其与动脉粥样硬化的关系。
结果与结论：内外颈动脉的出口流量分配比的差异对分叉管内的流场影响很大；颈总动脉入口脉动波形的变化不仅改变血液动力学参数(速度、压力、壁面切应力等)的差值，同时还会导致力学机制作用的范围改变。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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关键词: 组织构建, 组织工程, 颈动脉, 入口条件, 血液动力学, 三维模型, 物理模型, ANSYS, 动脉粥样硬化, 数值模拟

Abstract:

BACKGROUND: To establish the real body’s artery model has its own limitations due to the diversity of different individual differences in the carotid artery and blood flow.
OBJECTIVE: To study the effect of different inlet velocity profiles of the common carotid artery and three different flow ratios of internal and external carotid artery on hemodynamics of the carotid artery.
METHODS: The carotid bifurcation TF-AHCB numerical model was established. Commercial software ANSYS was used to compute the flow field and calculate hematodynamic parameters, including velocity and wall shear stress. Then, their relationship with atherosclerosis was analyzed from different angles.
RESULTS AND CONCLUSION: Flow ratio of internal and external carotid artery significantly influences the flow field of the simulated bifurcation of the carotid artery. Changes in the magnitude of inlet velocity cannot only alter the hematodynamic properties, but also change the range of mechanical mechanism.

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Key words: hemodynamics, carotid arteries, computers, analog

中图分类号:

R318

袁玮，陈忠利. 颈动脉血液动力学的数值模拟[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(42): 6784-6788.

Yuan Wei, Chen Zhong-li. Numerical simulation of hemodynamics in the carotid artery[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(42): 6784-6788.

图/表（结果） 2

2.1 计算结果与分析 由于血液流动具有周期脉动性，所以对不同时刻进行具体分析，即收缩加速期和收缩减速期两个阶段。

2.2 回流区 图2为不同时期入口条件为a的3种出口流量分配比在颈动脉分叉平面内的回流区图。根据计算结果，比较回流区的形状和大小，可以了解回流区变化的趋势。在收缩加速期，流动平稳，没有明显的回流(图2A)。在收缩减速期，Qi/Qe=6∶4时颈动脉窦内回流区小，但回流速度比较大，回流速度为-0.05；而Qi/Qe=7∶3和Qi/Qe= 8∶2时虽然回流速度比较小，均为-0.01，但回流区域大，产生了强烈回流(图2B)。回流强烈，改变颈动脉所处力学环境，加大形成斑块风险，最终导致动脉粥样硬化的形成。

2.3 分离区 图3为内外颈动脉不同流量分配比时的速度分布。由图知：颈动脉窦内存在一个分离区，在收缩加速期到收缩减速期，分离区长度和廓度都明显的变大，收缩加速期分离区廓度约为收缩减速区廓度的一半左右；而当出口流量比改变时，分离区也有所变化。Qi/Qe=6∶4时分离区面积最大，Qi/Qe=8∶2时最小。分离区也会受到回流的影响。

2.4 壁面切应力 图4所示为内外颈动脉流量分配比Qi/Qe=7∶3，入口条件为a和b时的壁面切应力分布图。从图中可见，在收缩加速期和收缩减速期，两者都在颈动脉窦内形成低切应力区。然而在入口流量越小，则低应力区范围增大。并且，低应力区和入口流量没有直接的倍数关系，但入口流量的变化，会很大程度上影响低应力区范围的变化。根据Caro^[14]的理论，在低壁面切应力区域，脂质分子滞留时间长，容易使低密度脂蛋白聚集并经内皮细胞渗透而使血管内膜增厚，形成局部粥样斑块。由于个人动脉几何结构和心脏输出的脉动流量波形等差异性。导致产生的低应力区各有不同。而本研究结果显示，随着脉动入口流量的减小，进一增大了动脉粥样硬化的风险。

参考文献

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引言

心血管疾病是当前严重威胁人类健康的主要疾病，耗费的医疗费用居高不下，给家庭和社会造成巨大负担。为了早期诊断，及时防治心、脑血管疾病，有必要研制和开发更新型、有效和价廉的循环系统功能检测仪器和心、脑血管疾病的诊断仪器。血液动力学提供确定心血管参数的方法，因而有可能为新型检测和诊断仪器的研制及其临床应用提供新思想和新方法，从而在循环系统的临床医学和医疗仪器工程之间架起一座联系的桥梁。

动脉粥样硬化是一种慢性血管疾病。动脉粥样硬化的产生始于动脉的硬化和血管内膜的增厚^[1]。由于形成斑块，动脉血管壁变厚，导致血液运输通道变狭窄。有许多因素促进动脉中斑块形成，产生血液流动阻塞风险，更严重者斑块脱落，斑块脱落后会形成血栓，特别是颈动脉，可能导致灾难性结果——脑卒中，据报告显示，10%-20%的脑卒中是由于颈动脉斑块脱落而引起^[2]。Taxon^[3]证实，局部动脉粥样硬化斑块常常出现在动脉血管弯曲、分叉、分支等部位，并且血管几何形状和血液动力对斑块的形成有很大的影响。现在普遍认为高振荡剪切因子(OSI)低平均壁面剪应力(TAWSS)^[4-6]、粒子滞留时间(RRT)过长是促进动脉粥样硬化发生的血液动力学因素^[7-8]，但过高平均壁面剪切力(高于 40 Pa)也会导致内膜损伤和增加血栓形成的风险^[6^，^9]。由于动脉粥样硬化的潜伏期很长，可以长达几十年，而颈动脉狭窄的准确患病率和发病率很难确定，因此，往往会低估颈动脉狭窄所造成的严重后果。如果颈动脉形成粥样硬化，斑块脱落，引起血管阻塞，可能导致脑缺血、脑卒中甚至死亡，因此，研究人体颈动脉的血液动力学特征具有重要意义。

颈动脉由颈总动脉分叉成颈内动脉和颈外动脉，还有颈动脉窦，其血流状态复杂。目前国内外学者在这方面已做了大量的临床观测、动物实验和体外实验模拟工作。近几十年以来，随着电子计算机运行速度的加快和医学技术的发展，计算流体力学(CFD)被应用于数值模拟颈动脉分叉管的血液动力学行为，由于操作便利，耗费资源小，这一方法已成为重要的研究手段。

很多研究者建立人体真实动脉模型，使用计算流体力学从不同方面研究个体实例动脉的血液动力学，具有很大的临床意义。但由于个体差异的多样性，例如颈动脉几何形状的差异，血流量的不同等，该方法有其自身的局限性。本文建立标准性颈动脉分叉TF-AHCB数值模型^[10]，采用不同脉动入口条件和出口流量分配比^[11-12]，数值模拟颈动脉分叉管内流场，计算血液动力学参数，包括速度、壁面剪切力(WSS)等。结合数值计算结果，不同角度分析其与动脉粥样硬化的关系，对研究颈动脉粥样硬化的发病机制和治疗具有重要意义。

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材料方法

设计：建模观察。

材料：数据模型材料来源于上海医科大学人体解剖实验室74具中国人尸体的标本数据，女59具，男15具，年龄在30-75岁。

方法：

颈动脉分叉管TF-AHCB模型：采用音叉型TF-AHCB模型^[10]。它是采集原上海医科大学人体解剖实验室内74具中国人尸体标本数据的基础上建立，对Y型人体颈动脉分叉模型的修正模型，即Bhrardvaj等^[13]构造的Y形平均颈动脉分叉模型(Y-Shaped Average Human Carotid Bifurcation)，如图1A所示。结果证明：没有任何两具尸体的颈动脉分叉形态是完全相同的，即使是同一具尸体的左右两侧颈动脉也不相同。反映了人体颈动脉的差异。但形态差异性中也存在共性，从共性中得到普遍规律，反映出实际颈动脉分叉的基本特征。

假设：①颈总管(CCA)，颈内管(ICA)和颈外管(ECA)位于同一平面。②包括颈动脉窦在内的所有横截面均为圆形。③窦与颈外管的轴线关于颈总管轴线对称。④颈内管从窦末端起向内弯曲并逐渐同颈总管轴线平行，颈外管也做相应弯曲，如图1B所示。

数学模型：血液是一种流变性质很复杂的流体，研究发现，在管直径>1 mm和高切变率流动出现时，血液近似为Newtonian流体，大、中动脉血管中的流动满足这个条件。因为动脉直径比较大时，血管中红细胞相对非常小，可以认为血液是连续流体。

颈动脉属于大动脉，因此本文中假设血液为不可压缩的黏性牛顿流体(μ=0.004 Pa/s，ρ=1 060 kg/m³)，忽略血管壁弹性。血液为周期性脉动流，控制方程为：

这里U=是流速，p是压力，ρ是密度常数，μ是动力学黏度。

边界条件和数值计算：由于个体差异的多样性，考察不同脉动入口条件和出口流量分配比对颈动脉流场内速度、WSS的影响。采用两种脉动入口条件：a：正常脉动流量；b：正常脉动流量的1/10。分析不同脉动程度对血管壁的影响。内颈动脉流量用Qi表示，外颈动脉流量Qe表示。使用3种内外颈动脉流量分配比Qi/Qe：①6∶4。②7∶3。③8∶2。

使用GABMIT前处理软件，生成网格为非结构六面体网格，网格数312 854。采用商业软件Fluent12.0对颈动脉分叉管的血液流动进行数值模拟。时间步长为0.002 s，残差收敛阈值小于1×10^-⁵。4个心动周期后收敛，采用第5个周期的数据。

主要观察指标：建立标准性颈动脉分叉TF-AHCB数值模型，采用不同脉动入口条件和出口流量分配比，数值模拟颈动脉分叉管内流场，计算血液动力学参数，包括速度、壁面剪切力。

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讨论

血液动力学是心血管生理学的重要组成部分，研究以心脏为动力泵，通过心血管系统的血液循环。充足的血液流动是为所有组织提供充足氧气的必要条件。17世纪初，流体力学就已用于心血管系统疾病的临床诊断，并预言血液循环中病理生理现象，例如，异常心音与心血管系统的病理损伤有关。20世纪50年代末期创立了心血管外科，开辟了血液动力学的新领域。特别是70年代以来医生与力学工作者之间进行广泛合作，在血液动力学研究方面取得了巨大进展，例如心血管力学性质的研究(动脉周向与轴向各向异性，动脉血管的非线性，弹性腔模型等)；肺部的血液动力学研究；动脉内脉动流的定量描述；动脉波与阻抗的研究；人工心脏的研制；血液流变性的探讨等方面都取得了一系列重大成就^[15]。

目前，对内颈动脉窦内血液动力学参数变化进行研究已经成为当今医学的重要研究课题。近年来，随着医学成像技术，例如DSA(Digital Subtraction X-ray Angiography)、MRI(Magnetic resonance imaging)和CT(Computer tomography)等的发展，很多研究者结合医学影像建立人体真实动脉模型，使用计算流体力学从不同方面研究个体实例动脉的血液动力学来推测血液动力学变化对动脉粥样硬化的影响，具有很大的临床意义。例如Papaharilaou等^[16]利用3D成像技术MRI和CT，联合流体力学研究2个健康的志愿者在头部不同姿势下的左右颈动脉流场。而王青等^[12]对3例健康的，几何特征明显不同的人体颈动脉分叉管的CT数据进行重建，在3种流量分配比的条件下完成了血液动力学三维数值模拟。但由于每个人心脏输出的脉动波形的不同、血管几何形态的差异等因素，导致血液动力学参数、诱发动脉粥样硬化风险的不同。该方法有其自身的局限性。

从20世纪70年代起许多研究者采用Bhrardvaj等^[13]构造的Y-AHCB模型，但丁祖荣等指出Y-AHCB模型存在重要缺陷，建立了新的人体颈动脉分叉平均模型TF-AHCB。为了避免个体颈动脉数值模拟结果的局限性，本文采用通用的人体颈动脉分叉平均模型TF-AHCB，结果显示脉动入口流量和出口分配比对颈动脉血液流动有着重要的影响，改变流量的大小不仅能改变力学参数的大小(速度、压力、壁面切应力等)，还会导致力学机制作用的范围改变。目前普遍认为壁面切应力的大小和范围是促使动脉粥样硬化形成于发展的重要因素，而心脏输出脉动流量的大小会直接影响局部低应力区，脉动流量的减小，造成低应力区的增大，从而进一步促发动脉斑块的增长。

过低切应力、高剪切振荡都促进血脂质蛋白的沉积，从而形成动脉粥样硬化斑块。而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^[17]。而内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^[18]。动脉粥样硬化的形成过程和发病机制复杂，而动脉粥样硬化斑块形成后，造成内颈动脉狭窄，斑块破裂导致脑卒中，甚至死亡。随着成像技术的成熟，交叉学科的发展，将逐步探索动脉粥样硬化斑块形成的条件以及破裂机制，分析动脉粥样硬化以及脑卒中风险。应用于数值模拟动脉血液动力学的计算流体力学，操作便利，耗费资源小，可以为临床治疗医师提供更为迅速、有效的血液动力学数据，对医学发展有着重要的意义。

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