AI-生物力学?第2期
原文作者：马瑞艳，北京工业大学
来源：《医用生物力学》年4月第2期
编辑：冷庐逸
审核：盛谨勤
选择本文的原因在于其结构清晰，运用控制变量法探寻动脉血栓的形成因素，便于理解与比较。
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摘要
从①血流速度、②分支直径、③T型分叉角度及④血液黏度的血流动力学角度，并结合相关医学病例，研究T型分叉血管中血液流动对血栓形成的影响，从多学科角度分析并验证医学研究中的有关血栓形成机理的猜测。作者在ANSYS中建立T型分叉血管的二维几何模型，采用计算流体动力学方法对血管内流场进行数值分析研究，分析不同条件的流动对血栓形成影响。
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实验内容与结果
通过建立T型动脉血管的几何模型，采用计算流体动力学方法对血管内流场进行数值分析研究，分析不同条件的流动对血栓形成影响。
①分支血管直径对速度，壁面剪应力级壁面压强的影响
实验中保持不变的量：主管直径（均为2mm），血管中血液流速，分叉角度（均为90°的T型管）以及血液粘度。
改变的量：支管直径，取1mm，每次叠加0.25mm，叠加到2.25mm，共构造6种血管。选取分支直径为1,1.5和2的三种血管进行展示，如图1所示。图2为壁面切应力最大值和支管主管直径比的折线图，图3为不同直径比下的壁面最大压强分布图。
图1不同支管直径下的速度云图
图2壁面切应力最大值和支管主管直径比的折线图
图3不同直径比下的壁面最大压强分布图
结论
如图1所示分支血管会出现三段低速区域，其中一处位于主管，一处位于支管，两处均有较为明显的涡流（可以理解为打转的漩涡），且面积较大，另一处位于分叉处，不存在涡流，面积稍小。当支管的直径变大时，图（a）到图（c），支管的低速区域变大明显，而另两处的变化则不明显。分支血管中还会出现一个速度极大值区域，随着分支血管直径的变大而成抛物线趋势的减小，即支管直径越小，最大与最小速度差值越大，（差值可由（a），（b），（c）旁的色块最大值与最小值得到）流动情况也就越复杂。
如图2所示，壁面剪应力在上述分支血管的低速区及分叉处域均有明显突变，位于分支血管低速区的壁面剪应力随着支管直径的变大而减小，分叉处的壁面剪应力与支管与主管的直径比有关，在直径比为1时，壁面剪应力会突然有所升高，然后再下降。而在主管低速区处壁面切应力变化不大。
如图3所示，壁面压强在这三块低速区均会发生突变，且在分叉管轴线两侧的压强方向相反。在主管和支管低速区，壁面压强随着支管直径的变大而减小，分叉处的壁面压强变化与壁面剪应力类似，会在直径比为1时有所升高，然后下降。
②血管中的血流速度对速度，壁面剪应力级壁面压强的影响
实验中保持不变的量：主管直径（均为2mm），支管直径（均为2mm），分叉角度（均为90°的T型管）以及血液粘度。
改变的量：血管入口处的速度，取0.1m/s，每次递增0.1m/s，共6次实验，并取其中速度为0.1,0.3,0.6的三组实验进行对比，如图4所示。图5为不同入口初始速度下壁面剪应力的分布图，图6为不同入口初始速度下壁面压强分布图。
图4不同入口初始速度下的速度云图
图5不同入口初始速度下壁面剪应力的分布图
图6不同入口初始速度下壁面压强分布图
结论
比较图4可得，分支和主血管中低速区域的影响范围随着入口初始速度的增大，明显变大，即入口初始血流速度越大，低速区域越大；其次，分叉之前血流中轴位置处的流动速度最大，侧支中的血流极大值区域并不明显，而随着入口初始血流速度的增大，侧支中的血液流动速度以及速度极大值区域明显增大，而主血管中的血流速度却减小了。即速度极大值的区域随着入口血流速度的增大逐渐向分支血管中转移。
从图5和图6可得，壁面剪应力和壁面压强随着入口速度的增大，在分叉处形成的突变就越明显，突变处最大值也随之增大。
③分叉角度对速度，壁面剪应力级壁面压强的影响
实验中保持不变的量：主管直径（均为2mm），支管直径（均为2mm），血管入口处的速度以及血液粘度。
改变的量：支管与主管之间的夹角，分别取30°，60°与90°的三种情况进行分析。图7为不同分叉角度下血液流线图，图8为不同角度下血管壁面切应力分布图，图9为不同角度下壁面压强分布图。
图7不同分叉角度下血液流线图
图8不同角度下血管壁面切应力分布图
图9不同角度下壁面压强分布图
结论
低速区域出现的位置随着角度改变没有明显变化，而壁面剪应力与壁面压强发生突变的位置由于分支管投影的问题，分布不同，分叉为90°时的位置最靠近原点。
④血液粘度对速度，壁面剪应力级壁面压强的影响
实验中保持不变的量：主管直径（均为2mm），支管直径（均为2mm），血管入口处的速度以分叉角度（均为90°的T型管）。
改变的量：血液粘度，依据人体血液粘度范围分别三种不同粘度的血液值进行分析。图10为不同血液黏度下分叉血管中血液流动云图，图11为不同血液黏度下分叉血管壁面剪应力分布图，图12为不同血液黏度下分叉血管壁面压强分布图。
图10不同血液黏度下分叉血管血液流动云图
图11不同血液黏度下分叉血管壁面剪应力分布图
图12不同血液黏度下分叉血管壁面压强分布图
结论
从图9-12可以发现，血管低速区域会随着粘度的增大而逐渐变小，但是不明显。壁面剪应力和壁面压强都会随粘度增大而增大，但是增幅也不明显。
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总结论
在分叉血管附近的支血管和主血管中分别形成了两处较大区域的涡流区域，另外，在分叉交接处的下游位置也出现了一处较小的区域，这些区域速度较低，剪应力出现突然增大趋势，符合血栓形成，因此成为“最适成栓位置”。血栓在“最适成栓位置”的形成还与分支血管直径、血管中血流速度、分叉角度以及血液豁度等有密切关系，其中主管支管直径比以及入口血流速度大小对成栓影响较大，而分支管夹角与血液粘度对成栓影响不大。
本文较为系统地论述了影响分叉血管流动的诸多影响因素，设计的实验严格遵照控制变量法，得出了较为全面的定性结论，实验也有较高的可重复性。论文就直径比对分叉血管流动影响的分析还存在可以提升的空间。
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