01
什么是计算流体力学
计算流体力学是通过计算机仿真的方式对涉及流体、热传递及相关现象（如化学反应）的系统进行分析的方法。计算流体力学是通过数值模拟的方法求解流体的力学的控制方程，并以此来预测流体运动规律的学科。我们通过计算机仿真模拟的方法，可以模拟血流在血管中的流动，研究疾病在发生发展过程中血管冲击力，壁面剪切力等血流动力学参数的变化，以及这些变化与疾病发生发展的一个关系。因此，计算流体力学可以说是医学与生物力学相结合的交叉学科。谈及流体力学，我们就不得不提到一个人—— 冯元桢教授。
冯元桢被认为是生物力学之父，并且最初的研究领域是在航空界。然而，在他47岁时，冯教授的母亲得了青光眼，他希望用所学的知识能够帮助母亲。他翻阅了大量的生理学书籍，也正是这样的一个契机，冯元桢开始着迷于生理学，决心要将力学与生物学研究在哪能买到正品日本腾素片结合在一起。他毅然将自己的研究方向从航空界转移到了生物力学方向，在航空工程学领域取得巨大成就的冯元桢毅然决然地离开了加州理工，来到了刚建立不久的加州大学圣地亚哥分校，从零开始 。冯元桢教授就是这样在外界都不看好的情况下，一步一步地在生理学领域开辟出了一条全新的道路——生物力学。并且，冯元桢还在加州大学圣地亚哥分校开设了世界上第一个生物工程学专业。
1、流体力学的研究范围：
生物流体力学是生物力学的一个分支，研究动物人体内的生物流体（血液，气体，尿液，淋巴液）的流动。只要是流动的血液，我们都可以通过计算机仿真的方法进行模拟，去研究它与疾病发生、发展的关系。目前，从颅内颈动脉，主动脉，肾动脉甚至下肢的动脉，我们都 可以通过计算流体力学的方法，进行仿真的模拟。
1）主动脉夹层的相关研究
2） 颈动脉的夹层，狭窄性病变、动脉瘤相关的血流研究
3）冠状动脉的相关的血流研究
冠状动脉目前的研究也比较多，研究也在日趋成熟。 我们目前所知道的FFR、 QFR，将智能算法与计算流体力学相结合，这弥补了计算流体力学模拟时间长的局限性，可以实现术前，术中，术后即刻血流参数的测定，实现了在临床上的广泛应用。
02
计算流体力学模拟和相关参数
CFD的仿真流程
CFD方针流程步骤：
2、将几何体的外表面和整个计算区域进行空间网格划分（网格稀疏及单元形态会产生影响）；
3、设置初始调节，入口与出口一般为速度和压力条件；
4、选择适当的算法，求解，保存数据结果文件；
5、选择合适的后处理器读取计算结果，可视化并分析；
血流动力学参数包括：
血流速度（Velocity）压强（Pressure）
平均壁面切应力（TAWSS）
平均壁面切日本腾素副作用头疼应力梯度（TAWSSG）
震荡剪切系数（OSI）
动脉瘤发生指数（AFI）
梯度震荡值（GON）
03
计算流体力学脑血管临床应用
1）动脉瘤：通过计算流体力学可以评估动脉瘤的破裂风险以及不同支架辅助栓塞动脉瘤的血流动力学特征；
2）颈动脉狭窄：不同血管几何形态的血流动力学差异，通过血流动力学参数预测斑块破裂风险，评估动脉粥样硬化不同的手术方式的血流动力差异；
3）颅内血管狭窄：颅内动脉狭窄需要更多地评估颅脑血管的功能性参数评估卒中的危险因素。针对颅脑的其他血管疾病，如烟雾病，或者血管发育不全，如开窗畸形都可以从血流动力学角度去研究疾病发生发展的关系；
4）病理基础相关研究：血流动力学与内皮细胞的排布的力学关系。
1、 动脉瘤的相关研究
1）载瘤血管形态学与动脉瘤破裂的关联性研究；
2）动脉瘤形态、血液动力学因素与动脉瘤生长的关系；
3）动脉瘤壁的弹性力学方法分析动脉瘤破裂风险；
4）颅内动脉瘤的组织材料属性实验研究；
5）血管内皮细胞在力刺激下的形态排列变化；
动脉瘤研究的相关文章：
1、高切应力导致血管扩张 ，引发动脉瘤形成；
2、低WSS高OSI表明动脉瘤不稳定， 有破裂风险；
2、 颈动脉狭窄—形态学
动脉粥样硬化斑块是局灶性的，倾向于发生在动脉分叉和弯曲附近，这是广泛接受的观点， 即血流动力（特别是壁剪切应力）在动脉粥样硬化的发展和进展中起着重要作用。由于这些力主要由管腔几何形状决定，因此研究认为某些个体可能由于其特定的动脉几何形状而增加患动脉粥样硬化的风险。
内皮细胞是唯一与血流直接接触的细胞层，切应力通过激活内皮细胞影响细胞的排布。低切应力通过影响内皮细胞形态和功能的各种分子机制参与斑块的发生和发展。低WSS 内皮细胞排列紊乱，剪切应力和动脉粥样硬化之间的关系是相互的。 剪切应力不仅可能影响动脉粥样硬化的发生，还可能直接改变斑块的组成，从而改变日本腾素315正品官网斑块的脆弱性。
在早期动脉粥样硬化形成过程中，血管外壁重构可以补偿斑块的生长，从而使血管腔的变化最小化。当扩张性重塑耗尽时，斑块进一步增长导致血管腔变窄，导致剪应力模式的显著改变。斑块上游段至最大狭窄处暴露于高剪应力，而下游段承受低振荡剪应力。例如，在斑块的上游侧，可能暴露在高剪切应力下，观察到更脆弱的斑块表型，大多数溃疡也是如此虽然低剪切应力可以诱导斑块的形成，但已经假设斑块的不稳定可能是由斑块上的高剪切应力引起的。局部HSS和炎症反应，能促进早期动脉粥样硬化斑块向高危斑块的转变。血 管斑块破裂主要发生在狭窄的近端区域，在那里巨噬细胞聚积并在内皮下发现血栓形成。斑块内出血与高SS和高结构应力有关。
3、 基础相关CFD
通过测定每周喂高脂饲料引起动脉粥样硬化的实验兔的颈动脉壁切应力(WSS)和内膜中层厚度(内膜中层厚度)，对血流切应力进行定量分析。
1）从第1周开始，实验组和对照组的兔颈动脉WSS值有极小的显著差异；
2）从第5周开始，实验组的颈动脉内膜中层厚度与对照组相比有较大的差异(P<0.05)；
随着血脂的增加，兔颈动脉剪切应力降低，兔颈动脉内膜中层厚度增加。切应力的降低出现在内模转变生长开始之前。综上所述， 本研究能够发现并证实动脉WSS值的降低可以更早地预测动脉粥样硬化的发生，并为积极的临床干预提供帮助。
4、颈动脉病理CFD
研究发现：高切应力与钙化，斑块内出血有一个非常好的对应关系，血流动力学参数和斑块成分的变化具有相关性。然而，材料拉伸实验研究发现，内膜断裂需要千帕级别的量级的力，因此也就证实了， 虽然高切应力能够影响斑块成分的变化，但是如果要真正地导致斑块的破裂，其实另一个生物力学参数——结构应力发挥更为重要的作用。
5、PSS -斑块破裂
6、斑块破裂风险——综合评价
现在的一些研究也将更多的影像数据结合在血流动力学上，比如说我们通过PET核磁，能够看到血流的炎症信息，血液的管壁的炎症，以及功能学指标，把管壁的一些特征，甚至将管腔的特征综合地去评估斑块的破裂风险。 结日本腾素怎么使用构应力这个参数是一个综合性的指标，它能够量化管腔、管壁炎症，以及新生血管的所有的信息的一个混合体。从而让我们能够更清楚地去评估斑块的破裂风险。
7、颈动脉狭窄治疗
颈动脉内膜剥脱术(CEA)后的闭合技术仍是一个争论的问题。为了确定具有血流再循环更容易发生再狭窄的颈动脉区域，我们分析了时间平均振荡剪切指数(OSI)和相对停留时间(RRT)，它们是与斑块形成相关的著名指数。 当PG优于DS时，OSI和RRT值都较高，扰动流区也较宽。
8、颈动脉手术方式的选择
据报道，CAS的临床结果与CEA的临床结果相当。这两种模式的处理概念有很大的不同。除了临床结果之外，CAS和CEA之间的差异很少被发现。通过基于患者特异性数据的计算流体力学(CFD)，比较CAS术后流变学条件与CEA术后血管成形术(贴片CEA)的流变学条件， 在流线分析中，斑块CEA后颈内动脉的最大流速约为CAS后的三分之二。
9、颅内CFD的研究
上图是颅内动脉粥样硬化、狭窄的血液动力学研究，这个来自于CTA的数据发现，不同的狭窄的近远端的一个压力比值和发生随访一年以后发生新发脑梗，是存在一定的相关性，从而也就证明了， 狭窄近远端的一个压力比值是一个功能学的参数，可以指导我们未来的临床预后的预测。
作者简介
董 佳
首都医科大学宣武医介入放射科
医学硕士
学习经历：医学硕士毕业于首都医科大学，导师焦力群教授；目前在香港城市大学攻读工程硕士学位
研究方向：应用医工结合方法对颅脑血管疾病进行评估，包括脑血管计算流体力学研究，医学影像:新技术的应用等
科研经历：参与“十三五国家重点研发计划”、北京市科委等省部级课题，主持院级课题1项;以第一作者发表SCI 3篇，参与发表SCI 10余篇，中文核心1篇，软件著作权3部。
宣武脑血运重建CRC
● 扫码关注我们
欢迎进行学术交流
邮箱：
网站：