心血管系統生物力學

簡介

心血管系統生物力學研究主要包含兩個方面：一個是心血管的力學生物學研究。闡明力學因素如何產生生物學效應而導致血管重建，研究心血管信號轉導通路和力學調控途徑，從細胞分子水平深入了解心血管活動和疾病發生的本質；一個是以臨床影像為基礎的心血管生物力學建模與個體化手術設計研究。套用流體力學理論，結合醫學影像和先進的流場測試技術，進行心血管建模與定量分析，研究血管功能新的無創檢測技術和個體化治療體系設計，為心血管疾病的診斷、治療和預警提供生物力學的解決方案。

人體處於力學環境之中，力學因素影響機體各層次的生命活動過程。心血管系就可以視為是一個以心(機械泵) 為中心的力學系統。血液循環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律。很顯然，力學因素對人類的心血管系統的生理病理過程的作用是最直接和最明顯的。

生物學研究

心血管系統力學生物學研究從基因-蛋白-細胞-器官-整體不同層次上綜合探討血管的“應力-生長”關係，以血管重建為切入點，著眼於力學環境對心血管系統作用，闡明力學因素如何產生生物學效應(即血管活性物質的變化) 而導致血管重建，研究心血管信號轉導通路和力學調控途徑;血管活性多肽的功能及其分子網路調控機制;尋找力學因素對心血管作用潛在的藥物靶標或生物標記物。從細胞分子水平深入了解心血管活動和疾病發生的本質，為尋求防治心血管疾病的新途徑奠定力學生物學基礎。

1.平滑肌細胞和內皮細胞對力學刺激的回響

血管平滑肌細胞( vascular smooth muscle cells，VSMCs)和內皮細胞( endothelial cells，ECs) 是血管壁的主要細胞成分，在血管的生理病理活動中扮演極為重要的角色。ECs 的管腔面與血流直接接觸，受到流體切應力的作用，其基底面又與VSMCs相鄰，VSMCs 和ECs 在功能上相互影響，以維持血管壁功能的穩定。血管壁細胞的生物學行為受生物、化學和物理等多種體內外因素的影響，其中力學因素的影響及其力學生物學機制是目前仍需深入探討的重要科學問題。

臨床研究表明，體內動脈粥樣硬化多發生於血管分叉和彎曲的部位。這些部位的血流呈現低或紊亂的狀態，即擾動流。血管分叉處的擾動流區存在較低的壁面切應力、較高的壁面切應力梯度、壁面切應力隨時間振盪等特點。切應力的大小、脈動性、時間和切應力梯度等因素在動脈粥樣硬化等心血管疾病的發生髮展過程中發揮重要作用。低切應力及振盪的切應力對ECs 的影響，已有較多研究，但對於切應力梯度對ECs 的影響，還有待探討。

2.切應力作用下的血管重建

血管系統的主要功能是將血液從心臟輸送到全身的各個部位。通常血管壁必須承受流動著的血液對血管壁的作用力，並且對這種血液動力學環境做出相應的適應性反應。為此，動脈必須具備適應各種力學環境並在力學環境改變時做適應性變化的能力。Langillet曾指出，由於不同生理活動和環境刺激．血液壓力和流量及其分布一直在持續不停地變化，在血管系統的結構一般認為是相當穩定的。但是這種穩定性只能保持較短的時問，過後循環系統即能重建其結構。例如，動脈中平均血壓和脈動血壓的升高將引起動脈管壁的適應性增厚和組分的改變。又如當流經某些部位動脈的血流量增加時，這裡的動脈就將擴張以降低血液通過時遇到的阻力。如果這種阻力降低持續相當長的時間，動脈的內徑將變大。由上述例子可見，為了有效地完成輸送血液的功能，動脈對所處的力學環境的改變所作出的反應是很明顯的。事實上，心血管系統作為一個整體器官，不僅能對短期的突然刺激作出反應，還能對那些由於長期結構變化而引發的功能調整的慢性刺激作出反應。通常將動脈的這種適應性反應稱為血管重建。而在引起血管重建的諸因素中，粘性血液流動作用於血管壁的切應力具有重要的作用。

生物力學建模

緊密結合臨床，以臨床病例(影像)為基礎的心血管生物力學建模與個體化手術設計研究套用流體力學理論、系統生物信息和控制理論，結合先進的流場測試和醫學影像技術，巨觀與微觀相結合、動物實驗與力學模型及數值模擬相結合，研究人體主要血管的血流動力學及力學因素與血管組織生物效應的關係，心血管系統建模與定量分析相結合，建立精確規範的心血管功能新的無創檢測和分析技術，以及個體化治療方案的生物力學設計體系，為臨床心血管疾病的診斷、治療和預警提供生物力學的解決方案。

1.血管的力學性質

目前所知的影響血管力學行為的主要物質是彈性（蛋白）纖維、膠原（蛋白）纖維和平滑肌。彈性纖維的楊氏模量較小，為（3-6）×10dyn/cm，抗張強度較低，應力-應變曲線滯後環面積很小，應力鬆弛也不明顯，很接近於完全彈性體。血管的彈性主要由彈性纖維提供。膠原纖維的彈性模量很高，可達10dyn/cm2，抗張強度很高。滯後環和應力鬆弛現象較彈性纖維顯著。膠原纖維在血管中是載荷的主要承受者。沒有它，血管無法承受動脈中的巨大壓力。平滑肌的滯後環面積較大，平滑肌的應力鬆弛非常顯著，應力鬆弛可趨於零。平滑肌還有一重要特性，在伸進刺激下，會能動地收縮並產生很大的張力，可達10dyn/cm以上（主動收縮是平滑肌的主要生理作用）。血管的力學性質不僅取決於它的組分及各組分的含量。更取決於它的構造及細胞結構。但細胞結構對其力學性質影響的定量測量比較困難。

圖1 動脈血管的分層結構示意圖

血管是結構複雜的活體複合材料，屬於黏彈性體。流變力學特性極其複雜。目前還沒有準確、完善的本構方程描述它。因此在研究具體問題時，我們應弄清楚哪些血管性質與所研究的問題有關，從而達到簡化模型的目的。由於血液流動和血管壁的運動是偶聯的，因此僅研究血管的幾何形狀和組織結構是不夠的，還必須了解血管壁的流變特性以及運動規律。由於血液流動和血管壁運動的偶聯非常複雜，目前大多數血流動力學的研究均設血管為剛性管。這種假設只有在某些問題中是可以的。但絕大多數的問題，特別是大血管會帶來很大的誤差。

2.血流動力學研究

上個世紀50 年代，Karreman、Morgan、Kiely、Ferranti 以及Womersley 等人用流體力學的方法對動脈血管的血液流動作了更加細緻的分析， 從此血流動力學（Hemodynamics）進入了一個更為理性的研究階段。上世紀60 年代以後，一批優秀的科學家，例如：馮元楨、Sobin、錢煦、Lightill 等在血流動力學研究方面都作出了卓越的貢獻。

血流動力學的研究主題主要有三個：1）以器官(組織)微循環為核心的器官(組織)血液運動規律的研究，如肺血流的研究；2）以動脈粥樣硬化病理機制為背景的分枝、彎曲和局部狹窄部位的血流動力學因素、傳質過程與血管生理病理功能的相互關係的研究; 3）脈搏波在動脈系統內傳播規律的研究，這一方向的背景是尋求心血管疾病的早期無創診斷方法。

血管重建局部性血流動力學成因的基礎研究已經有幾十年歷史，但仍有許多問題至今尚未探索清楚。研究發現，升主動脈-主動脈弓處的血流呈旋動流態。這種旋動流是血流做螺旋運動，它與通常所講的血流受擾動後產生的渦流完全不同。動脈血流的旋動現象決非偶然，它可能使血流穩定，減小湍流，抑制有害物質(如脂質等) 向血管壁的輸運，從而對血管具有保護功能。動脈血流的旋動現象研究不僅對心血管病局部性血流動力學成因的認識有重要科學意義，而且將為心血管病介入治療和個體化手術的計算機最佳化設計提供有力的理論依據。《動脈血流旋動原理在人造血管研製和血管移植術中的套用》一文將動脈血流旋動原理用於心血管介入治療，套用生物力學的原理和技術，明顯改善其中的血流流場，提高壁面切應力，抑制血小板粘附和血管內膜增生，對於解決小口徑人造血管的急性血栓堵塞和血管移植術(搭橋術)後下游血管內膜增生引起的血管再狹窄問題具有重要意義。

3.心血管系統的建模仿真

心血管系統的建模仿真研究今年來十分廣泛。心血管系統包括心臟與血管系統，心臟是一個自激勵系統，為整個心血管系統提供動力，根據心臟的生理特性，目前對心臟的模擬主要包括電生理特性模擬和力學特性模擬，電生理特性模擬包括：膜電位改變控制心臟的搏動、心電信號在整個心臟的傳導，等等。心臟力學性能模擬主要是將心臟作為一個容積變化的動力源。

血管系統的模型則主要在彈性腔理論、脈搏波傳播和動脈脈動流理論以及流體傳輸線理論等理論下發展而來，目前主要包括：用於描述整體血管系統的集中參數模型和一維分布參數模型，用於描述局部流場信息三維分布參數模型，以及為描述局部流場與整體循環系統之間相互影響的多尺度模型。

除此之外，心血管系統受到神經系統調節和體液調節，某些局部區域血管系統（比如腦血管系統和冠脈循環系統）又有自調節機制，同時受到呼吸系統的相互影響，因此也出現了描述心血管系統與外部調節機制相互作用的多生理系統模型。

4.心血管系統生物力學的研究進展

血管生物力學研究要將生物醫學基礎研究的精細定量化與力學的模型數學化有機結合，體現學科交叉和綜合，深化生物力學學科前沿研究的內涵。強調生物力學研究在解決關鍵科學問題，明確力學因素在疾病發生髮展中作用的同時，致力於發展相關的新技術方法，緊密聯繫臨床防治提出具有生物力學特色的新思路，為取得心血管疾病防治的重大突破做出我們應有的貢獻。