旋動流現象

血流動力學研究發現，主動脈弓處的血流呈單渦旋動流態(如圖1所示)，像這種現象稱為旋動流現象。

1.旋動流現象描述

血流動力學研究發現，主動脈弓處的血流呈單渦旋動流態(如圖1所示)，像這種現象稱為旋動流現象。

主動脈弓呈一圓弧雨傘柄狀，幸運的是，它的彎曲是呈空間三維螺旋狀，不像河道在一個平面的上的彎曲（河道的彎曲是河沙在河道彎曲處淤積的根源）。正是這一空間三維螺旋構形，使得升主動脈處的血流呈旋動流態。主動脈弓處血流的旋動是大自然‘形態與功能統一（Form Follows Function）’的高度體現，是升主動脈血管管壁光滑沖刷以防止動脈粥樣硬化形成的保證。

近年來人們對血流的這種旋動現象產生了越來越多的興趣。研究發現，血流的旋動現象不僅僅存在於主動脈，在動脈系統其他部位也存在。Caro 等使用核磁共振血管造影術研究血液流動，發現右髂總動脈的血液流動方式是逆時針旋動流，但是在左邊卻是順時針的。Stonebridge 等通過血管內窺鏡，在人的腹股溝動脈中觀測到旋動流, 且首次提出在人外周動脈中具有旋動流的觀點。為了證明這種觀點，他們採用多重彩色都卜勒技術，觀察左總股動脈、右總股動脈、遠端股淺動脈三處的血液流態。儘管觀察到血液流動旋轉的方向不同，但是在收縮期，在所有的受試者中都觀察到旋動分量的存在。此外，人們還在冠狀動脈中觀察到旋動流。更有趣的是，人們發現腿部大動脈和冠狀動脈的內壁表面具有一些像螺線一樣的內壁結構，甚至冠脈中動脈粥樣硬化狹窄也會形成螺線結構。正是這些螺線結構，使得這些動脈內的血流呈旋動流態。Uchida等的血管內窺鏡觀察研究表明，冠脈中螺線狀的動脈狹窄結構產生的層流旋動流有利於穩定血流、抑制流動分離，從而可能具有抑制動脈粥樣硬化斑塊加速惡化的功能（通常，動脈粥樣硬化斑塊的形成會造成流動分離的產生，加速斑塊的進一步惡化）。

2. 旋動流產生的原因

在Kilner的研究中，作者利用內徑為3mm的透明塑膠管進行了體外模擬，結果表明，如果將管道彎曲成平面彎曲形狀的時候，管道內形成明顯的雙渦旋流動，即二次流。而如果將管道彎成空間的彎曲形狀，模擬主動脈弓的三維迴旋構型，則會破壞原有的雙渦二次流的流態，最終形成一個單渦的旋動流。這一簡單體外實驗的結果證實：扭曲成三維空間形狀的彎曲管內會形成單渦的旋動流。Kilner的研究證實了扭曲的彎管形狀和脈動流態會在彎曲處形成單渦旋動流和回流效應（retrograd flow）。

Yearwood等利用更加複雜的體外模型，即保持了主動脈彎曲，撓度（非平面特徵），錐度（隨著流動截面減小的特徵）的幾何特徵，來研究主動脈內的旋動狀態，認為旋動流還受到主動脈彎曲和撓度的影響。Chandran等研究了心臟瓣膜對於主動脈流動的影響。Shahcheraghi等研究非定常情況下主動脈中的流動狀態。Suo jin的研究則發現，血管的運動，特別是隨心臟周期性跳動所作的周期性空間運動也與旋動流的產生有密切的關係。

總之，動脈血管內旋動流態的形成原因非常複雜，目前尚無非常明確的結論。但是從已有的研究可知，血管的空間構型、空間運動、血管順應性、脈動條件下脈搏波傳播與反射等都是影響到血流旋動狀態的重要因素。

3. 旋動流的生理意義

1）掃除漩渦區、分離區、血流紊亂區，使血流更加穩定。

通常情況下，血流的脈動性、血管的彎曲形狀等因素極易引起流動分離現象。而主動脈弓內旋動流的一個主要功能就是消除或減弱流動分離和紊亂。以主動脈弓處的旋動流態為例，因為旋動流的切向速度會沿主動脈弓內側壁面掃過，從而避免發生流體因向前的動量而發生與內側壁面分離。

2）提高壁面剪下力，抑制動脈粥樣硬化、內膜增生、血栓粘附等疾病的發生。

因為不同的流態會改變主動脈內壁面的剪下力分布，特別是在血流量不變的情況下，旋動流態可以明顯提高壁面剪下力的大小和分布，更好地抑制動脈粥樣硬化、內膜增生、血栓粘附等疾病的發生。

3）增加對分叉血管的血液灌注。

以主動脈弓處的旋動流態為例。在主動脈弓的頂端，血流方向會發生急劇轉變，對流加速度會達到重力加速度的1.35倍。這一加速度會對主動脈弓頂端產生非常大的壓力，從而實現對主動脈弓頂端幾個分叉血管的有效血流灌注。這一靠主動脈弓自身彎曲產生的對流加速度進行強化的有效灌注方式在心臟收縮期會起到很明顯的作用。但是如果在舒張期，血流速度變慢，甚至出現部分回流效應。這個時候維持分叉血管有效灌注的對流加速度很可能由分叉處的旋動流提供。因為雖然在舒張期血流速度慢，但是局部旋動流的流動半徑要遠小於主動脈弓的彎曲半徑，因此同樣會產生較大的對流加速度，從而保持對主動脈弓頂端產生較大的灌注壓力。

4）影響血液與血管壁之間的物質傳輸。

Caro的最新研究結果表明，旋動流可以增加血液內氧氣向動脈血管壁內的傳輸。同時根據Deng等人的濃度極化理論，旋動流態還會影響到致動脈粥樣硬化類脂質(如：LDL等)在血管壁的沉積速度。國內的鄧小燕、劉肖等利用數值模擬的方法詳細分析了主動脈弓內的旋動流態對LDL及氧氣物質傳輸的影響。旋動流可以抑制致動脈粥樣硬化類脂質（LDL）向動脈血管壁的沉積，同時，可以增加氧氣向血管壁的傳輸。

4. 旋動流原理的套用

旋動流原理的套用正越來越受到人們的關注，英國的Caro等人已經根據此原理設計出了可以產生旋動流的螺旋形人造血管（SwirlGraft. Veryan Medical Ltd，London,UK），中國的鄧小燕、孫安強等人提出了可以產生偏心搭橋效果的人工血管設計概念。在搭橋血管end-to-side端的形狀設計方面，人們也試圖利用旋動流原理：鄧小燕等人設計了S型搭橋血管模型，可以在被搭橋血管內產生明顯的旋動流，提高搭橋吻合口底面血管內壁受的剪下力，並將血流振盪區域推後。T.V. How等人設計了一種非平面的搭橋模型，同樣在被搭橋血管內產生了明顯的旋動流。另外，陳增勝在腔靜脈濾器設計中考慮到了血流流態的因素，試圖將旋動流原理用於腔靜脈濾器介入治療中，加速栓子的溶解。

擴展閱讀

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