當(dāng)你慢慢攪動(dòng)一碗濃稠的淀粉水時(shí)，它像液體一樣順滑，表現(xiàn)出“軟”的特性。但如果你用力快速攪拌甚至拍打它，它會(huì)變得像固體一樣，給人一種“硬”的觸感——這就是非牛頓流體的“剪切增稠”特性：在強(qiáng)力作用下表現(xiàn)為固體，在弱力或無(wú)力作用下表現(xiàn)為液體。然而，并非所有非牛頓流體都如此，番茄醬、油漆、血液等則截然不同：它們流動(dòng)得越快，反而變得越“稀”、越“輕盈”。在血液流變學(xué)中，這種特性被稱(chēng)為“剪切稀化”。正是生命高效運(yùn)轉(zhuǎn)的流體密碼，讓血液能在血管中順暢奔流。
血液剪切稀化機(jī)制示意圖
由于血液流變的復(fù)雜性，如何精準(zhǔn)量化這一非牛頓流體現(xiàn)象，一直是血液計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域的難題。西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院?jiǎn)逃垒x教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)梳理了全球血液流變學(xué)已有研究成果，旨在為復(fù)雜血流模擬建立統(tǒng)一的計(jì)算物理評(píng)價(jià)體系，為心血管疾病模擬診斷提供科學(xué)支撐。相關(guān)成果以“Non-Newtonian rheological aspects of blood in computational hemodynamics”為題，發(fā)表于物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physics Reports》（影響因子29.5）。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157326000177
在臨床實(shí)踐中，醫(yī)生們可以構(gòu)建患者專(zhuān)屬的“虛擬血管”，通過(guò)模擬血流來(lái)輔助診斷心血管疾病、預(yù)測(cè)血栓風(fēng)險(xiǎn)。然而，血液并非理想液體，其黏稠度會(huì)隨流速變化，模擬時(shí)選用哪種“非牛頓”計(jì)算模型，學(xué)界一直缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這也導(dǎo)致不同算法得出的結(jié)果往往差異明顯。該研究在自1919年以來(lái)的140項(xiàng)核心研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理并建立了涵蓋剪切稀化、黏彈性及屈服應(yīng)力等特性的血流動(dòng)力學(xué)計(jì)算物理評(píng)價(jià)體系，為全球相關(guān)科研人員提供了計(jì)算模型選取參考。
血流動(dòng)力學(xué)中主流的非牛頓流體模型
該研究確立了血液非牛頓特性的科學(xué)分界點(diǎn)，將剪切率等于100s-1作為血液流動(dòng)性質(zhì)的分水嶺。在此數(shù)值之上，血液的黏稠度基本穩(wěn)定，就像水一樣（可視為普通牛頓流體）；而在此之下（如動(dòng)脈瘤、血管狹窄區(qū)域），血液就表現(xiàn)出明顯的“非牛頓”特性，黏稠度會(huì)變化，紅細(xì)胞更容易聚集。這就像我們粉刷墻壁時(shí)用的油漆：刷子快速劃過(guò)（高剪切率），油漆順滑地鋪開(kāi)；當(dāng)你停下刷子（低剪切率），油漆變得黏稠，不會(huì)像水一樣滴得到處都是。該研究系統(tǒng)梳理了包括冪律模型、廣義冪律模型、Cross及其修正模型、Bird-Carreau模型、Carreau-Yasuda模型、Quemada模型等模型在內(nèi)的目前主流的非牛頓流體模型的剪切率適用范圍。
這就是全部的血流模擬嗎？別急，讓我們?cè)傺a(bǔ)充一個(gè)關(guān)鍵細(xì)節(jié)：血管并不是一根靜止不動(dòng)的硬管，而是一種柔軟、富有彈性的生命通道。當(dāng)血液流經(jīng)時(shí)，不僅血液的推力會(huì)讓血管壁微微擴(kuò)張，血管自身的搏動(dòng)也會(huì)反過(guò)來(lái)推擠、引導(dǎo)血液的流動(dòng)——這種“互相推動(dòng)、彼此塑造”的動(dòng)態(tài)，正是醫(yī)學(xué)上所說(shuō)的“流固耦合”（FSI）。尤其在動(dòng)脈瘤或血管?chē)?yán)重狹窄等病變區(qū)域，血管壁會(huì)產(chǎn)生大幅且不規(guī)則的變形，這就使傳統(tǒng)的血流仿真極易失真甚至計(jì)算崩潰，難以給出可信的預(yù)測(cè)結(jié)果。
為此，該研究評(píng)價(jià)了雙向FSI的整體法與分區(qū)法求解路徑。在分區(qū)法體系下，主流的ALE（任意拉格朗日-歐拉）方法在大變形場(chǎng)景下因頻繁重網(wǎng)格化導(dǎo)致的計(jì)算冗余與收斂瓶頸。為突破這一“網(wǎng)格桎梏”，研究介紹了以光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）為代表的無(wú)網(wǎng)格方法。SPH方法能夠天然規(guī)避網(wǎng)格扭曲，提升大變形處理靈活性，并實(shí)現(xiàn)多相物理界面的精準(zhǔn)追蹤。同時(shí)，該研究指出，決策并無(wú)絕對(duì)的“普適解”，研究人員必須在明確具體物理需求的基礎(chǔ)上，權(quán)衡計(jì)算精度與資源效率，選擇合適的算法，從而為“數(shù)字實(shí)驗(yàn)”提供真實(shí)、可靠的決策判據(jù)。
綜上所述，本綜述梳理了復(fù)雜血流模擬的現(xiàn)有計(jì)算框架，總結(jié)了血管壁變形模擬的不同路徑，并指出了當(dāng)前非牛頓模擬在數(shù)學(xué)穩(wěn)定性、參數(shù)統(tǒng)一性及靜脈研究等方面的局限性。這些工作為未來(lái)構(gòu)建高精度患者特定模型、推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療奠定了理論基礎(chǔ)。此外，此次成果的發(fā)表，標(biāo)志著西工大在醫(yī)工交叉基礎(chǔ)理論領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，研究高性能流體計(jì)算的工程技術(shù)與“面向人民生命健康”的戰(zhàn)略使命在此實(shí)現(xiàn)了深度契合。
CBD課題組成員討論問(wèn)題（從左至右依次為：孫一凡，喬永輝，Salman Ahmad）
共同通訊作者｜喬永輝教授
喬永輝，西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院教授，計(jì)算生物流體力學(xué)課題組（CBD）負(fù)責(zé)人。目前課題組擁有博士后1名，博士生5名，碩士生10名。喬永輝教授主要圍繞航空生命保障及新型儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)展研究，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文35篇，主持及參與國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年基金、中國(guó)航天基金會(huì)空天動(dòng)力基金項(xiàng)目等10余項(xiàng)縱向課題。入選陜西省“三秦英才”引進(jìn)計(jì)劃青年項(xiàng)目、西安市科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃項(xiàng)目。
（文字：孫一凡、喬詩(shī)琪；審核：徐永超、付怡）
