[科普中国]-旋动流现象-

血流动力学研究发现，主动脉弓处的血流呈单涡旋动流态(如图1所示)，像这种现象称为旋动流现象。

1.旋动流现象描述血流动力学研究发现，主动脉弓处的血流呈单涡旋动流态(如图1所示)，像这种现象称为旋动流现象。

主动脉弓呈一圆弧雨伞柄状，幸运的是，它的弯曲是呈空间三维螺旋状，不像河道在一个平面的上的弯曲（河道的弯曲是河沙在河道弯曲处淤积的根源）。正是这一空间三维螺旋构形，使得升主动脉处的血流呈旋动流态。主动脉弓处血流的旋动是大自然‘形态与功能统一（Form Follows Function）’的高度体现，是升主动脉血管管壁光滑冲刷以防止动脉粥样硬化形成的保证。

近年来人们对血流的这种旋动现象产生了越来越多的兴趣。研究发现，血流的旋动现象不仅仅存在于主动脉，在动脉系统其他部位也存在。Caro 等使用核磁共振血管造影术研究血液流动，发现右髂总动脉的血液流动方式是逆时针旋动流，但是在左边却是顺时针的。Stonebridge 等通过血管内窥镜，在人的腹股沟动脉中观测到旋动流, 且首次提出在人外周动脉中具有旋动流的观点。为了证明这种观点，他们采用多重彩色多普勒技术，观察左总股动脉、右总股动脉、远端股浅动脉三处的血液流态。尽管观察到血液流动旋转的方向不同，但是在收缩期，在所有的受试者中都观察到旋动分量的存在。此外，人们还在冠状动脉中观察到旋动流。更有趣的是，人们发现腿部大动脉和冠状动脉的内壁表面具有一些像螺线一样的内壁结构，甚至冠脉中动脉粥样硬化狭窄也会形成螺线结构。正是这些螺线结构，使得这些动脉内的血流呈旋动流态。Uchida等的血管内窥镜观察研究表明，冠脉中螺线状的动脉狭窄结构产生的层流旋动流有利于稳定血流、抑制流动分离，从而可能具有抑制动脉粥样硬化斑块加速恶化的功能（通常，动脉粥样硬化斑块的形成会造成流动分离的产生，加速斑块的进一步恶化）。

旋动流产生的原因在Kilner的研究中，作者利用内径为3mm的透明塑料管进行了体外模拟，结果表明，如果将管道弯曲成平面弯曲形状的时候，管道内形成明显的双涡旋流动，即二次流。而如果将管道弯成空间的弯曲形状，模拟主动脉弓的三维回旋构型，则会破坏原有的双涡二次流的流态，最终形成一个单涡的旋动流。这一简单体外实验的结果证实：扭曲成三维空间形状的弯曲管内会形成单涡的旋动流。Kilner的研究证实了扭曲的弯管形状和脉动流态会在弯曲处形成单涡旋动流和回流效应（retrograd flow）。

Yearwood等利用更加复杂的体外模型，即保持了主动脉弯曲，挠度（非平面特征），锥度（随着流动截面减小的特征）的几何特征，来研究主动脉内的旋动状态，认为旋动流还受到主动脉弯曲和挠度的影响。Chandran等研究了心脏瓣膜对于主动脉流动的影响。Shahcheraghi等研究非定常情况下主动脉中的流动状态。Suo jin的研究则发现，血管的运动，特别是随心脏周期性跳动所作的周期性空间运动也与旋动流的产生有密切的关系。

总之，动脉血管内旋动流态的形成原因非常复杂，目前尚无非常明确的结论。但是从已有的研究可知，血管的空间构型、空间运动、血管顺应性、脉动条件下脉搏波传播与反射等都是影响到血流旋动状态的重要因素。

旋动流的生理意义1）扫除漩涡区、分离区、血流紊乱区，使血流更加稳定。

通常情况下，血流的脉动性、血管的弯曲形状等因素极易引起流动分离现象。而主动脉弓内旋动流的一个主要功能就是消除或减弱流动分离和紊乱。以主动脉弓处的旋动流态为例，因为旋动流的切向速度会沿主动脉弓内侧壁面扫过，从而避免发生流体因向前的动量而发生与内侧壁面分离。

2）提高壁面剪切力，抑制动脉粥样硬化、内膜增生、血栓粘附等疾病的发生。

因为不同的流态会改变主动脉内壁面的剪切力分布，特别是在血流量不变的情况下，旋动流态可以明显提高壁面剪切力的大小和分布，更好地抑制动脉粥样硬化、内膜增生、血栓粘附等疾病的发生。

3）增加对分叉血管的血液灌注。

以主动脉弓处的旋动流态为例。在主动脉弓的顶端，血流方向会发生急剧转变，对流加速度会达到重力加速度的1.35倍。这一加速度会对主动脉弓顶端产生非常大的压力，从而实现对主动脉弓顶端几个分叉血管的有效血流灌注。这一靠主动脉弓自身弯曲产生的对流加速度进行强化的有效灌注方式在心脏收缩期会起到很明显的作用。但是如果在舒张期，血流速度变慢，甚至出现部分回流效应。这个时候维持分叉血管有效灌注的对流加速度很可能由分叉处的旋动流提供。因为虽然在舒张期血流速度慢，但是局部旋动流的流动半径要远小于主动脉弓的弯曲半径，因此同样会产生较大的对流加速度，从而保持对主动脉弓顶端产生较大的灌注压力。

4）影响血液与血管壁之间的物质传输。

Caro的最新研究结果表明，旋动流可以增加血液内氧气向动脉血管壁内的传输。同时根据Deng等人的浓度极化理论，旋动流态还会影响到致动脉粥样硬化类脂质(如：LDL等)在血管壁的沉积速度。国内的邓小燕、刘肖等利用数值模拟的方法详细分析了主动脉弓内的旋动流态对LDL及氧气物质传输的影响。旋动流可以抑制致动脉粥样硬化类脂质（LDL）向动脉血管壁的沉积，同时，可以增加氧气向血管壁的传输。

旋动流原理的应用旋动流原理的应用正越来越受到人们的关注，英国的Caro等人已经根据此原理设计出了可以产生旋动流的螺旋形人造血管（SwirlGraft. Veryan Medical Ltd，London,UK），中国的邓小燕、孙安强等人提出了可以产生偏心搭桥效果的人工血管设计概念。在搭桥血管end-to-side端的形状设计方面，人们也试图利用旋动流原理：邓小燕等人设计了S型搭桥血管模型，可以在被搭桥血管内产生明显的旋动流，提高搭桥吻合口底面血管内壁受的剪切力，并将血流振荡区域推后。T.V. How等人设计了一种非平面的搭桥模型，同样在被搭桥血管内产生了明显的旋动流。另外，陈增胜在腔静脉滤器设计中考虑到了血流流态的因素，试图将旋动流原理用于腔静脉滤器介入治疗中，加速栓子的溶解。

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本词条内容贡献者为:

孙安强 - 讲师 - 北京航空航天大学生物与医学工程学院