[科普中国]-心血管系统生物力学

简介

心血管系统生物力学研究主要包含两个方面：一个是心血管的力学生物学研究。阐明力学因素如何产生生物学效应而导致血管重建，研究心血管信号转导通路和力学调控途径，从细胞分子水平深入了解心血管活动和疾病发生的本质；一个是以临床影像为基础的心血管生物力学建模与个体化手术设计研究。应用流体力学理论，结合医学影像和先进的流场测试技术，进行心血管建模与定量分析，研究血管功能新的无创检测技术和个体化治疗体系设计，为心血管疾病的诊断、治疗和预警提供生物力学的解决方案。

人体处于力学环境之中，力学因素影响机体各层次的生命活动过程。心血管系就可以视为是一个以心(机械泵) 为中心的力学系统。血液循环过程包含着血液流动、血细胞和血管的变形、血液和血管的相互作用等，其中均蕴藏着丰富的力学规律。很显然，力学因素对人类的心血管系统的生理病理过程的作用是最直接和最明显的。

生物学研究心血管系统力学生物学研究从基因-蛋白-细胞-器官-整体不同层次上综合探讨血管的“应力-生长”关系，以血管重建为切入点，着眼于力学环境对心血管系统作用，阐明力学因素如何产生生物学效应(即血管活性物质的变化) 而导致血管重建，研究心血管信号转导通路和力学调控途径;血管活性多肽的功能及其分子网络调控机制;寻找力学因素对心血管作用潜在的药物靶标或生物标记物。从细胞分子水平深入了解心血管活动和疾病发生的本质，为寻求防治心血管疾病的新途径奠定力学生物学基础。

1.平滑肌细胞和内皮细胞对力学刺激的响应

血管平滑肌细胞( vascular smooth muscle cells，VSMCs)和内皮细胞( endothelial cells，ECs) 是血管壁的主要细胞成分，在血管的生理病理活动中扮演极为重要的角色。ECs 的管腔面与血流直接接触，受到流体切应力的作用，其基底面又与VSMCs相邻，VSMCs 和ECs 在功能上相互影响，以维持血管壁功能的稳定。血管壁细胞的生物学行为受生物、化学和物理等多种体内外因素的影响，其中力学因素的影响及其力学生物学机制是目前仍需深入探讨的重要科学问题。

临床研究表明，体内动脉粥样硬化多发生于血管分叉和弯曲的部位。这些部位的血流呈现低或紊乱的状态，即扰动流。血管分叉处的扰动流区存在较低的壁面切应力、较高的壁面切应力梯度、壁面切应力随时间振荡等特点。切应力的大小、脉动性、时间和切应力梯度等因素在动脉粥样硬化等心血管疾病的发生发展过程中发挥重要作用。低切应力及振荡的切应力对ECs 的影响，已有较多研究，但对于切应力梯度对ECs 的影响，还有待探讨。

2.切应力作用下的血管重建

血管系统的主要功能是将血液从心脏输送到全身的各个部位。通常血管壁必须承受流动着的血液对血管壁的作用力，并且对这种血液动力学环境做出相应的适应性反应。为此，动脉必须具备适应各种力学环境并在力学环境改变时做适应性变化的能力。Langillet曾指出，由于不同生理活动和环境刺激．血液压力和流量及其分布一直在持续不停地变化，在血管系统的结构一般认为是相当稳定的。但是这种稳定性只能保持较短的时问，过后循环系统即能重建其结构。例如，动脉中平均血压和脉动血压的升高将引起动脉管壁的适应性增厚和组分的改变。又如当流经某些部位动脉的血流量增加时，这里的动脉就将扩张以降低血液通过时遇到的阻力。如果这种阻力降低持续相当长的时间，动脉的内径将变大。由上述例子可见，为了有效地完成输送血液的功能，动脉对所处的力学环境的改变所作出的反应是很明显的。事实上，心血管系统作为一个整体器官，不仅能对短期的突然刺激作出反应，还能对那些由于长期结构变化而引发的功能调整的慢性刺激作出反应。通常将动脉的这种适应性反应称为血管重建。而在引起血管重建的诸因素中，粘性血液流动作用于血管壁的切应力具有重要的作用。

生物力学建模紧密结合临床，以临床病例(影像)为基础的心血管生物力学建模与个体化手术设计研究应用流体力学理论、系统生物信息和控制理论，结合先进的流场测试和医学影像技术，宏观与微观相结合、动物实验与力学模型及数值模拟相结合，研究人体主要血管的血流动力学及力学因素与血管组织生物效应的关系，心血管系统建模与定量分析相结合，建立精确规范的心血管功能新的无创检测和分析技术，以及个体化治疗方案的生物力学设计体系，为临床心血管疾病的诊断、治疗和预警提供生物力学的解决方案。

1.血管的力学性质

目前所知的影响血管力学行为的主要物质是弹性（蛋白）纤维、胶原（蛋白）纤维和平滑肌。弹性纤维的杨氏模量较小，为（3-6）×10dyn/cm，抗张强度较低，应力-应变曲线滞后环面积很小，应力松弛也不明显，很接近于完全弹性体。血管的弹性主要由弹性纤维提供。胶原纤维的弹性模量很高，可达10dyn/cm2，抗张强度很高。滞后环和应力松弛现象较弹性纤维显著。胶原纤维在血管中是载荷的主要承受者。没有它，血管无法承受动脉中的巨大压力。平滑肌的滞后环面积较大，平滑肌的应力松弛非常显著，应力松弛可趋于零。平滑肌还有一重要特性，在伸进刺激下，会能动地收缩并产生很大的张力，可达10dyn/cm以上（主动收缩是平滑肌的主要生理作用）。血管的力学性质不仅取决于它的组分及各组分的含量。更取决于它的构造及细胞结构。但细胞结构对其力学性质影响的定量测量比较困难。

图1 动脉血管的分层结构示意图

血管是结构复杂的活体复合材料，属于黏弹性体。流变力学特性极其复杂。目前还没有准确、完善的本构方程描述它。因此在研究具体问题时，我们应弄清楚哪些血管性质与所研究的问题有关，从而达到简化模型的目的。由于血液流动和血管壁的运动是偶联的，因此仅研究血管的几何形状和组织结构是不够的，还必须了解血管壁的流变特性以及运动规律。由于血液流动和血管壁运动的偶联非常复杂，目前大多数血流动力学的研究均设血管为刚性管。这种假设只有在某些问题中是可以的。但绝大多数的问题，特别是大血管会带来很大的误差。

2.血流动力学研究

上个世纪50 年代，Karreman、Morgan、Kiely、Ferranti 以及Womersley 等人用流体力学的方法对动脉血管的血液流动作了更加细致的分析， 从此血流动力学（Hemodynamics）进入了一个更为理性的研究阶段。上世纪60 年代以后，一批优秀的科学家，例如：冯元桢、Sobin、钱煦、Lightill 等在血流动力学研究方面都作出了卓越的贡献。

血流动力学的研究主题主要有三个：1）以器官(组织)微循环为核心的器官(组织)血液运动规律的研究，如肺血流的研究；2）以动脉粥样硬化病理机制为背景的分枝、弯曲和局部狭窄部位的血流动力学因素、传质过程与血管生理病理功能的相互关系的研究; 3）脉搏波在动脉系统内传播规律的研究，这一方向的背景是寻求心血管疾病的早期无创诊断方法。

血管重建局部性血流动力学成因的基础研究已经有几十年历史，但仍有许多问题至今尚未探索清楚。研究发现，升主动脉-主动脉弓处的血流呈旋动流态。这种旋动流是血流做螺旋运动，它与通常所讲的血流受扰动后产生的涡流完全不同。动脉血流的旋动现象决非偶然，它可能使血流稳定，减小湍流，抑制有害物质(如脂质等) 向血管壁的输运，从而对血管具有保护功能。动脉血流的旋动现象研究不仅对心血管病局部性血流动力学成因的认识有重要科学意义，而且将为心血管病介入治疗和个体化手术的计算机优化设计提供有力的理论依据。《动脉血流旋动原理在人造血管研制和血管移植术中的应用》一文将动脉血流旋动原理用于心血管介入治疗，应用生物力学的原理和技术，明显改善其中的血流流场，提高壁面切应力，抑制血小板粘附和血管内膜增生，对于解决小口径人造血管的急性血栓堵塞和血管移植术(搭桥术)后下游血管内膜增生引起的血管再狭窄问题具有重要意义。

3.心血管系统的建模仿真

心血管系统的建模仿真研究今年来十分广泛。心血管系统包括心脏与血管系统，心脏是一个自激励系统，为整个心血管系统提供动力，根据心脏的生理特性，目前对心脏的模拟主要包括电生理特性模拟和力学特性模拟，电生理特性模拟包括：膜电位改变控制心脏的搏动、心电信号在整个心脏的传导，等等。心脏力学性能模拟主要是将心脏作为一个容积变化的动力源。

血管系统的模型则主要在弹性腔理论、脉搏波传播和动脉脉动流理论以及流体传输线理论等理论下发展而来，目前主要包括：用于描述整体血管系统的集中参数模型和一维分布参数模型，用于描述局部流场信息三维分布参数模型，以及为描述局部流场与整体循环系统之间相互影响的多尺度模型。

除此之外，心血管系统受到神经系统调节和体液调节，某些局部区域血管系统（比如脑血管系统和冠脉循环系统）又有自调节机制，同时受到呼吸系统的相互影响，因此也出现了描述心血管系统与外部调节机制相互作用的多生理系统模型。

4.心血管系统生物力学的研究进展

血管生物力学研究要将生物医学基础研究的精细定量化与力学的模型数学化有机结合，体现学科交叉和综合，深化生物力学学科前沿研究的内涵。强调生物力学研究在解决关键科学问题，明确力学因素在疾病发生发展中作用的同时，致力于发展相关的新技术方法，紧密联系临床防治提出具有生物力学特色的新思路，为取得心血管疾病防治的重大突破做出我们应有的贡献。

本词条内容贡献者为:

邓小燕 - 教授 - 北京航空航天大学生物与医学工程学院