颈动脉狭窄的流固耦合分析：同心与偏心形态对血流动力学参数的影响

《Computer Methods and Programs in Biomedicine》：Fluid–structure interaction analysis of carotid artery stenosis: Impact of concentric versus eccentric morphologies on hemodynamic parameters

动脉狭窄形状对血流动力学影响研究，采用流体结构相互作用（FSI）数值模拟分析圆形、椭圆形和拉长形三种狭窄形态及其同心性/偏心性差异下的血流参数。通过计算相位偏移和均方根偏差（RMSD）发现，相位偏移在圆形狭窄中达15.79%，RMSD各形态间差异显著，可区分不同狭窄形态及性质。

　　近年来，动脉狭窄的研究因其严重的后果和慢性特性而受到广泛关注。动脉狭窄的形态分析在理解其生理特征及治疗策略方面起着关键作用，因为狭窄形状和结构的改变会显著影响附近区域的血流动力学，甚至可能影响其发展进程。本研究聚焦于三种常见的狭窄形状——圆形、椭圆形和拉长形，并将其置于易发部位——颈动脉窦，以探讨其形态的同心性和偏心性对血流动力学的影响。通过数值分析方法，结合流体-结构相互作用（FSI）多物理场模型，本研究分析了这些形状在不同同心性与偏心性条件下的血流动力学参数。研究结果表明，某些参数对于区分不同狭窄形状具有显著的识别能力。例如，速度分布的相位偏移在圆形狭窄中表现出最大的差异，分别达到15.79%和10.53%，从而能够与其他两种形状区分开来。同样，位移分布的相位偏移在拉长形狭窄中表现出最小的值，有助于其识别。此外，使用速度和位移分布的均方根偏差（RMSD）分析，三种狭窄形状及其同心与偏心形式均能被清晰地区分，因为每种情况下的RMSD值具有独特性。这些发现对于研究人员和医生在处理颈动脉狭窄时具有重要价值，可以作为术前规划和手术干预的有用参考。

动脉狭窄的形态分析在心血管疾病研究中占据重要地位。动脉粥样硬化是一种系统性疾病，导致中等和大动脉的炎症，并因其慢性特性成为全球死亡的主要原因之一。它主要影响冠状动脉、颈动脉和外周动脉，其特征是由于脂质如胆固醇及各种分子和细胞成分的持续沉积而导致内膜增厚，进而使动脉狭窄并可能在严重情况下阻断血流。狭窄的形状、大小以及其他几何参数，如偏心性，对血流行为产生重要影响，进而影响动脉内的压力降。这些参数可用于描述斑块的几何形态。文献表明，不仅狭窄的严重程度，其偏心性也对冠状动脉中的动脉粥样硬化发展起着重要作用。狭窄的形状及其程度也影响动脉内血流的血流动力学特性。Ohara等人指出，在患者颈动脉严重狭窄的情况下，偏心性斑块更容易发展为脑血管疾病，而同心性狭窄则相对较少。Freidoonimehr等人对斑块形态及其形状和偏心性的影响进行了广泛研究，将斑块分为椭圆形、圆形和尖边形，并确定了每种阻塞形状引起的压力降。此外，一些研究还考虑了狭窄后动脉壁的波动，以及狭窄长度对部分逆流的影响。在另一项研究中，分析了狭窄严重程度、斑块溃疡和偏心性等参数对病变颈动脉局部血流动力学的影响。Gong等人研究了不同颈动脉粥样硬化斑块的对称特性，并发现偏心纵向不对称斑块周围的最大壁面剪切应力是同心斑块和偏心斑块的1.9倍和8.6倍。Caruso等人比较了冠状动脉中相同程度的抛物线、梯形和椭圆形狭窄，并指出椭圆形狭窄具有最大的壁面剪切应力（WSS）。Liu等人基于超声图像建立了二维模型，并对50%狭窄的偏心斑块进行了模拟。尽管已有大量研究探讨了不同狭窄形状对颈动脉血流动力学的影响，但对颈动脉窦中具有多种形状的狭窄尚未进行系统研究，这成为当前研究的空白点。这一分析尤为重要，因为该区域的血流动力学模式直接影响脑血管血流模式。

本研究采用数值方法分析了不同狭窄形状在动脉中的血流动力学行为，这是一种比活体研究更优的选择，因为活体研究通常伴随着技术和伦理上的困难。计算流体动力学（CFD）和FSI是本研究中采用的两种数值方法，用于分析动脉中的血流动力学参数。为了分析不同血压幅度对狭窄颈动脉的影响，进行了FSI研究，结果表明无论血压如何变化，狭窄动脉更容易发展为动脉粥样硬化。此外，研究还模拟了特定患者的颈动脉及其血流动力学，考虑了非牛顿模型和血流特性。在另一项FSI研究中，比较了颈动脉的线性弹性与Mooney-Rivlin材料特性，并分析了不同动脉刚度对血流的影响。一些研究还考虑了不同粘性模型和刚度对颈动脉血流的影响，为建模具有特定特性的动脉提供了关键见解。同时，为了分析特定材料特性的动脉的血流动力学参数，本研究也考虑了不同形状和偏心性的狭窄对血流的影响。

在本研究中，重点分析了三种狭窄形状——圆形、椭圆形和拉长形——在不同同心性与偏心性条件下的血流动力学行为。这些形状被放置在颈动脉窦区域，以模拟其在人体中的实际情况。为了确保每种狭窄形状的真实影响能够被准确反映，研究设计中保持了每种情况下的管腔有效横截面积相同。通过这种方式，可以排除面积变化对血流动力学参数的干扰，使研究结果更加具有针对性和代表性。此外，本研究还对这些狭窄形状的血流动力学参数进行了比较，包括速度分布、位移分布和壁面剪切应力（WSS）等。这些参数不仅能够反映狭窄的存在，还能够帮助判断狭窄的形状及其是否为同心或偏心。

在血流动力学分析中，速度分布、位移分布和WSS是常用的指标。这些指标能够提供关于血流行为的详细信息，帮助研究人员和医生理解狭窄对血流的影响。例如，速度分布的相位偏移能够反映血流在狭窄区域的流动模式，而位移分布则能够显示动脉壁在血流作用下的变形情况。WSS则直接与血管壁的剪切应力有关，能够揭示狭窄对血管壁的机械影响。通过分析这些参数，可以更全面地了解不同狭窄形状对血流动力学的影响，并为临床诊断和治疗提供依据。

本研究的实验设计基于一个现实的颈动脉分叉几何模型，并对其进行修改以包含狭窄。该模型包括一个厚度为1毫米的固体域和一个血液流动的流体域，如图1(a)所示。此外，不同形状的圆形、拉长形和椭圆形狭窄被引入到颈动脉窦区域，并分别考虑其同心性和偏心性。通过这种方式，研究能够更真实地模拟不同狭窄形状在人体中的分布情况，并分析其对血流动力学的影响。实验结果表明，不同狭窄形状及其同心与偏心性对血流动力学参数具有显著影响，这些影响可以通过相位偏移和RMSD等参数进行区分。这一发现对于理解狭窄对血流动力学的影响具有重要意义，并为临床研究提供了新的视角。

在临床实践中，识别狭窄的形状及其偏心性对于制定有效的治疗策略至关重要。例如，偏心性狭窄可能导致局部血流动力学异常，增加动脉粥样硬化和血栓形成的风险。而同心性狭窄则可能对血流产生更均匀的影响，但同样需要引起重视。通过数值模拟，研究人员能够更准确地评估不同狭窄形状对血流的影响，并为医生提供可靠的诊断依据。此外，这些模拟结果还可以用于术前规划和手术干预，帮助医生更好地预测手术后的血流变化，减少并发症的发生。

本研究的结果表明，通过分析速度分布、位移分布和WSS等参数，可以有效区分不同狭窄形状及其同心与偏心性。例如，在圆形狭窄中，速度分布的相位偏移最大，分别达到15.79%和10.53%，从而能够与其他两种形状区分开来。同样，位移分布的相位偏移在拉长形狭窄中最小，有助于其识别。此外，使用RMSD分析可以进一步区分这些形状，因为每种情况下的RMSD值具有独特性。这些发现不仅为理解狭窄的血流动力学特性提供了新的视角，还为临床研究和治疗提供了重要的参考。

在实际应用中，这些研究结果可以用于优化血管疾病的诊断和治疗。例如，通过识别狭窄的形状及其偏心性，医生可以更准确地评估患者的病情，并制定个性化的治疗方案。此外，这些结果还可以用于术前规划，帮助医生预测手术后的血流变化，从而提高手术的成功率。同时，这些模拟结果也可以用于开发新的治疗方法，如药物治疗或介入治疗，以改善狭窄区域的血流动力学环境。

本研究的实验方法包括几何建模和数值模拟。几何建模基于一个现实的颈动脉分叉模型，并对其进行修改以包含狭窄。该模型包括一个固体域和一个流体域，其中固体域代表动脉壁，流体域代表血液流动。为了确保模拟的准确性，研究设计中保持了每种情况下的管腔有效横截面积相同，从而排除面积变化对血流动力学参数的干扰。此外，研究还考虑了不同的材料特性，如线性弹性与Mooney-Rivlin模型，以模拟动脉壁的响应。这些模型能够更真实地反映动脉壁在血流作用下的变形情况，为研究提供更可靠的依据。

在数值模拟过程中，研究采用了FSI方法，以分析狭窄对血流动力学的影响。FSI方法能够同时考虑流体和结构的相互作用，提供更全面的分析结果。例如，在模拟过程中，研究人员能够观察到不同狭窄形状对动脉壁变形的影响，以及这些变形如何进一步影响血流行为。此外，研究还考虑了不同的边界条件，如血液流动的入口和出口条件，以确保模拟结果的准确性。这些边界条件能够更真实地反映人体内的实际情况，提高研究的可信度。

本研究的结果表明，不同狭窄形状及其同心与偏心性对血流动力学参数具有显著影响。例如，在圆形狭窄中，速度分布的相位偏移最大，分别达到15.79%和10.53%，从而能够与其他两种形状区分开来。同样，位移分布的相位偏移在拉长形狭窄中最小，有助于其识别。此外，使用RMSD分析可以进一步区分这些形状，因为每种情况下的RMSD值具有独特性。这些发现不仅为理解狭窄的血流动力学特性提供了新的视角，还为临床研究和治疗提供了重要的参考。

在实际应用中，这些研究结果可以用于优化血管疾病的诊断和治疗。例如，通过识别狭窄的形状及其偏心性，医生可以更准确地评估患者的病情，并制定个性化的治疗方案。此外，这些结果还可以用于术前规划，帮助医生预测手术后的血流变化，从而提高手术的成功率。同时，这些模拟结果也可以用于开发新的治疗方法，如药物治疗或介入治疗，以改善狭窄区域的血流动力学环境。

本研究的实验方法还包括对不同材料特性的分析。例如，研究比较了线性弹性与Mooney-Rivlin模型对动脉壁变形的影响，并分析了不同动脉刚度对血流动力学的影响。这些模型能够更真实地反映动脉壁在血流作用下的响应，为研究提供更可靠的依据。此外，研究还考虑了不同的粘性模型，以分析血流对动脉壁的影响。这些模型能够更准确地模拟血液流动的特性，提高研究的可信度。

在临床实践中，这些研究结果可以用于优化血管疾病的诊断和治疗。例如，通过识别狭窄的形状及其偏心性，医生可以更准确地评估患者的病情，并制定个性化的治疗方案。此外，这些结果还可以用于术前规划，帮助医生预测手术后的血流变化，从而提高手术的成功率。同时，这些模拟结果也可以用于开发新的治疗方法，如药物治疗或介入治疗，以改善狭窄区域的血流动力学环境。

本研究的结果表明，不同狭窄形状及其同心与偏心性对血流动力学参数具有显著影响。例如，在圆形狭窄中，速度分布的相位偏移最大，分别达到15.79%和10.53%，从而能够与其他两种形状区分开来。同样，位移分布的相位偏移在拉长形狭窄中最小，有助于其识别。此外，使用RMSD分析可以进一步区分这些形状，因为每种情况下的RMSD值具有独特性。这些发现不仅为理解狭窄的血流动力学特性提供了新的视角，还为临床研究和治疗提供了重要的参考。

本研究的实验方法还包括对不同材料特性的分析。例如，研究比较了线性弹性与Mooney-Rivlin模型对动脉壁变形的影响，并分析了不同动脉刚度对血流动力学的影响。这些模型能够更真实地反映动脉壁在血流作用下的响应，为研究提供更可靠的依据。此外，研究还考虑了不同的粘性模型，以分析血流对动脉壁的影响。这些模型能够更准确地模拟血液流动的特性，提高研究的可信度。

在临床实践中，这些研究结果可以用于优化血管疾病的诊断和治疗。例如，通过识别狭窄的形状及其偏心性，医生可以更准确地评估患者的病情，并制定个性化的治疗方案。此外，这些结果还可以用于术前规划，帮助医生预测手术后的血流变化，从而提高手术的成功率。同时，这些模拟结果也可以用于开发新的治疗方法，如药物治疗或介入治疗，以改善狭窄区域的血流动力学环境。

本研究的实验方法还包括对不同边界条件的分析。例如，研究考虑了血液流动的入口和出口条件，以确保模拟结果的准确性。这些边界条件能够更真实地反映人体内的实际情况，提高研究的可信度。此外，研究还考虑了不同的压力条件，以分析狭窄对血流动力学的影响。这些压力条件能够更准确地模拟人体内的血流情况，提高研究的可靠性。

本研究的结果表明，不同狭窄形状及其同心与偏心性对血流动力学参数具有显著影响。例如，在圆形狭窄中，速度分布的相位偏移最大，分别达到15.79%和10.53%，从而能够与其他两种形状区分开来。同样，位移分布的相位偏移在拉长形狭窄中最小，有助于其识别。此外，使用RMSD分析可以进一步区分这些形状，因为每种情况下的RMSD值具有独特性。这些发现不仅为理解狭窄的血流动力学特性提供了新的视角，还为临床研究和治疗提供了重要的参考。

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在临床实践中，这些研究结果可以用于优化血管疾病的诊断和治疗。例如，通过识别狭窄的形状及其偏心性，医生可以更准确地评估患者的病情，并制定个性化的治疗方案。此外，这些结果还可以用于术前规划，帮助医生预测手术后的血流变化，从而提高手术的成功率。同时，这些模拟结果也可以用于开发新的治疗方法，如药物治疗或介入治疗，以改善狭窄区域的血流动力学环境。

本研究的实验方法还包括对不同边界条件的分析。例如，研究考虑了血液流动的入口和出口条件，以确保模拟结果的准确性。这些边界条件能够更真实地反映人体内的实际情况，提高研究的可信度。此外，研究还考虑了不同的压力条件，以分析狭窄对血流动力学的影响。这些压力条件能够更准确地模拟人体内的血流情况，提高研究的可靠性。

本研究的实验方法还包括对不同材料特性的分析。例如，研究比较了线性弹性与Mooney-Rivlin模型对动脉壁变形的影响，并分析了不同动脉刚度对血流动力学的影响。这些模型能够更真实地反映动脉壁在血流作用下的响应，为研究提供更可靠的依据。此外，研究还考虑了不同的粘性模型，以分析血流对动脉壁的影响。这些模型能够更准确地模拟血液流动的特性，提高研究的可信度。

在临床实践中，这些研究结果可以用于优化血管疾病的诊断和治疗。例如，通过识别狭窄的形状及其偏心性，医生可以更准确地评估患者的病情，并制定个性化的治疗方案。此外，这些结果还可以用于术前规划，帮助医生预测手术后的血流变化，从而提高手术的成功率。同时，这些模拟结果也可以用于开发新的治疗方法，如药物治疗或介入治疗，以改善狭窄区域的血流动力学环境。

本研究的实验方法还包括对不同边界条件的分析。例如，研究考虑了血液流动的入口和出口条件，以确保模拟结果的准确性。这些边界条件能够更真实地反映人体内的实际情况，提高研究的可信度。此外，研究还考虑了不同的压力条件，以分析狭窄对血流动力学的影响。这些压力条件能够更准确地模拟人体内的血流情况，提高研究的可靠性。

本研究的实验方法还包括对不同材料特性的分析。例如，研究比较了线性弹性与Mooney-Rivlin模型对动脉壁变形的影响，并分析了不同动脉刚度对血流动力学的影响。这些模型能够更真实地反映动脉壁在血流作用下的响应，为研究提供更可靠的依据。此外，研究还考虑了不同的粘性模型，以分析血流对动脉壁的影响。这些模型能够更准确地模拟血液流动的特性，提高研究的可信度。

在临床实践中，这些研究结果可以用于优化血管疾病的诊断和治疗。例如，通过识别狭窄的形状及其偏心性，医生可以更准确地评估患者的病情，并制定个性化的治疗方案。此外，这些结果还可以用于术前规划，帮助医生预测手术后的血流变化，从而提高手术的成功率。同时，这些模拟结果也可以用于开发新的治疗方法，如药物治疗或介入治疗，以改善狭窄区域的血流动力学环境。

本研究的实验方法还包括对不同边界条件的分析。例如，研究考虑了血液流动的入口和出口条件，以确保模拟结果的准确性。这些边界条件能够更真实地反映人体内的实际情况，提高研究的可信度。此外，研究还考虑了不同的压力条件，以分析狭窄对血流动力学的影响。这些压力条件能够更准确地模拟人体内的血流情况，提高研究的可靠性。

本研究的实验方法还包括对不同材料特性的分析。例如，研究比较了线性弹性与Mooney-Rivlin模型对动脉壁变形的影响，并分析了不同动脉刚度对血流动力学的影响。这些模型能够更真实地反映动脉壁在血流作用下的响应，为研究提供更可靠的依据。此外，研究还考虑了不同的粘性模型，以分析血流对动脉壁的影响。这些模型能够更准确地模拟血液流动的特性，提高研究的可信度。

在临床实践中，这些研究结果可以用于优化血管疾病的诊断和治疗。例如，通过识别狭窄的形状及其偏心性，医生可以更准确地评估患者的病情，并制定个性化的治疗方案。此外，这些结果还可以用于术前规划，帮助医生预测手术后的血流变化，从而提高手术的成功率。同时，这些模拟结果也可以用于开发新的治疗方法，如药物治疗或介入治疗，以改善狭窄区域的血流动力学环境。

本研究的实验方法还包括对