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本文系统综述了近十年流固耦合（FSI）在人体动脉血流研究中的应用。介绍了相关背景知识，如 CFD、FSI 的数值方法等。通过对文献的分析，总结了不同研究的成果及不足，强调 FSI 对理解动脉血流动力学和疾病机制的重要性，为后续研究提供参考。
1. 引言
动脉粥样硬化是一种血管内斑块逐渐积累的疾病，会引发心血管并发症，是全球死亡的主要原因之一。斑块的形成和破裂与血管内的流体力学特征密切相关，如壁面剪切应力（WSS）等。研究血流动力学对于理解动脉粥样硬化的发病机制、诊断和治疗至关重要。流固耦合（FSI）作为一种模拟血流动力学的有效方法，在心血管疾病研究中具有重要意义。此前的综述存在局限性，本文旨在对近十年 FSI 在人体动脉血流研究方面的文献进行更全面、系统的评估。
2. 背景知识
2.1 数值方法
计算流体动力学（CFD）通过求解 Navier - Stokes 方程和连续性方程来描述生理血流的物理参数，常用的数值方法有有限元法（FEM）、有限体积法（FVM）和有限差分法（FDM），分析方式有稳态和瞬态分析。FSI 则是将 CFD 与有限元分析（FEA）相结合，有整体式和分区式两种求解方法。在移动边界问题中，常用任意拉格朗日 - 欧拉（ALE）法等。ALE 法在模拟动脉血流时，能使计算网格随固体域移动和变形，更好地反映流体和固体域的运动。此外，还有单向和双向的流固边界数据交换方式，双向 FSI 更能真实地描述多物理场情况，但计算成本更高。
2.2 血液流动特性和流体属性
血液的血流动力学行为可以用牛顿和非牛顿流变模型来描述。牛顿流体的动态粘度在分析过程中保持不变，而非牛顿模型考虑了血液在低剪切率下的粘弹性、应力松弛和剪切变稀等特性。非牛顿模型包括 Casson、Carreau 等多种模型。当血管直径相对于红细胞较大，剪切率高于 100 s?1时，血液可近似视为牛顿流体。血液的流动特性还包括层流和湍流，雷诺数（Re）用于判断流动状态，κ – ω、κ – ε 等是常用的湍流模型。
2.3 结构建模
动脉壁材料的建模方法有多种，各有特点。最简单的是各向同性线性弹性模型，但实际软组织呈现非线性、各向异性等复杂行为。超弹性模型基于应变能密度函数，能更准确地描述动脉的应力 - 应变关系，常见的超弹性模型有 Mooney - Rivlin、Neo - Hookean 等。动脉通过调节直径和机械性能来调节血压，其粘弹性主要源于血管平滑肌（VSM）细胞，通常与中膜层相关。动脉组织的粘弹性行为常用非线性粘弹性或准线性粘弹性模型来描述。
2.4 边界条件
边界条件在 FSI 模拟中起着关键作用，通过施加随时间变化的压力和速度剖面来模拟生理脉动压力和流量。这些数据通常通过临床成像技术获得，并进行傅里叶分解。边界条件的类型包括 Dirichlet 和 Neumann 条件，Dirichlet 条件规定了流体和周围组织界面的速度和位移，Neumann 条件确保动态平衡。Womersley 速度剖面常作为入口 Dirichlet 边界条件，因其更接近真实血流剖面。出口边界条件会影响血流分布等，简单的零压力出口不能准确反映生理情况，常用的有基于 Windkessel 模型的出口边界条件。
2.5 血流动力学参数
血流动力学参数在预测和诊断血管异常流动模式以及患者风险评估中具有重要作用。WSS 是血流对动脉壁表面施加的切向力分量，TAWSS 描述了心动周期内血管壁表面的平均剪切应力分布。OSI 量化了 WSS 方向在心动周期内的变化，RRT 衡量颗粒在动脉壁附近停留的时间，LNH 表征了旋转轴方向与流速方向的对齐情况。
3. 搜索策略
本文的文献搜索遵循 PRISMA 的建议，在多个数据库中使用特定关键词和布尔运算符进行搜索。控制标准包括使用 FSI 建模评估特定或理想化动脉几何形状的血流动力学、研究文章来自高影响因子期刊、英文且经过同行评审、可获取全文等。
4. 文献综述结果
4.1 双向耦合 CFD - FSI 分析
众多研究利用双向耦合 CFD - FSI 分析不同动脉的血流动力学和相关疾病。例如，研究腹主动脉瘤（AAA）时发现，不同的入口速度剖面会影响瘤壁的力学性能，单向耦合 FSI 可在降低计算成本的同时有效估计壁力学。在研究主动脉缩窄治疗时，发现残余狭窄对血流动力学的影响比动脉僵硬更显著。还有研究通过建立 3D 耦合 FSI 模型，分析了材料属性对斑块应力和拉伸的影响，以及评估冠状动脉斑块的易损性等。
4.2 单向耦合 CFD - FSI 分析
单向耦合 CFD - FSI 分析也在多个研究中得到应用。如比较不同模型下胸主动脉的血流动力学指标时发现，刚性壁模型会高估 WSS，而 FSI 模型能更准确地预测血流和压力波形。研究还发现钙化斑块和脂质斑块对股动脉血流和 WSS 有不同影响，以及主动脉弯曲度会影响血流和动脉粥样硬化的发展等。
4.3 仅 CFD 或 FEA 分析
部分研究仅采用 CFD 或 FEA 分析。例如，通过 CFD 分析研究胸主动脉腔内修复（TEVAR）后假腔的血流情况，发现假腔重塑与腔内压力差（PDiff）和 RRT 有关。还有研究对支架移植物设计、冠状动脉斑块应力分布等进行分析，以及监测手术中使用的 Dacron 织物的性能等。
5. 讨论
对筛选出的文献进行分析发现，研究较多的血管是主动脉、冠状动脉和颈动脉。多数研究假设血管材料属性均匀、各向同性，但实际情况并非如此，这可能会影响应力浓度和破裂风险的评估。在流体特性方面，牛顿流体模型应用较多，也有部分研究采用非牛顿模型，多数研究采用层流假设且认为流体不可压缩。在数值方法上，FVM 和 FEM 是常用的求解方法，ANSYS 是最常用的软件，双向耦合方法更受青睐。然而，现有研究在方法呈现上存在不一致性，如数据交换策略、求解器工作机制等方面缺乏详细说明，部分关键信息缺失，这给研究的重复性和扩展带来困难。未来的 FSI 研究应更贴近现实，考虑更多生物组织和血液的实际特性，结合生物过程进行建模，采用更真实的血管几何形状，优化边界条件，深入分析血流动力学因素，探索其与性别等因素的关系。
6. 结论
FSI 在心血管疾病研究中具有重要价值，能更准确地理解血流动力学和血管力学响应的相互作用。目前的研究主要集中在特定动脉模型上，采用了多种血液粘度模型和求解方法。未来的研究需要改进模型，弥补现有研究的不足，以提高 FSI 模拟的可靠性，为临床治疗提供更有力的支持。
