《International Journal of Thermofluids》：Numerical simulation of blood hammer phenomenon in the posterior cerebral artery incorporating visco-hyperelastic wall and complex fluid–structure interaction
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摘要：本研究数值研究了闭塞脑后动脉中的血锤现象，同时考虑了动脉壁与血液之间的流固耦合作用。血液的非牛顿特性——如剪切变稀和黏弹性——通过适当的本构方程进行建模，而动脉壁则采用刚性、超弹性或黏-超弹性模型来表征。为考察不同壁面流变模型的影响，血液动力学主要采用五
摘要：本研究数值研究了闭塞脑后动脉中的血锤现象，同时考虑了动脉壁与血液之间的流固耦合作用。血液的非牛顿特性——如剪切变稀和黏弹性——通过适当的本构方程进行建模，而动脉壁则采用刚性、超弹性或黏-超弹性模型来表征。为考察不同壁面流变模型的影响，血液动力学主要采用五模态Phan–Thien–Tanner（PTT）黏弹性模型进行描述，该模型能够捕捉血流与动脉壁之间的复杂相互作用。对于黏-超弹性壁面情形，还采用了其他血液本构方程以探讨模型敏感性。关键血流动力学参数——包括速度分布、拉伸应力分布、压力波历史和壁面剪切应力——在不同血液与壁面模型组合下进行了比较。结果表明，当动脉壁被建模为黏-超弹性时，压力波周期缩短，且压力和壁面剪切应力历史均表现出最佳的衰减特性。速度和拉伸应力分布也强烈依赖于壁面的流变特性。当血液采用黏弹性本构方程建模时，压力波和壁面剪切应力的衰减相较于黏塑性或纯剪切变稀模型更弱。在流固耦合条件下，FENE-P模型预测的最大壁面剪切应力相对于Carreau、Casson和PTT模型分别降低了100%、43.26%和8%。溶血分析表明，红细胞损伤在动脉壁中点处最高，而非在闭塞部位。这种效应在过程的第一周期内最为显著，峰值溶血值为0.954%，提示潜在的健康风险。
论文解读：考虑流固耦合与黏-超弹性壁面的脑后动脉血锤现象数值模拟研究
血锤现象类似于水锤现象，是动脉因粥样硬化等原因发生闭塞时，血流受阻导致压力波急剧升高并传播的现象，可能引发脑动脉破裂和动脉瘤形成。以往对脑后动脉（posterior cerebral artery, PCA）中血锤现象的数值模拟研究，通常将动脉壁简化为刚性，忽略了血管壁顺应性对压力波传播和衰减的影响。然而，动脉壁的力学特性（如黏弹性和超弹性）对血锤现象中的压力波周期、剪切应力分布以及血流动力学响应具有显著作用。此外，血液作为复杂流体，其非牛顿特性（如剪切变稀、黏弹性和屈服应力）也会显著影响血锤过程中的压力波衰减和壁面剪切应力。因此，本研究旨在综合考虑血液与动脉壁之间的流固耦合作用，并系统比较不同壁面模型和血液本构模型对血锤现象的影响，同时评估血锤引起的溶血风险。
研究人员采用数值模拟方法，在COMSOL Multiphysics 6.2软件中基于有限元方法建立了轴对称的脑后动脉模型，动脉简化为圆柱形几何，内径为0.0017 m，长度为0.00675 m，壁厚为内径的1/10。研究中将血液视为弱可压缩流体，采用连续性方程和动量方程描述流动，并通过密度-压力线性关系模拟血液的弱可压缩性。针对血液的非牛顿特性，分别采用了Carreau模型（剪切变稀）、Casson模型（黏塑性）、五模态Phan–Thien–Tanner（PTT）黏弹性模型和FENE-P黏弹性模型进行模拟。动脉壁则分别采用刚性、St. Venant-Kirchhoff超弹性模型以及结合广义Maxwell模型的黏-超弹性模型。流体与固体之间的耦合通过任意拉格朗日-欧拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE）方法处理，采用整体式（monolithic）离散方法求解。血锤事件通过瞬时将出口边界替换为刚性无滑移壁面来模拟急性动脉闭塞。研究对象入口初始平均速度为0.02 m/s，初始密度为1060 kg/m3，血液体积模量为424,000 Pa。研究人员还通过网格无关性验证和时间步收敛性验证，并利用水锤实验数据（弹性铜管和黏弹性HDPE管）以及稳态黏弹性流动解析解对数值方法进行了验证。
研究结果表明，在动脉壁模型的影响方面，与刚性壁相比，超弹性和黏-超弹性壁模型由于考虑了流固耦合，压力波衰减更显著，其中黏-超弹性壁产生的衰减最强，且压力波周期随时间缩短。壁面剪切应力（wall shear stress, WSS）在刚性壁模型中最高，黏-超弹性壁模型中最低，且最大WSS均出现在第一周期内，这可能与动脉粥样硬化病变发展相关。在血液本构模型的影响方面，与黏弹性模型（PTT和FENE-P）相比，纯剪切变稀的Carreau模型在早期高估了WSS，随后显著衰减，这一行为被认为是不真实的；而黏塑性Casson模型预测了最高的WSS值，但无法反映弹性力和记忆效应。黏弹性模型能更真实地模拟压力波和WSS的衰减。在流固耦合条件下，FENE-P模型预测的最大WSS相对于Carreau、Casson和PTT模型分别降低了100%、43.26%和8%。速度分布和应力分布显示，近壁区域出现反向流（回流），不同模型下的回流强度和位置有所差异，并且在压力梯度高频变化时出现环形Richardson效应。溶血分析采用Giersiepen和Heuser提出的基于剪切应力和暴露时间的数学模型，结果表明溶血百分比沿动脉壁中点处显著高于闭塞点，最高值出现在过程第一周期，峰值溶血值为0.954%，提示红细胞损伤具有潜在健康风险。
讨论部分指出，本研究将脑后动脉简化为直管以便隔离研究血液和壁面流变学影响，但实际动脉几何形状、更符合生理的闭塞模型以及动脉粥样硬化等因素会影响声波强度和传播，未来需在患者特异性模拟中加以考虑。结论部分总结了研究的主要发现：动脉壁的黏-超弹性模型在压力和WSS历史中产生最佳衰减；当血液采用黏弹性模型时，压力衰减较弱且WSS值低于其他模型；速度分布中回流位置和拐点位置取决于流变模型；溶血在中点壁面处显著高于闭塞点，且在血锤初始阶段达到峰值。该研究发表于《International Journal of Thermofluids》，为理解脑动脉血锤现象中的流固耦合和流变学效应提供了重要的数值模拟依据。
