《European Journal of Mechanics - B/Fluids》：Rheology–morphology interplay in carotid sinus hemodynamics
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摘要血流动力学在动脉粥样硬化的进展和动脉疾病的临床管理中起着核心作用，尤其是中风仍然是全球死亡的主要原因之一。颈动脉因其复杂的车叉结构而备受关注，颈总动脉在此处分为颈内动脉和颈外动脉，形成了一个独特的流体动力学环境。该区域的一个关键特征是颈动脉窦，即位于颈内动脉基部的一段扩张
摘要
血流动力学在动脉粥样硬化的进展和动脉疾病的临床管理中起着核心作用，尤其是中风仍然是全球死亡的主要原因之一。颈动脉因其复杂的车叉结构而备受关注，颈总动脉在此处分为颈内动脉和颈外动脉，形成了一个独特的流体动力学环境。该区域的一个关键特征是颈动脉窦，即位于颈内动脉基部的一段扩张区域，其功能作为压力调节器。个体间窦几何形状和位置的差异会引起局部血流扰动和回流区，这强烈影响特定部位的动脉粥样硬化斑块形成及随后的中风风险。本研究调查了在颈动脉模型中采用非牛顿血液流变学模型和窦位置对血流动力学预测的影响。在具有球状膨大的颈动脉分叉处，对多个心动周期进行了瞬态三维计算流体力学模拟，纳入了非牛顿血液行为以更好地反映生理条件。在入口处以脉动速度曲线，使用有限体积法进行数值离散，采用耦合的压力–速度格式、二阶空间离散和一阶隐式时间积分。结果表明，虽然在高动量收缩期牛顿假设是足够的，但在舒张期出现了显著差异。非牛顿模型，特别是Carreau和Cross公式，捕捉到了低流量区域中不同的壁面剪切应力分布，突出了流变学模型选择对于准确评估动脉粥样硬化血流动力学风险的重要性。
引言
颈动脉位于颈部两侧，是向大脑、头部和面部输送含氧血液的重要通道。每个颈动脉系统由颈总动脉（CCA）组成，后者分为颈内动脉（ICA）和颈外动脉（ECA）。颈动脉窦是颈内动脉在分叉后不久出现的球状膨大部分，其几何构型在塑造局部血流动力学行为中起着关键作用[1]。其形状影响流动分离、回流区和壁面剪切应力（WSS）分布，这些都是动脉粥样硬化的关键因素。颈动脉固有的复杂几何特征——由曲率、分叉和变化的腔体直径所标记——深刻影响血管内血流模式[2]。这些解剖特征在速度曲线和压力梯度中引入了空间和时间变化，导致高度不均匀的壁面剪切应力分布。低壁面剪切应力和高振荡剪切指数（OSI）的区域，特别是在分叉处和弯曲段的外壁附近，已被机制生物学上与内皮功能障碍和动脉粥样硬化斑块的优先发展联系起来[3]。
颈动脉几何形状对局部血流动力学的影响已被广泛研究。Nagargoje和Gupta[4]表明，增加窦直径及其与分叉点的距离会增强流动回流，同时降低壁面剪切应力，从而创造有利于斑块形成的条件。类似地，Bantwal等人[5]采用了流–固耦合（FSI）框架，并报告在颈动脉窦区域出现了低壁面剪切应力、高振荡剪切指数和增加的相对驻留时间（RRT）。Singh和Singh[6]进一步使用具有不同几何构型的计算模型研究了分叉角度和窦形态的影响，并表明这两个参数都显著影响流动分离、回流和壁面剪切应力模式。在此基础上，Quadri等人[7]利用了患者特定的颈动脉几何形状，并表明除了分叉角度外，血管扭曲度和面积比也显著改变了局部流动特征，在高扭曲度的颈内动脉段中出现了升高的振荡剪切指数值。
计算流体力学（CFD）已被广泛用于利用理想化几何形状和从CT及MRI数据重建的患者特定几何形状，研究颈动脉分叉和狭窄颈动脉中的血流行为[8]，[9]，[10]，[11]。特别关注颈动脉窦区域，因为其复杂的流动特征，包括流动分离、回流和振荡剪切模式，这些通常与动脉粥样硬化斑块的发展相关。Gharahi等人[9]研究了患者特定的颈动脉分叉，并报告了扰动流区域中局部黏度分布和血流动力学参数的差异。Mendieta等人[12]在狭窄颈动脉几何形状中比较了几种非牛顿公式，并观察到壁面剪切应力和流动特征的差异，特别是在低剪切率区域。Moradicheghamahi等人[13]将动脉弹性和流变效应纳入颈动脉模拟，并研究了它们对血流动力学指标（如壁面剪切应力（WSS）、振荡剪切指数（OSI）和相对驻留时间（RRT））的影响。最近的流–固耦合研究通过纳入血管壁变形和非牛顿血液流变学，进一步拓展了这些研究。这些研究报告了颈动脉分叉和窦区域中壁面剪切应力（WSS）分布、流动回流模式和斑块相关血流动力学指标的显著影响[5]，[14]，[15]，[16]。
将范围扩展到声学响应方面，Morab等人[17]研究了狭窄颈动脉分叉的血流动力学和血液声学特征，量化了狭窄严重程度、长度和分叉角度的影响。他们的结果建立了从综合压力力率（IPFR）谱中提取的声学信号特征与几何参数之间的幂律关系。在此基础上，最近的进展整合了深度学习以克服传统计算流体力学（CFD）的计算成本。Gerdroodbary等人[18]开发了一种利用本征正交分解（POD）和长短期记忆（LSTM）网络的预测代理模型。他们的研究成功预测了患者特定颈动脉中的血流速度和压力场，证明机器学习方法能够准确捕捉狭窄引入的复杂非线性血流动力学，从而为实时、无创临床评估动脉粥样硬化病变开辟了道路。
颈动脉窦内的血流动力学对血液流变性和局部血管形态高度敏感。标准牛顿近似可能无法充分表征血液的剪切稀化行为，特别是在由窦几何形状产生的低剪切和回流区域，这可能影响基于壁面剪切应力的血流动力学指标的预测。此外，大多数先前的颈动脉血流动力学研究主要关注静息血流条件，而与运动相关的改变心脏动力学可以显著改变局部流场并暴露出在静息状态下可能不太明显的血流动力学特征。本研究的创新性在于在运动引起的脉动流条件下系统评估血液流变性和颈动脉窦位置耦合影响。具体而言，在不同窦构型中比较了牛顿和非牛顿流变学模型，以识别预测的流动结构和基于壁面剪切应力的指标中依赖于形态的差异。这种在运动条件下的流变性–形态学组合分析提供了一个评估颈动脉窦血流动力学对流动分离和回流区域的流变学假设敏感性的框架。非线性流动特征使用有限体积法（FVM）框架内的耦合压力–速度格式进行求解，为预测解剖复杂的颈动脉窦中的脉动血流提供了数值稳定和守恒的方法。
本文结构如下：第2节概述问题公式，详细介绍了计算域和本研究中考察的具体案例。这包括对控制方程、计算方案和边界条件的简要概述，最后给出了网格独立性研究的结果。计算结果在第3节中呈现和分析。第4节讨论了本研究的局限性，强调了可能影响结果解释的关键假设和约束。最后，在第5节中提供了结论。
章节片段
几何创建
图1展示了笛卡尔坐标系中颈动脉计算域的示意图。颈动脉模型的几何尺寸基于文献[19]中报告的数据。颈总动脉（CCA）建模为直径8毫米、长度41毫米。颈外动脉（ECA）直径为4.62毫米，长度延伸47毫米，而颈内动脉（ICA）直径为5.55毫米，长度同样为47毫米。颈内动脉窦是
结果与讨论
众所周知，从解剖学和临床角度来看，颈动脉窦在颈动脉分叉中的位置是变化的。这种考虑在运动条件下至关重要，因为血流动力学对形态和流变变化高度敏感。已对不同案例进行了CFD模拟，包括三种形态变异（对应窦相对于分叉点的位置）和三种流变变异（代表血液的）
研究局限性
本研究基于理想化颈动脉几何形状的瞬态流模拟，为理解非牛顿模型对窦区域附近血流动力学预测的影响提供了有用的见解；然而，有几点局限性需要注意。使用理想化几何形状忽略了患者特定的解剖变异，如血管曲率、分叉角度和表面不规则性，所有这些都可能显著影响局部流动动力学和壁面剪切应力
结论
在理想化颈动脉分叉中对脉动流进行了瞬态CFD模拟，以理解非牛顿模型在预测颈内动脉窦位置效应中的作用。模拟揭示了由分叉引起的分离流与窦中流动膨胀之间的复杂流动相互作用。颈动脉窦空间位置的形态变化——通过将其移离分叉点——导致一个
CRediT作者贡献声明
Vishnu Mohankumar：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，验证，软件，方法学，调查，数据整理，构思。B.V. Rathish Kumar：撰写–初稿，监督，资源，项目管理，方法学，调查，资金获取，数据整理，构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本文所述的工作。
资金
作者感谢印度人力发展部（MHRD）Stars项目（MOE-Stars/STARS-2/2023-0030）提供的财政支持。
致谢
作者感谢印度理工学院坎普尔分校计算机中心提供的高性能计算（HPC 2013）资源，这些资源在本研究的计算工作中得到了使用。
Vishnu Mohankumar|B.V. Rathish Kumar
印度理工学院坎普尔分校 数学系，208016，印度
