[科普中國(guó)]-心血管系統(tǒng)生物力學(xué)

簡(jiǎn)介

心血管系統(tǒng)生物力學(xué)研究主要包含兩個(gè)方面：一個(gè)是心血管的力學(xué)生物學(xué)研究。闡明力學(xué)因素如何產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)而導(dǎo)致血管重建，研究心血管信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和力學(xué)調(diào)控途徑，從細(xì)胞分子水平深入了解心血管活動(dòng)和疾病發(fā)生的本質(zhì)；一個(gè)是以臨床影像為基礎(chǔ)的心血管生物力學(xué)建模與個(gè)體化手術(shù)設(shè)計(jì)研究。應(yīng)用流體力學(xué)理論，結(jié)合醫(yī)學(xué)影像和先進(jìn)的流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，進(jìn)行心血管建模與定量分析，研究血管功能新的無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)和個(gè)體化治療體系設(shè)計(jì)，為心血管疾病的診斷、治療和預(yù)警提供生物力學(xué)的解決方案。

人體處于力學(xué)環(huán)境之中，力學(xué)因素影響機(jī)體各層次的生命活動(dòng)過程。心血管系就可以視為是一個(gè)以心(機(jī)械泵) 為中心的力學(xué)系統(tǒng)。血液循環(huán)過程包含著血液流動(dòng)、血細(xì)胞和血管的變形、血液和血管的相互作用等，其中均蘊(yùn)藏著豐富的力學(xué)規(guī)律。很顯然，力學(xué)因素對(duì)人類的心血管系統(tǒng)的生理病理過程的作用是最直接和最明顯的。

生物學(xué)研究心血管系統(tǒng)力學(xué)生物學(xué)研究從基因-蛋白-細(xì)胞-器官-整體不同層次上綜合探討血管的“應(yīng)力-生長(zhǎng)”關(guān)系，以血管重建為切入點(diǎn)，著眼于力學(xué)環(huán)境對(duì)心血管系統(tǒng)作用，闡明力學(xué)因素如何產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)(即血管活性物質(zhì)的變化) 而導(dǎo)致血管重建，研究心血管信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和力學(xué)調(diào)控途徑;血管活性多肽的功能及其分子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制;尋找力學(xué)因素對(duì)心血管作用潛在的藥物靶標(biāo)或生物標(biāo)記物。從細(xì)胞分子水平深入了解心血管活動(dòng)和疾病發(fā)生的本質(zhì)，為尋求防治心血管疾病的新途徑奠定力學(xué)生物學(xué)基礎(chǔ)。

1.平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)力學(xué)刺激的響應(yīng)

血管平滑肌細(xì)胞( vascular smooth muscle cells，VSMCs)和內(nèi)皮細(xì)胞( endothelial cells，ECs) 是血管壁的主要細(xì)胞成分，在血管的生理病理活動(dòng)中扮演極為重要的角色。ECs 的管腔面與血流直接接觸，受到流體切應(yīng)力的作用，其基底面又與VSMCs相鄰，VSMCs 和ECs 在功能上相互影響，以維持血管壁功能的穩(wěn)定。血管壁細(xì)胞的生物學(xué)行為受生物、化學(xué)和物理等多種體內(nèi)外因素的影響，其中力學(xué)因素的影響及其力學(xué)生物學(xué)機(jī)制是目前仍需深入探討的重要科學(xué)問題。

臨床研究表明，體內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化多發(fā)生于血管分叉和彎曲的部位。這些部位的血流呈現(xiàn)低或紊亂的狀態(tài)，即擾動(dòng)流。血管分叉處的擾動(dòng)流區(qū)存在較低的壁面切應(yīng)力、較高的壁面切應(yīng)力梯度、壁面切應(yīng)力隨時(shí)間振蕩等特點(diǎn)。切應(yīng)力的大小、脈動(dòng)性、時(shí)間和切應(yīng)力梯度等因素在動(dòng)脈粥樣硬化等心血管疾病的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。低切應(yīng)力及振蕩的切應(yīng)力對(duì)ECs 的影響，已有較多研究，但對(duì)于切應(yīng)力梯度對(duì)ECs 的影響，還有待探討。

2.切應(yīng)力作用下的血管重建

血管系統(tǒng)的主要功能是將血液從心臟輸送到全身的各個(gè)部位。通常血管壁必須承受流動(dòng)著的血液對(duì)血管壁的作用力，并且對(duì)這種血液動(dòng)力學(xué)環(huán)境做出相應(yīng)的適應(yīng)性反應(yīng)。為此，動(dòng)脈必須具備適應(yīng)各種力學(xué)環(huán)境并在力學(xué)環(huán)境改變時(shí)做適應(yīng)性變化的能力。Langillet曾指出，由于不同生理活動(dòng)和環(huán)境刺激．血液壓力和流量及其分布一直在持續(xù)不停地變化，在血管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般認(rèn)為是相當(dāng)穩(wěn)定的。但是這種穩(wěn)定性只能保持較短的時(shí)問，過后循環(huán)系統(tǒng)即能重建其結(jié)構(gòu)。例如，動(dòng)脈中平均血壓和脈動(dòng)血壓的升高將引起動(dòng)脈管壁的適應(yīng)性增厚和組分的改變。又如當(dāng)流經(jīng)某些部位動(dòng)脈的血流量增加時(shí)，這里的動(dòng)脈就將擴(kuò)張以降低血液通過時(shí)遇到的阻力。如果這種阻力降低持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，動(dòng)脈的內(nèi)徑將變大。由上述例子可見，為了有效地完成輸送血液的功能，動(dòng)脈對(duì)所處的力學(xué)環(huán)境的改變所作出的反應(yīng)是很明顯的。事實(shí)上，心血管系統(tǒng)作為一個(gè)整體器官，不僅能對(duì)短期的突然刺激作出反應(yīng)，還能對(duì)那些由于長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)變化而引發(fā)的功能調(diào)整的慢性刺激作出反應(yīng)。通常將動(dòng)脈的這種適應(yīng)性反應(yīng)稱為血管重建。而在引起血管重建的諸因素中，粘性血液流動(dòng)作用于血管壁的切應(yīng)力具有重要的作用。

生物力學(xué)建模緊密結(jié)合臨床，以臨床病例(影像)為基礎(chǔ)的心血管生物力學(xué)建模與個(gè)體化手術(shù)設(shè)計(jì)研究應(yīng)用流體力學(xué)理論、系統(tǒng)生物信息和控制理論，結(jié)合先進(jìn)的流場(chǎng)測(cè)試和醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，宏觀與微觀相結(jié)合、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)與力學(xué)模型及數(shù)值模擬相結(jié)合，研究人體主要血管的血流動(dòng)力學(xué)及力學(xué)因素與血管組織生物效應(yīng)的關(guān)系，心血管系統(tǒng)建模與定量分析相結(jié)合，建立精確規(guī)范的心血管功能新的無創(chuàng)檢測(cè)和分析技術(shù)，以及個(gè)體化治療方案的生物力學(xué)設(shè)計(jì)體系，為臨床心血管疾病的診斷、治療和預(yù)警提供生物力學(xué)的解決方案。

1.血管的力學(xué)性質(zhì)

目前所知的影響血管力學(xué)行為的主要物質(zhì)是彈性（蛋白）纖維、膠原（蛋白）纖維和平滑肌。彈性纖維的楊氏模量較小，為（3-6）×10dyn/cm，抗張強(qiáng)度較低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線滯后環(huán)面積很小，應(yīng)力松弛也不明顯，很接近于完全彈性體。血管的彈性主要由彈性纖維提供。膠原纖維的彈性模量很高，可達(dá)10dyn/cm2，抗張強(qiáng)度很高。滯后環(huán)和應(yīng)力松弛現(xiàn)象較彈性纖維顯著。膠原纖維在血管中是載荷的主要承受者。沒有它，血管無法承受動(dòng)脈中的巨大壓力。平滑肌的滯后環(huán)面積較大，平滑肌的應(yīng)力松弛非常顯著，應(yīng)力松弛可趨于零。平滑肌還有一重要特性，在伸進(jìn)刺激下，會(huì)能動(dòng)地收縮并產(chǎn)生很大的張力，可達(dá)10dyn/cm以上（主動(dòng)收縮是平滑肌的主要生理作用）。血管的力學(xué)性質(zhì)不僅取決于它的組分及各組分的含量。更取決于它的構(gòu)造及細(xì)胞結(jié)構(gòu)。但細(xì)胞結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性質(zhì)影響的定量測(cè)量比較困難。

圖1 動(dòng)脈血管的分層結(jié)構(gòu)示意圖

血管是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的活體復(fù)合材料，屬于黏彈性體。流變力學(xué)特性極其復(fù)雜。目前還沒有準(zhǔn)確、完善的本構(gòu)方程描述它。因此在研究具體問題時(shí)，我們應(yīng)弄清楚哪些血管性質(zhì)與所研究的問題有關(guān)，從而達(dá)到簡(jiǎn)化模型的目的。由于血液流動(dòng)和血管壁的運(yùn)動(dòng)是偶聯(lián)的，因此僅研究血管的幾何形狀和組織結(jié)構(gòu)是不夠的，還必須了解血管壁的流變特性以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由于血液流動(dòng)和血管壁運(yùn)動(dòng)的偶聯(lián)非常復(fù)雜，目前大多數(shù)血流動(dòng)力學(xué)的研究均設(shè)血管為剛性管。這種假設(shè)只有在某些問題中是可以的。但絕大多數(shù)的問題，特別是大血管會(huì)帶來很大的誤差。

2.血流動(dòng)力學(xué)研究

上個(gè)世紀(jì)50 年代，Karreman、Morgan、Kiely、Ferranti 以及Womersley 等人用流體力學(xué)的方法對(duì)動(dòng)脈血管的血液流動(dòng)作了更加細(xì)致的分析， 從此血流動(dòng)力學(xué)（Hemodynamics）進(jìn)入了一個(gè)更為理性的研究階段。上世紀(jì)60 年代以后，一批優(yōu)秀的科學(xué)家，例如：馮元楨、Sobin、錢煦、Lightill 等在血流動(dòng)力學(xué)研究方面都作出了卓越的貢獻(xiàn)。

血流動(dòng)力學(xué)的研究主題主要有三個(gè)：1）以器官(組織)微循環(huán)為核心的器官(組織)血液運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，如肺血流的研究；2）以動(dòng)脈粥樣硬化病理機(jī)制為背景的分枝、彎曲和局部狹窄部位的血流動(dòng)力學(xué)因素、傳質(zhì)過程與血管生理病理功能的相互關(guān)系的研究; 3）脈搏波在動(dòng)脈系統(tǒng)內(nèi)傳播規(guī)律的研究，這一方向的背景是尋求心血管疾病的早期無創(chuàng)診斷方法。

血管重建局部性血流動(dòng)力學(xué)成因的基礎(chǔ)研究已經(jīng)有幾十年歷史，但仍有許多問題至今尚未探索清楚。研究發(fā)現(xiàn)，升主動(dòng)脈-主動(dòng)脈弓處的血流呈旋動(dòng)流態(tài)。這種旋動(dòng)流是血流做螺旋運(yùn)動(dòng)，它與通常所講的血流受擾動(dòng)后產(chǎn)生的渦流完全不同。動(dòng)脈血流的旋動(dòng)現(xiàn)象決非偶然，它可能使血流穩(wěn)定，減小湍流，抑制有害物質(zhì)(如脂質(zhì)等) 向血管壁的輸運(yùn)，從而對(duì)血管具有保護(hù)功能。動(dòng)脈血流的旋動(dòng)現(xiàn)象研究不僅對(duì)心血管病局部性血流動(dòng)力學(xué)成因的認(rèn)識(shí)有重要科學(xué)意義，而且將為心血管病介入治療和個(gè)體化手術(shù)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的理論依據(jù)。《動(dòng)脈血流旋動(dòng)原理在人造血管研制和血管移植術(shù)中的應(yīng)用》一文將動(dòng)脈血流旋動(dòng)原理用于心血管介入治療，應(yīng)用生物力學(xué)的原理和技術(shù)，明顯改善其中的血流流場(chǎng)，提高壁面切應(yīng)力，抑制血小板粘附和血管內(nèi)膜增生，對(duì)于解決小口徑人造血管的急性血栓堵塞和血管移植術(shù)(搭橋術(shù))后下游血管內(nèi)膜增生引起的血管再狹窄問題具有重要意義。

3.心血管系統(tǒng)的建模仿真

心血管系統(tǒng)的建模仿真研究今年來十分廣泛。心血管系統(tǒng)包括心臟與血管系統(tǒng)，心臟是一個(gè)自激勵(lì)系統(tǒng)，為整個(gè)心血管系統(tǒng)提供動(dòng)力，根據(jù)心臟的生理特性，目前對(duì)心臟的模擬主要包括電生理特性模擬和力學(xué)特性模擬，電生理特性模擬包括：膜電位改變控制心臟的搏動(dòng)、心電信號(hào)在整個(gè)心臟的傳導(dǎo)，等等。心臟力學(xué)性能模擬主要是將心臟作為一個(gè)容積變化的動(dòng)力源。

血管系統(tǒng)的模型則主要在彈性腔理論、脈搏波傳播和動(dòng)脈脈動(dòng)流理論以及流體傳輸線理論等理論下發(fā)展而來，目前主要包括：用于描述整體血管系統(tǒng)的集中參數(shù)模型和一維分布參數(shù)模型，用于描述局部流場(chǎng)信息三維分布參數(shù)模型，以及為描述局部流場(chǎng)與整體循環(huán)系統(tǒng)之間相互影響的多尺度模型。

除此之外，心血管系統(tǒng)受到神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和體液調(diào)節(jié)，某些局部區(qū)域血管系統(tǒng)（比如腦血管系統(tǒng)和冠脈循環(huán)系統(tǒng)）又有自調(diào)節(jié)機(jī)制，同時(shí)受到呼吸系統(tǒng)的相互影響，因此也出現(xiàn)了描述心血管系統(tǒng)與外部調(diào)節(jié)機(jī)制相互作用的多生理系統(tǒng)模型。

4.心血管系統(tǒng)生物力學(xué)的研究進(jìn)展

血管生物力學(xué)研究要將生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究的精細(xì)定量化與力學(xué)的模型數(shù)學(xué)化有機(jī)結(jié)合，體現(xiàn)學(xué)科交叉和綜合，深化生物力學(xué)學(xué)科前沿研究的內(nèi)涵。強(qiáng)調(diào)生物力學(xué)研究在解決關(guān)鍵科學(xué)問題，明確力學(xué)因素在疾病發(fā)生發(fā)展中作用的同時(shí)，致力于發(fā)展相關(guān)的新技術(shù)方法，緊密聯(lián)系臨床防治提出具有生物力學(xué)特色的新思路，為取得心血管疾病防治的重大突破做出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

鄧小燕 - 教授 - 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院