基于体外脑血管模型的搏动流计算流体动力学研究及实验验证

《Cardiovascular Engineering and Technology》：Computational Modeling of Flow in an in Vitro Cerebrovascular Model Under Pulsatile Conditions with Experimental Validation

本刊推荐：为验证计算流体动力学(CFD)在急性缺血性脑卒中(AIS)研究中的可靠性，研究人员开发了包含主动脉和脑血管的体外搏动流实验模型。通过对比实验测量数据与CFD模拟结果，发现时间平均压力预测误差小于8%，流量预测误差小于1%。该研究为后续栓塞迁移模拟奠定了重要技术基础，对理解AIS生物力学机制具有重要意义。

　　

当血凝块阻塞脑血管导致急性缺血性脑卒中(AIS)时，每分钟都有数百万脑细胞因缺氧而死亡。这种急症要求医生在黄金时间窗内进行有效干预，但传统医学影像技术难以实时预测血栓的迁移路径和血流动力学变化。正是这一临床困境，激发了Penn State大学Boyang Su团队开展创新性研究，他们的成果发表在《Cardiovascular Engineering and Technology》上。

长期以来，计算流体动力学(CFD)虽被广泛应用于心血管疾病研究，但其在AIS领域的应用始终面临验证难题。尤其令人困扰的是，既往研究多基于稳态流假设，而人体脑血管中的血流本质上是搏动性的。早期研究者Bhardwaj等人虽建立了可靠的脑血管模型，但仅限于稳态条件，无法真实反映生理状态下的血流动力学特征。

为突破这一局限，研究人员构建了包含主动脉和十支出口血管的解剖学精准模型。这个硅胶模型通过活塞泵驱动血液模拟液（40%甘油+60%水），成功复现了71次/分钟的心率节奏和4.91升/分钟的生理级流量。特别巧妙的是，团队通过调节Common Outlet 1的夹具，实现了76%血流经降主动脉、24%经主动脉弓分支的生理性血流分配。

在技术方法层面，研究团队采用多尺度建模策略：首先通过体外循环实验获取搏动性压力和流量波形，随后建立包含330万至1070万网格单元的三种分辨率CFD模型，使用OpenFOAM软件的k-ω SST湍流模型和pimpleFoam求解器进行流体动力学模拟，并通过网格无关性验证确保结果可靠性。

In vitro Experiments

实验测量数据显示，各出口压力波形形态相似，压力值介于20-140 mmHg之间，时间平均压力为78-91 mmHg。虽然这些数值高于正常生理范围（源于硅胶模型的固有局限），但为验证CFD模型在极端条件下的适用性提供了独特机会。主动脉入口的速度波形呈现出清晰的收缩期和舒张期特征，证实了搏动流条件的成功建立。

CFD Simulations

模拟结果与实验数据高度吻合：时间平均流量误差小于1%，压力预测误差最大不超过8%。特别值得关注的是，k-ω SST模型成功捕捉到主动脉区域的湍流特征和脑血管区域的层流特征，这一发现通过湍流粘度比(μ_t/μ)分布图得到直观展示。当μ_t/μ远大于1时表示湍流，反之则为层流。

为模拟AIS病理状态，研究人员阻塞Outlet 5（模拟栓塞卡顿），发现对侧脑血管（Outlet 4）血流从0.94%增至2.43%，同侧分叉处（Outlet 8）血流从4.95%升至6.15%。这种代偿性血流重分布现象，为理解卒中后侧支循环建立机制提供了重要线索。

Discussion

本研究的多项创新点值得关注：首次在脑血管CFD模拟中同时整合压力流量双参数验证；采用能同时处理层流/湍流的k-ω SST模型；建立包含完整主动脉弓的解剖模型。这些技术优势使得该模型能够模拟从左心到大脑的完整栓塞迁移路径，这是多数既往研究未能实现的。

当然，研究也存在若干局限：采用刚性壁假设虽经文献证实对全局流量影响小于3%，但可能低估局部血流动力学参数；未进行粒子图像测速(PIV)验证流速场；使用牛顿流体近似而非非牛顿血液模型。这些都为后续研究指明了改进方向。

Conclusion

该研究成功建立了经实验验证的脑血管搏动流CFD模拟框架，为AIS生物力学研究奠定了坚实基础。时间平均压力8%和流量1%的预测精度，证明该计算模型具备可靠的预测能力。未来通过集成栓塞迁移模拟，该平台有望为急性缺血性脑卒中的个体化治疗策略提供重要理论依据和技术支撑。