西北工业大学攻克血流计算难题,建立统一评价体系,为心血管疾病精准诊疗提供科学支撑

问题:血液并非“越流越黏”或“恒定如水”的简单流体,而是典型的非牛顿流体,其黏度会随流动状态动态改变。近年来,临床与工程领域尝试用“虚拟血管”复现血流分布,以辅助评估动脉瘤、血管狭窄等病变的异常血流与血栓风险。但目前血液计算模型种类多、参数选取差异大、评价口径长期不统一,同一病例不同算法下可能出现不同结论,限制了计算结果向临床决策的可靠转化。如何让血流模拟结果“可比较、可复现、可验证”,成为血液计算力学的重要难题。 原因:一上,血液的微观结构使其宏观流变行为更复杂。低剪切环境下红细胞更易聚集,黏度变化明显;高剪切条件下细胞拉伸取向,黏度趋于稳定。另一方面,血管壁具有弹性且会形变,血流与血管相互作用带来强耦合、强非线性;传统数值方法在大变形和复杂边界下更容易出现网格畸变、计算发散等问题。此外,国际上虽积累了大量模型与实验数据,但评价指标与适用边界缺少系统梳理,研究之间难以对齐,也难形成共同标准。 影响:心血管疾病发病率高,致残致死风险大。准确识别局部低剪切、回流、涡旋等异常流动状态,对早期预警和治疗策略选择至关重要。若仿真结果缺乏一致性与可追溯性,不仅会削弱科研结论的可信度,也会让基于计算的辅助诊断难以落地。产业端的支架、人工血管等器械设计同样依赖可靠的血流评估框架;缺少统一标准会抬高研发与验证成本,延缓成果转化。 对策:据介绍,西北工业大学乔永辉教授团队在系统梳理百年来全球约140项核心研究的基础上,构建了覆盖血液关键流动特性的统一计算物理评价体系,明确了主流血液计算模型的表现与适用范围,为研究人员提供可遵循的验证路径与对标依据。团队同时提出一个可操作的科学分界点:以剪切率100 s^-1 作为重要阈值。高于该阈值时,血液黏度趋于稳定,流动更接近常黏性流体;低于该阈值时,尤其在动脉瘤囊内、狭窄后扩张区等病变涉及的区域,黏度变化更敏感,红细胞更易聚集,潜在风险信号更突出。该阈值为识别“需要更精细流变描述的区域”提供了量化依据,可减少模型选择的随意性。 围绕血管与血流耦合带来的仿真稳定性问题,团队继续建议在复杂大变形场景中采用无网格方法(如SPH),以降低传统网格方法在强形变条件下的失真与崩溃风险。同时,团队给出“精度—效率”的选择思路:在高剪切、黏度近似稳定区域可采用计算更高效的模型;在低剪切、流变更敏感的关键区域使用更高保真方案,从而提升整体模拟的可靠性与可用性。 前景:业内人士认为,统一评价体系与明确阈值的提出,有望推动血流计算从“各自建模、各自验证”转向“标准驱动”,为跨机构、跨平台的数据共享与结果复核打下基础。随着医学影像、个体化血管几何重建与高性能计算发展,未来基于多源数据校准的高精度个体化血流模型,有望在术前方案评估、器械优化设计、风险分层管理等发挥更大作用。该成果发表于国际期刊《Physics Reports》,也显示医工交叉的基础研究正在为精准诊疗提供更坚实的方法支撑。

这项研究针对血流模拟“难对比、难复现、难验证”的长期痛点,提出了更统一的评价框架和更明确的模型适用边界,为临床辅助评估与器械设计提供了可落地的参考。其意义不在于增加新的模型数量,而在于把分散的模型与数据纳入可检验的共同尺度,为后续个体化血流计算和转化应用打开更清晰的路径。