生命体内的血液流动蕴藏着复杂的力学奥秘。
不同于普通液体,血液具有独特的"剪切稀化"特性——流动速度越快,黏稠度反而越低。
这种非牛顿流体特征虽能确保血液循环效率,却给医学仿真带来了巨大挑战。
长期以来,由于缺乏统一的计算模型标准,不同算法对同一血管病变的模拟结果可能相差30%以上,严重制约着数字医疗的临床应用。
问题根源在于血液流变的多尺度复杂性。
研究显示,在动脉瘤、血管狭窄等病变区域,血液黏稠度会随剪切率变化呈现显著非线性特征。
更棘手的是,人体血管并非刚性管道,其弹性壁面与血流形成的"流固耦合"效应,使得传统网格算法在模拟大变形时易出现计算失真。
据临床数据统计,现有血管仿真模型对血栓风险的预测准确率不足65%。
面对这一世界性难题,乔永辉团队历时五年攻关,开创性地构建了全球首个血液流变学计算物理评价体系。
研究团队通过荟萃分析发现,当剪切率超过100秒^-1时,血液黏稠度趋于稳定,可简化为牛顿流体处理;而在低剪切率条件下,必须采用包含幂律模型、Carreau-Yasuda模型等在内的七类非牛顿模型进行精确刻画。
这一分界标准的建立,使血流模拟的准确性提升了40%。
在算法创新方面,研究突破了传统有限元法的"网格桎梏"。
针对血管壁大变形难题,团队引入无网格光滑粒子流体动力学(SPH)方法,实现了红细胞聚集等微观界面的精准追踪。
实验表明,新方法在模拟动脉瘤破裂场景时,计算效率较传统ALE方法提高3倍,且能稳定捕捉血管壁面毫米级的瞬时形变。
该成果的应用前景广阔。
基于此项研究,未来可建立患者特异性的"数字血管"模型,通过个性化血流模拟,提前3-6个月预测血栓形成风险。
目前,团队已与西京医院开展临床合作,在主动脉夹层手术规划中取得突破性进展,将术前评估时间从72小时缩短至8小时。
从血液的“黏与稀”到血管的“柔与动”,生命体内的流动规律既精细又复杂。
以科学的评价体系把模型、算法与生理机制更紧密地连接起来,才能让计算结果更接近真实、让临床决策更有依据。
面向精准医疗的下一步,既需要更高精度的计算工具,也需要更统一、更透明的标准与验证路径,让“看得见的模拟”真正转化为“用得上的诊疗能力”。