[論文レビュー] Physiologic Blood Flow is Turbulent: Revisiting the Principles of Vascular Hemodynamics

Khalid M. Saqr, Simon Tupin+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Cardiovascular Health and Disease Prevention参考文献 71被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、力学的安定性解析および運動エネルギーのスケーリング理論を用いて、Womersleyのナビエ＝ストークス方程式の正確解—正常な頸動脈および他の動脈血流を表すもの—が、内因性の乱流を示すことを示すことで、長年にわたり受け入れられてきた生理的血流は層流であるという仮定に挑戦する。HaeMed©データベースおよび生体内ドップラー超音波を用いた研究では、正のリャプノフ指数、グローバルな流体力学的不安定性、および非コルモゴロフ型エネルギーのスケーリングが確認され、生理的血流が本質的に混沌としており、乱流的であることが証明された。これは、血行動態学のパラダイム転換を要する。

ABSTRACT

Contemporary paradigm of vascular hemodynamics considers normal blood flow to be pulsatile laminar flow. Transition to turbulence can cause diseases such as atherosclerosis or brain aneurysms. Recently, we demonstrated the existence of turbulence in experimental models of brain aneurysm; in the aneurysm sac as well as in the main artery. Thus, we were intrigued to explore if such a long-standing assumption of the laminarity of blood flow could be challenged. We have used methods and tools from chaos theory, hydrodynamic stability theory and turbulence physics to explore the existence of turbulence in normal vascular blood flow. We used Womersley exact solution of the Navier-Stokes equation with the HaeMed database of physiologic blood flow measurements, to offer reproducible evidence for our findings, as well as evidence from Doppler ultrasound measurements from healthy volunteers. The tools we used to investigate the properties of blood turbulence are well established in the fields of chaos theory, hydrodynamic stability and turbulence dynamics. We show, evidently, that blood flow is inherently chaotic and turbulent and not laminar. We propose a paradigm shift in the theory of vascular hemodynamics which requires rethinking the hemodynamic-biologic links governing physiologic and pathologic processes.

研究の動機と目的

• 通常の血流は脈動的かつ層流的であるという古典的仮定に挑戦すること。
• Womersley流れモデルが本質的に乱流的特性を示すかどうかを調査すること。
• オープンアクセスの生理的血流データ（HaeMed©）および健康被験者からの生体内ドップラー超音波測定を用いて、乱流を検証すること。
• 血行動態学と生物学的要因の関連を再評価し、血行動態モデリングの基礎を再定義すること。

提案手法

• HaeMed©データベースからの境界条件を用いて、Womersley方程式の正確解を応用し、主要動脈における脈動的血流をモデル化した。
• オープンソースのWolfアルゴリズムを用いてリャプノフ指数を計算し、初期条件への敏感な依存性（SDIC）を評価した。これは混沌の特徴的兆候である。
• Reynolds-Orr方程式を用いて、摂動エネルギーの増大を分析することで、グローバルな流体力学的安定性を評価した。時間に依存するエネルギーの変化を解析した。
• 周波数領域における運動エネルギーのスケーリングを分析し、非コルモゴロフ型のスケーリングが示されるかどうかを検証した。これは非古典的乱流の兆候である。
• 健康被験者に対してドップラー超音波測定を実施し、同じ解析パイプラインを適用することで、生体内での乱流の存在を確認した。
• 非線形ダイナミクスを検出するための十分な周波数分解能を確保するため、フーリエ展開に40次までの調和成分を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Womersley流れモデル（正常な生理的血流を表す）は、初期条件への敏感な依存性（SDIC）を示すか？
• RQ2 Womersley流れ解は、時間的および空間的要因において流体力学的に不安定であり、乱流の傾向を示すか？
• RQ3 Womersley流れにおける運動エネルギーのスケーリングは、コルモゴロフ型のスケーリングに従うか、それとも非コルモゴロフ的特性を示し、非古典的乱流を示唆するか？
• RQ4 健康被験者からの生体内ドップラー超音波測定は、理論的Womersley解と同様の混沌的・乱流的特徴を示すか？
• RQ5 正常な血流に内在する乱流が、健康および疾患状態における内皮細胞の機械的生物学的応答を説明できるか？

主な発見

• Womersley流れ解は正のリャプノフ指数を示し、初期条件への敏感な依存性および内因性の混沌的ダイナミクスが確認された。
• 摂動エネルギーの時間的持続的増大により、流体力学的不安定性が顕在化しており、層流の安定性基準を満たさない。
• Womersley解における運動エネルギーのスケーリングは非コルモゴロフ型であり、古典的-5/3乗指数から著しく逸脱したべき乗則の勾配を示しており、非古典的乱流を示している。
• 健康被験者からの生体内ドップラー超音波測定は、正のリャプノフ指数を確認し、人間の生体血流においても混沌的ダイナミクスが存在することを裏付けた。
• 本研究は、乱流が病理的遷移ではなく、正常な生理的血流の本質的性質であることを示した。理論的モデリングと実証的データの両方によって裏付けられた。
• 本研究の結果は、健全な血管系においても内因性の乱流を考慮に入れる必要があるため、現在の層流血行動態学のパラダイムを再考する必要があることを示唆している。