[논문 리뷰] Physiologic Blood Flow is Turbulent: Revisiting the Principles of Vascular Hemodynamics

Khalid M. Saqr, Simon Tupin외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Cardiovascular Health and Disease Prevention참고 문헌 71인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 혈액 순환이 생리학적 흐름이 난류임을 오랫동안 가정해온 전통적 견해에 도전하며, 혼돈 이론, 유체역학적 안정성 분석 및 운동에너지 전이 모델링을 통해 Womersley의 나비에-스토크스 방정식의 정확한 해—정상적인 carotid 동맥 및 기타 동맥 흐름을 나타내는 것—이 내재된 난류 성질을 갖는다는 것을 입증한다. HaeMed© 데이터베이스와 생체 내 도플러 초음파를 이용한 연구에서 양의 리아푸노프 지수, 전역적인 유체역학적 불안정성 및 비-콜모고로프 에너지 전이가 관찰되어, 생리학적 혈액 흐름이 본질적으로 혼돈스럽고 난류적임을 입증하며, 혈관 순환역학의 패러다임 전환을 필요로 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정상 혈액 흐름이 파ulsatile 난류 흐름임을 전통적으로 가정하는 것을 도전한다.
• Womersley 유동 모델이 본질적으로 난류적 특성을 갖는지 조사한다.
• 공개된 생리학적 유동 데이터(HaeMed©)와 건강한 자원자로부터의 생체 내 도플러 초음파 측정을 통해 난류를 검증한다.
• 혈관 생리학 및 병리학에서의 순환역학-생물학적 연관성을 재평가하기 위해 순환역학 모델링의 기초를 재정의한다.

제안 방법

• HaeMed© 데이터베이스에서 확보한 경계 조건을 사용하여 주요 동맥 내 파ulsatile 혈액 흐름을 모델링하기 위해 Womersley 방정식의 정확한 해를 적용한다.
• 초기 조건에 대한 민감도를 평가하기 위해 오픈 소스 Wolf 알고리즘을 사용하여 리아푸노프 지수를 계산한다. 이는 혼돈의 특징인 초기 조건에 대한 민감도(SDIC)를 나타낸다.
• 유체역학적 안정성의 전역적 평가를 위해 레이놀즈-오어 방정식을 사용하여 교란 에너지의 증가를 분석하고, 시간에 따른 에너지 변화를 평가한다.
• 주파수 영역에서 운동에너지 전이를 분석하여 비-콜모고로프 척도를 탐지함으로써 비고전적 난류의 징후를 확인한다.
• 건강한 자원자에서 도플러 초음파 측정을 실시하고, 동일한 분석 프로세스를 적용하여 생체 내 난류를 확인한다.
• 비선형 역학을 탐지하기 위한 충분한 스펙트럼 해상도 확보를 위해 푸리에 분해에 40개의 조화분량을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정상 생리학적 혈액 흐름을 나타내는 Womersley 흐름 모델은 초기 조건에 대한 민감도(SDIC)를 보이는가?
• RQ2 Womersley 흐름 해는 시간과 공간에 걸쳐 유체역학적으로 불안정한가? 이는 난류 발생 경향을 나타내는가?
• RQ3 Womersley 흐름에서 운동에너지 전이가 콜모고로프 척도를 따르는가, 아니면 비-콜모고로프 특성을 보이며 비고전적 난류임을 시사하는가?
• RQ4 건강한 자원자로부터의 생체 내 도플러 초음파 측정치는 이론적 Womersley 해와 동일한 혼돈적 및 난류적 특성을 보이는가?
• RQ5 정상 혈액 흐름 내의 내재된 난류가 건강 및 질병 상태에서 내피세포의 기계생물학적 반응을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• Womersley 흐름 해는 양의 리아푸노프 지수를 보이며, 초기 조건에 대한 민감도와 내재된 혼돈 역학을 확인한다.
• 지속적인 양의 교란 에너지 증가로 인해 전역적인 유체역학적 불안정성이 존재함을 나타내며, 이는 난류 흐름을 위한 안정성 기준을 위반한다.
• Womersley 해에서 운동에너지 전이의 비-콜모고로프 척도는 고전적 -5/3 지수에서 크게 벗어난 비선형 거듭제곱 법칙 기울기를 보이며, 비고전적 난류임을 시사한다.
• 건강한 자원자로부터의 생체 내 도플러 초음파 측정치는 양의 리아푸노프 지수를 확인하여 실제 인간 혈액 흐름 내 혼돈 역학의 존재를 지지한다.
• 본 연구는 난류가 병적 전이가 아니라 정상 생리학적 혈액 흐름의 내재된 특성임을 입증하며, 이는 이론적 모델링과 실증 데이터 양측 모두에서 뒷받침된다.
• 연구 결과는 현재의 난류 혈관 순환역학 패러다임을 건강한 혈관계에서 내재된 난류를 고려하도록 재편해야 한다는 것을 시사한다.