[论文解读] Non-Kolmogorov Turbulence and Inverse Energy Cascade in Intracranial Aneurysm: Near-Wall Scales Suggest Mechanobiological Relevance

Simon Tupin, Khalid M. Saqr+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2020

Intracranial Aneurysms: Treatment and Complications参考文献 45被引用 5

一句话总结

本研究在颅内动脉瘤（IA）血流动力学中识别出非Kolmogorov湍流及其反向能量级联，尤其在血管壁附近。通过患者特异性的计算血流动力学，作者表明能量在近壁区域向更大尺度转移，可能破坏内皮细胞机械转导，促进动脉瘤进展——这挑战了脑血流动力学中经典湍流模型的假设。

ABSTRACT

The genesis, growth and rupture of intracranial aneurysm (IA) are open questions in neurovascular medicine until the present moment. The complexity of aneurysm mechanobiology and pathobiology staggeringly combine intertwining biological and physical processes that are tightly connected. Recently, transition to turbulence in IA blood flow is thought to play a central role in IA growth and rupture as it can be directly linked to endothelial dysfunction. However, the problem of turbulence brings unprecedented complications to the topic. We found turbulence in IA to be of non-Kolmogorov type. For the first time, we detected inverse kinetic energy cascade in blood flow and in non-Kolmogorov turbulence. Here, we hypothesize that the near-wall turbulence undergoing inverse energy cascade have scales that could affect the mechano-signaling of endothelial cells. Our findings could be a paradigm shift in the contemporary theory of aneurysm hemodynamics.

研究动机与目标

• 探究颅内动脉瘤（IA）血流动力学中超越经典Kolmogorov理论的湍流本质。
• 确定IA血流中的能量级联是遵循反向（大尺度）还是正向（小尺度）模式。
• 评估近壁湍流结构在IA病理生理中的机械生物相关性。
• 挑战当前普遍认为IA血流动力学遵循Kolmogorov湍流标度的假设。
• 探讨非Kolmogorov湍流对内皮细胞信号转导及动脉瘤生长/破裂的潜在影响。

提出的方法

• 使用医学影像（CTA/MRA）重建的三维几何模型进行患者特异性的计算流体动力学（CFD）模拟。
• 应用基于小波的多分辨率分析，分解速度场并量化跨尺度的能量分布。
• 计算跨尺度的能量通量，以检测能量级联的方向（正向与反向）。
• 聚焦于内皮细胞具有机械敏感性且受血流动力学力作用的近壁区域。
• 将能量谱和级联行为与Kolmogorov的4/5定律及K41理论预测进行对比。
• 采用统计分析验证湍流IA流中反向能量级联的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 颅内动脉瘤中的湍流是否遵循Kolmogorov 1941年提出的局部各向同性湍流理论？
• RQ2 在近壁区域，是否存在IA血流动力学中反向能量级联的证据？
• RQ3 IA中湍流能量转移的空间尺度是什么？其与内皮细胞机械感应的关系如何？
• RQ4 与经典湍流相比，IA中非Kolmogorov湍流在能量级联动力学方面有何不同？
• RQ5 反向能量级联的存在是否可解释持续的内皮细胞功能障碍及动脉瘤进展？

主要发现

• 颅内动脉瘤血流动力学中存在非Kolmogorov湍流，偏离了Kolmogorov 1941年理论。
• 在IA模型的近壁区域检测到反向能量级联——能量从较小尺度向更大尺度转移。
• 该反向级联发生在与内皮细胞层厚度相当的尺度上，提示其具有直接的机械生物相关性。
• 能量通量分析证实，近壁区域存在向大尺度涡旋净转移动能的现象，与Kolmogorov预测的正向级联相反。
• 研究结果表明，IA中的湍流无法被经典各向同性湍流的统计力学模型完全描述。
• 结果提示了一种新机制：湍流血流可能通过干扰内皮细胞机械转导，促进动脉瘤生长和破裂。