[论文解读] Non-Newtonian Rheology in Blood Circulation

Taha Sochi|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2013

Rheology and Fluid Dynamics StudiesChemical Engineering被引用 19

一句话总结

本文全面概述了血液循环中的非牛顿流变行为，强调剪切变稀、粘弹性、屈服应力和结构稀释性。文章指出，尽管为简化起见常将血液建模为牛顿流体，但非牛顿效应——尤其是在微循环和多孔组织灌注中——具有重要的生理意义，应在血流动力学建模中加以整合，以实现更准确的诊断与治疗。

ABSTRACT

Blood is a complex suspension that demonstrates several non-Newtonian rheological characteristics such as deformation-rate dependency, viscoelasticity and yield stress. In this paper we outline some issues related to the non-Newtonian effects in blood circulation system and present modeling approaches based mostly on the past work in this field.

研究动机与目标

• 解决非牛顿效应在血液流动中被低估的作用，特别是在微循环和多孔组织灌注中的影响。
• 强调尽管血液具有复杂的流变特性，但在血流动力学建模中假设其为牛顿行为仍存在局限性。
• 识别由红细胞聚集和形变引起的非牛顿特性关键特征——剪切变稀、粘弹性、屈服应力、结构稀释性。
• 倡导将非牛顿模型系统性地整合到循环系统模拟中，特别是在狭窄血管和微血管网络中。
• 强调需要进一步研究流固耦合以及非牛顿效应在扩散和灌注过程中的作用。

提出的方法

• 综述现有实验、理论和计算研究中关于不同流动状态和血管类型下血液流变学的文献。
• 应用非牛顿本构模型（如幂律模型、Herschel-Bulkley模型和粘弹性模型）模拟刚性及可变形血管中的血液流动。
• 采用孔隙尺度网络建模方法模拟多孔介质中的非牛顿流动，整合剪切变稀、屈服应力和粘弹性效应。
• 对非牛顿流体的改进型达西定律进行适应性调整，以模拟生物多孔组织中的血液灌注。
• 引入流固耦合模型，以考虑血管壁弹性及其对非牛顿血流动力学的影响。
• 通过滞后回线和时间依赖行为分析，量化重复剪切循环中的结构稀释效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 剪切变稀和粘弹性等非牛顿特性在狭窄动脉中的血液流动中产生何种影响？
• RQ2 屈服应力和结构稀释性在微循环中对血流动力学力和壁面剪切应力的影响有多大？
• RQ3 血液在多孔组织中灌注的非牛顿效应与在大血管中的表现相比有何差异？
• RQ4 红细胞聚集和形变在低剪切率下如何导致非牛顿行为的产生？
• RQ5 如何系统性地将非牛顿流变学整合到基于达西定律的微血管灌注模型中？

主要发现

• 血液表现出显著的非牛顿行为，主要由红细胞聚集和形变引起，尤其在低剪切率下更为明显。
• 剪切变稀是最显著的非牛顿效应，其在高剪切率下降低黏度，有助于血液通过狭窄血管。
• 屈服应力和粘弹性有助于调节流动阻力，非牛顿效应在狭窄动脉中起到保护性机制的作用。
• 结构稀释行为通过循环剪切中的滞后回线得到证实，表明红细胞聚集结构具有时间依赖性的恢复特性。
• 由于变形率较低和几何结构复杂，非牛顿效应在微循环和多孔组织灌注中比在大血管中更为显著。
• 现有的基于达西定律的组织灌注模型忽略了非牛顿效应，但采用幂律或Herschel-Bulkley模型的改进是实现准确性的必要手段。