[论文解读] 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 7

一句话总结

本文通过混沌理论、流体稳定性分析和动能级联建模，挑战了长期以来认为生理血液流动为层流的假设，证明了Womersley对Navier-Stokes方程的精确解——代表正常颈动脉及其他动脉血流——表现出内在湍流特性。利用HaeMed©数据库和体内多普勒超声检查，研究揭示了正的李雅普诺夫指数、全局流体动力不稳定性以及非-Kolmogorov型能量级联，证明生理血液流动本质上具有混沌性和湍流性， necessitating（需）对血管血流动力学范式进行根本性转变。

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.

研究动机与目标

• 挑战经典假设，即正常血液流动为脉动层流。
• 探究Womersley流动模型是否本质上表现出湍流特性。
• 利用开放获取的生理血流数据（HaeMed©）和健康志愿者的体内多普勒超声测量，验证湍流的存在。
• 通过重新定义血流动力学建模的基础，重新评估血管生理与病理中的血流动力学生物学关联。

提出的方法

• 将Womersley方程的精确解应用于主要动脉中脉动血液流动的建模，边界条件来自HaeMed©数据库。
• 使用开源Wolf算法计算李雅普诺夫指数，以评估对初始条件的敏感依赖性（SDIC），这是混沌的标志性特征。
• 通过分析扰动能量增长（基于Reynolds-Orr方程）并评估随时间的能量演化，评估全局流体动力稳定性。
• 在频率空间中分析动能级联，以检测非-Kolmogorov型标度，这是非经典湍流的特征。
• 对健康志愿者进行多普勒超声测量，并应用相同的分析流程，以确认体内湍流的存在。
• 在傅里叶分解中使用40个谐波，以确保足够的频谱分辨率，以检测非线性动力学特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 Womersley流动模型（代表正常生理血液流动）是否表现出对初始条件的敏感依赖性（SDIC）？
• RQ2 Womersley流动解在时空上是否表现出流体动力不稳定性，表明其具有湍流倾向？
• RQ3 Womersley流动中的动能级联是否遵循Kolmogorov标度，还是表现出非-Kolmogorov特征，指示非经典湍流？
• RQ4 健康志愿者的体内多普勒超声测量是否显示出与理论Womersley解相同的混沌与湍流特征？
• RQ5 正常血液流动中固有的湍流是否能够解释内皮细胞在健康与疾病状态下的机械生物反应？

主要发现

• Womersley流动解表现出正的李雅普诺夫指数，证实了对初始条件的敏感依赖性及内在混沌动力学。
• 存在全局流体动力不稳定性，表现为扰动能量随时间持续正增长，违反了层流流动的稳定性准则。
• Womersley解中的动能级联表现出非-Kolmogorov型标度，幂律斜率显著偏离经典的-5/3指数，表明为非经典湍流。
• 健康志愿者的体内多普勒超声测量结果确认了正的李雅普诺夫指数，支持真实人体血液流动中存在混沌动力学。
• 本研究证明，湍流并非病理状态的过渡现象，而是正常生理血液流动的内在属性，理论建模与实证数据均支持此结论。
• 研究结果表明，当前层流血流动力学范式必须进行修正，以纳入健康血管系统中固有的湍流特性。