记者从西北工业大学获悉，该校动力与能源学院乔永辉教授团队血液流变学研究上取得进展，构建了血流动力学计算物理评价体系，为心血管疾病的诊疗研究提供了新的思路。血液是生命活动的重要介质，其流动特性比普通液体更复杂。与水等牛顿流体不同，血液是典型的非牛顿流体，具有“剪切稀化”特性——流动越快，黏度反而越低。此特性有助于血液在血管内高效流动，也让定量描述更具挑战。长期以来，如何准确刻画血液在不同流速下的黏度变化，一直是血液计算力学中的关键问题。 在临床实践中，医生希望借助计算机模拟构建患者专属的“虚拟血管”，辅助诊断心血管疾病、评估血栓风险。然而，由于血液黏度随流速变化的复杂性，模拟应采用何种非牛顿模型长期缺乏统一参考，不同算法结果差异较大，影响了血流模拟在临床中的可比性与应用价值。 针对这一问题，乔永辉团队在系统梳理自1919年以来140项核心文献的基础上，建立了涵盖剪切稀化、黏弹性及屈服应力等多特性的血流动力学计算物理评价体系。该体系为计算模型选取提供了可参考的框架，并提出了血液非牛顿特性的科学分界点。研究表明，当血流剪切率高于该阈值时，血液黏度变化趋于稳定，可近似视为牛顿流体；而在动脉瘤、血管狭窄等病变区域，剪切率往往低于该阈值，血液更容易表现出明显的非牛顿行为，红细胞聚集更显著，这也是血栓形成的重要机制之一。 研究团队深入梳理了幂律模型、广义幂律模型、Cross修正模型、Bird-Carreau模型、Carreau-Yasuda模型、Quemada模型等主流非牛顿模型的剪切率适用范围，为不同病理条件下的血流模拟提供了更具体的选型依据。 血管壁柔软且具有弹性，会随血流发生变形，血管搏动也会反过来影响血流，这种“流固耦合”在动脉瘤或重度血管狭窄等区域更为突出。传统血流仿真在处理血管壁大幅、不规则变形时，容易出现网格扭曲，进而导致计算偏差甚至中断。 为应对这一难题，研究团队对双向流固耦合的整体法与分区法求解路径进行了评价，并指出常用的任意拉格朗日-欧拉方法在大变形场景下往往需要频繁重网格化，带来额外计算开销并增加收敛难度。团队还介绍了以光滑粒子流体动力学为代表的无网格方法，该方法可避免网格扭曲问题，提高大变形处理的适应性，并支持多相物理界面的精细追踪。 研究同时强调，算法选择不存在放之四海皆准的“最优解”。只有在明确具体物理问题与应用目标的前提下，综合权衡精度与计算成本，选择合适的计算路径，才能让“数字实验”更可靠、更具解释力。 该研究还总结了当前非牛顿模拟在数学稳定性、参数一致性以及静脉血流研究等的不足，为后续研究提出了需要突破的方向。业内专家认为，这项成果有助于构建更高精度的患者特定模型，为精准医疗的推进提供理论支撑，并有望推动“虚拟血管”技术加快走向临床应用。
从达芬奇绘制首张血流涡旋草图至今五百年，人类对“生命之流”的理解始终在理想化模型与生物复杂性之间不断推进。这项研究带来的启示是：破解自然规律既离不开细致的实验与观察，也需要跨学科合作带来的方法创新。随着流体力学与临床医学深入融合，“数字血管”有望像CT影像一样成为常用工具，为心血管疾病的诊疗与风险评估提供更多依据，并为健康中国战略注入新的科技支撑。