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作者及研究机构
本研究的主要作者包括Aditya Bantwal、Aditya Singh、Abhay Ramachandran Menon和Nitesh Kumar，他们均来自印度Manipal高等教育学院的Manipal理工学院机械工程系。该研究发表于《Journal of Fluids Engineering》期刊，并于2022年2月正式出版。
学术背景
本研究的主要科学领域是生物力学和流体力学，特别是血液在颈动脉中的流动行为及其与动脉粥样硬化（atherosclerosis）的关系。颈动脉由于其独特的几何形状，是动脉粥样硬化斑块（plaque）最容易形成的部位之一，尤其是在颈动脉窦（carotid sinus）附近。动脉粥样硬化是中风的主要诱因之一，因此理解颈动脉中的血流动力学参数（hemodynamic parameters）对斑块形成和进展的影响具有重要意义。
本研究旨在通过流体-结构相互作用（Fluid-Structure Interaction, FSI）技术，详细分析颈动脉中的血流动力学参数，包括变形（deformation）、壁面剪切应力（wall shear stress, WSS）、振荡剪切指数（oscillatory shear index, OSI）、相对停留时间（relative residence time, RRT）和螺旋度（helicity）。研究还比较了牛顿流体模型（Newtonian model）和非牛顿流体模型（Carreau-Yasuda model）在这些参数上的差异，以更全面地评估局部血流动力学与动脉粥样硬化风险的关系。
研究流程
1. 模型构建与网格划分
研究使用了一个理想化的颈动脉几何模型，并通过CATIA V5软件生成了固体域（solid domain）。流体域（fluid domain）和固体域分别进行了网格划分，并通过网格独立性研究确定了最佳网格密度。流体域使用了268,173个单元，固体域使用了56,929个单元。
2. 边界条件设置
研究在入口处应用了基于心脏周期的脉动流量（pulsatile flow）条件，出口处则设置了压力边界条件。固体域的入口和出口面被固定，其余部分允许自由变形以保持计算模型的稳定性。
3. 流体-结构相互作用分析
研究使用ANSYS Fluent 20和ANSYS Transient Structural软件分别求解流体和固体域的方程，并通过系统耦合（system coupling）将两者结合起来。计算模拟了三个心脏周期，每个周期为1秒，时间步长为0.01秒。
4. 参数计算与分析
研究计算了多个血流动力学参数，包括变形、速度、壁面剪切应力、振荡剪切指数、相对停留时间和螺旋度。这些参数的计算基于牛顿流体模型和Carreau-Yasuda非牛顿流体模型，并比较了两者在不同心脏周期阶段的结果。
主要结果
1. 变形分析
研究发现，颈动脉的最大变形发生在心脏周期的早期舒张期（early diastolic phase），而不是收缩期峰值（peak systole）。变形主要受流体压力的影响，而非血液粘度。
2. 速度分析
牛顿流体模型预测的流速在颈总动脉（common carotid artery, CCA）处为0.75 m/s，在颈动脉窦（carotid bulb）处减少了4%，而在颈内动脉（internal carotid artery, ICA）下游增加了10%。Carreau-Yasuda模型预测的流速减少更为显著。
3. 壁面剪切应力分析
牛顿流体模型高估了壁面剪切应力的幅值，尤其是在颈动脉窦区域。低壁面剪切应力区域在心脏周期的早期舒张期更为显著，这些区域被认为是斑块形成的高风险区域。
4. 振荡剪切指数与相对停留时间分析
高振荡剪切指数和长相对停留时间的区域主要位于颈动脉窦和后颈总动脉（posterior CCA），这些区域与动脉粥样硬化病变的典型位置一致。
5. 螺旋度分析
螺旋流（helical flow）在颈动脉分叉处表现出显著的非对称性，负向流（negative flow）在颈动脉窦和颈内动脉区域占主导地位。螺旋流被认为具有抗动脉粥样硬化（atheroprotective）的作用，能够抑制流动不稳定性和流动分离。
结论
本研究通过流体-结构相互作用技术，全面评估了颈动脉中的血流动力学参数，并比较了牛顿流体模型和非牛顿流体模型的结果。研究发现，颈动脉窦区域的低壁面剪切应力、高振荡剪切指数和长相对停留时间是斑块形成的主要风险因素。此外，螺旋流在维持血流稳定性方面发挥了重要作用，可能具有抗动脉粥样硬化的效果。研究强调了选择合适的流变学模型（rheological model）对准确预测动脉粥样硬化风险的重要性。
研究亮点
1. 创新性方法
研究首次将流体-结构相互作用技术与Carreau-Yasuda非牛顿流体模型结合，全面分析了颈动脉中的血流动力学参数。
2. 重要发现
研究揭示了螺旋流在颈动脉中的抗动脉粥样硬化作用，为理解斑块形成的机制提供了新的视角。
3. 应用价值
研究结果为颈动脉粥样硬化的早期诊断和治疗提供了理论依据，特别是在血流动力学参数的临床应用方面具有重要意义。
其他有价值的内容
研究还讨论了未来研究的方向，包括进一步探索螺旋流与动脉粥样硬化之间的关系，以及在不同几何特征下验证流变学模型的影响。这些研究将为心血管疾病的预防和治疗提供更深入的见解。
通过以上报告，我们可以全面了解这项研究的目标、方法、结果及其在生物力学和医学领域的重要贡献。