血管壁面切应力的生物力学基础

第一节　血管壁面切应力的生物力学基础

一、切应力简介

在多数大血管中，血流可以认为是由无数个极微小的流层组成的。由于每层血流的流速不同，所以血流的理想运动状态是同心分层的。理论上，紧靠血管壁的最外层血流速度为零，血管中心处的血流速度最大。这种从管壁到管中心血流速度的改变称为速度梯度。这一存在于血管内的速度梯度是由流层之间的相对滑动而产生的摩擦力形成的，这种相邻两流层之间单位面积所受的切向摩擦力就是所谓的血流切应力（shear stress，SS）。在定常流体（流动状态不随时间而变化）中，存在于管内的速度梯度又被称作切应率（shear rate，SR）。在动脉血流中，壁面切应力（wall shear stress，WSS）是单位面积上由血管表面流动的液体产生的接近管壁的切向摩擦力。切应力的数值与管壁附近的速度梯度成正比。在正常动脉系统中，靠近管壁的切应力值高于血管中央的切应力值。在血液循环中，由于最外层的血液与血管内皮直接接触，所以切应力成为了直接作用于动脉内皮细胞的一种应力形式。据报道，血管切应力与动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）的进程密切相关，可能的机制是由于切应力通过直接影响动脉内皮细胞以及动脉内皮细胞介导而间接影响动脉壁其他细胞成分（如平滑肌）和结构，从而影响了血管内皮的形态和功能。

二、动脉血流切应力与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化会降低血管的弹性，逐渐堆积的物质会导致管腔狭窄，当病变逐渐发展到堵塞管腔时，那么该动脉所供应的组织器官将会因为缺血而坏死。目前，动脉粥样硬化是导致缺血性心脑血管病、危害人类健康的重要疾病之一。大量研究发现，在动脉粥样硬化形成后仅仅评估患者血管狭窄程度或判断斑块是否会发生破裂已经为时已晚。因为这时临床对动脉粥样硬化的干预结果往往只能延缓或终止斑块的发展，只有早期干预才能逆转动脉粥样硬化斑块的形成。动脉粥样硬化临床前期病变（preclinical atherosclerosis，PCA）是指患者已有动脉粥样硬化的证据，但尚无重要动脉血管粥样硬化造成狭窄的明确临床症状的情况。该类患者存在较高的心脑血管事件的风险，然而进行早期干预可以逆转动脉粥样硬化的发展进程。

动脉血流切应力与动脉粥样硬化的形成机制研究正引起医学界也广泛关注。有证据证明，在动脉粥样硬化形成的过程中，动脉血管发生了力学重构与病理性重构。WSS作为直接作用于动脉内皮细胞的应力形式，已被证明是影响动脉粥样硬化发病过程中的重要物理因素之一。大量国内外的体外实验证实，持续降低的切应力可刺激动脉内膜增厚、中膜平滑肌细胞增生，提示血流切应力减低是形成动脉粥样硬化斑块的原因。现在人们普遍接受，持续降低或不稳定变化的切应力是血管动脉粥样硬化发展的高风险信号。切应力作为评估血管壁周围血流动力学的指标正日益受到重视。由于在动脉粥样硬化斑块出现之前，动脉血管的切应力已发生了明显变化，所以计算与分析动脉血管的切应力分布对了解动脉粥样硬化的进程具有重要的实用价值。

三、切应力的临床测量与Hagen-Poiseuille公式存在的问题

目前临床上主要通过磁共振和超声这两种无创的影像学成像手段计算血流切应力，血管内超声是常用的有创影像学手段。在获取图像资料后多采用Hagen-Poiseuille公式（公式131和公式132）测量血管的切应力。

就超声而言，由于Hagen-Poiseuille公式仅仅只需要通过测量血管腔的管径，在流量观测点简单地测量血液流量率或者最大流速就可以简便地估算出血流切应力，曾经在临床上得到了广泛的应用，国内外已有多例运用Hagen-Poiseuille公式临床估算切应力的报道。然而正因为Hagen-Poiseuille公式的计算方法简单，得出的切应力计算结果在临床上往往显得过于粗糙且笼统，存在诸多缺陷。首先，Hagen-Poiseuille公式仅能在定常（constant）血流且形态规则的血管壁中应用，因颈动脉窦部是颈总动脉末端的膨大部分，几何结构特殊，造成血流方向在颈动脉窦部不断改变，故无法在颈动脉窦部得到准确的血流速度以用于Hagen-Poiseuille公式。其次，Hagen-Poiseuille公式计算结果代表的是某一血管横截面的血流WSS，该切应力值在整个血管横截面上是相同且对称的，与事实不符，更无法获得血管壁局部的切应力变化，敏感地提示医师异常切应力处的血管壁改变。根据切应力的公式定义可知（见公式133），切应力的精确计算需要获得壁面切应率在血流中的分布数据，Hagen-Poiseuille公式由于不需要壁面切应率的空间分布数据，所以只能用于估算血流的切应力。