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A review study on blood in human coronary artery: Numerical approach

Pandey, Rupali; Kumar, Manoj; Majdoubi, Jihen et al. · 2020 · Computer Methods and Programs in Biomedicine

Metadata

Authors: Pandey, Rupali; Kumar, Manoj; Majdoubi, Jihen; Rahimi-Gorji, Mohammad; Srivastav, Vivek Kumar

DOI: 10.1016/j.cmpb.2019.105243

Tags: #atherosclerosis #finite-volume #continuum-mechanics

摘要概述

本文是 Pandey 等（2020）发表于 Computer Methods and Programs in Biomedicine 的一篇 narrative review，系统梳理了近十年人冠状动脉（coronary artery）血流数值模拟的研究进展。综述以 Computational Fluid Dynamics (CFD) 与 Finite Volume Method 为主线，依次覆盖临床影像诊断背景（IVUS/OCT/MRI/CT/angiography）、几何建模挑战（CT/MRI 重建、简化模型、bifurcation）、非牛顿血液本构模型（Power Law/Cross/Walburn–Schneck/Quemada/Carreau/Casson/Newtonian）、离散格式（upwind/hybrid/QUICK/TVD/Power-law）、边界条件与血液物性汇总（Table 3）、以及十余个用于诊断与风险评估的工程参数（WSS、WSSG、AWSS、AAWSS、TAWSS、AWSSG、OSI、AAV、AASR、FFR、WPG、Reynolds number、Womersley parameter、ESS、SPA）。核心共识是低/振荡 WSS 区域与 atherosclerosis plaque 好发部位重合，Carreau 模型在窄径低剪切率下最被推荐，而主要争议与局限在于边界条件与几何来源高度异质、缺乏系统性方法论与定量证据强度评估。作者明确呼吁建立 patient-specific 模型与临床决策支持的整合框架，但未给出明确的文献检索标准。

综述问题、范围与选择标准

  • 要回答的问题：哪些因素（blood viscosity、flow rate、WSS、Reynolds number、OSI 等）通过 CFD 数值模拟影响人冠状动脉血流的 hemodynamic，进而预测冠状动脉疾病（CAD）的发生与进展？
  • 覆盖范围：时间约为"近十年"（文中明确给出 last ten years，§ Abstract 与 § Conclusion；参考文献集中于 2001–2018 年）。对象为人冠状动脉（LCA 与 RCA），尺度为宏观血管尺度的连续介质 CFD 模型，研究类型为计算/数值仿真研究综述，并旁及临床影像（IVUS/OCT/MRI/CT/angiography）与介入（stent/CABG/LVAD）背景。
  • 文章性质：narrative review（叙述性综述）。全文无系统检索流程图、无 PRISMA、无定量 meta-analysis，也未声明纳入/排除标准。
  • 文献选择方法：未报告。文中未给出数据库、检索式、检索时间窗的明确说明；引用以作者主观选择为主，并在 § Acknowledgement 注明系 Department of Biotechnology 资助项目的成果。

主题综合

主题 1：非牛顿血液本构模型的选择与 Carreau 模型的优先性

  • 核心论点：血液为非牛顿流体，作者依据 Cho 与 Kenseka 的比较研究（§ 2.2，引用 Table 1）主张 Carreau 模型在窄径低剪切率条件下最优于拟合实验数据，且因其四参数可覆盖宽剪切率范围并退化为 Newtonian，故被列为"most preferred"。
  • 代表证据定位：Table 1（§ 2.2.2–2.2.8，PDF p. 5–6）汇总了 Power Law/Cross、Quemada、Carreau、Casson、Walburn–Schneck、Newtonian 七类模型的优劣；关键参数如 η₀ = 0.056 Pa·s、η∞ = 0.00345 Pa·s、k = 3.313 s、n = 0.3568 见 § 2.2.6（PDF p. 4，Eq. 7）。
  • 共识程度：有限。Carreau 作为冠脉 CFD 常用模型在文献中确有较多采用，但作者将 Newtonian 与非 Newtonian 的适用判据仅以定性方式陈述（"narrow arteries at low shear rate"），未提供剪切率阈值或动脉直径阈值。
  • 分歧或限制：作者自己也指出 Carreau 模型"在动脉壁附近血液黏度高且非牛顿效应显著时不能提前表达流体行为"（§ 2.2，PDF p. 5）；同时文中 Newtonian 与非 Newtonian 假设在 Table 3（第 v、vi 项）同时被多项研究并列采用，未给出明确判据。

主题 2：低/振荡 WSS 与斑块好发部位的力学关联

  • 核心论点：低 WSS、高 OSI 区域与 atherosclerosis plaque 形成部位重合，特别是在 bifurcation、flow divider 及 LCA 的 proximal-to-distal 方向；plaque 在低流速/低 WSS 区域优先生长（§ 6(ii) 与 § Conclusion，PDF p. 8–10）。
  • 代表证据定位：§ 6(ii) 给出 WSS 临界值——低 WSS < 10 dynes/cm²、中间 10–25 dynes/cm²、高 ≥ 25 dynes/cm²（PDF p. 8，文献 45/49）；AWSS ≤ 0.87 Pa 提示 normal bifurcation 的 intima thickening（§ 6(iv)，PDF p. 8，文献 31）；OSI 不超过 0.2 即提示 plaque 形成（§ 6(vii)，PDF p. 9，文献 1/29）。
  • 共识程度：稳固（在冠脉与颈动脉血流动力学领域为公认结论，本地队列 2005-ShearStressAtherosclerosis-Cunningham、2005-Role-Shear-Stress-Slager 均持相同立场）。
  • 分歧或限制：作者将低 WSS 视为"因"，但本综述未区分低 WSS 是 plaque 形成的驱动因素还是伴随现象；同时 WSS 的临界阈值（0.87 Pa vs. 10 dynes/cm² ≈ 1 Pa）在不同研究中量纲/单位换算不统一，文中亦未做单位一致性核校。

主题 3：CFD 工程参数体系与几何/边界条件的高度异质性

  • 核心论点：冠脉 CFD 需要整合几何建模（CT/MRI/IVUS 重建、simplified pipe 模型）、边界条件（inlet velocity/flow rate、outlet pressure、wall condition、no-slip）与十余个工程参数（WSS 家族、OSI、FFR、Reynolds、Womersley、ESS、SPA）来诊断与预测 CAD（§ 4–§ 6）。
  • 代表证据定位：Table 3（PDF p. 7）汇总血液物性——μ = 0.0035–4×10⁻³ Pa·s、ρ = 1000–1060 kg/m³、cardiac period 0.01–0.8 s；Table 2（PDF p. 5–6）对比离散格式的 Peclet 数范围与 boundedness；§ 4.2（PDF p. 6）列 CT 重建模型，§ 4.3 列 simplified model 几何参数（LM/LAD/LCX 长度与直径）。
  • 共识程度：有限。参数族（WSS/OSI/FFR）作为临床前指标已被广泛采用，但具体取值范围（如 Reynolds 55–500 vs. 233–500，Womersley 1.82–2.8）在不同研究间差异较大，作者仅以区间罗列，未做加权或质量评估。
  • 分歧或限制：作者在 § Conclusion(iii) Geometry model 与 Numerical scheme 明确承认：几何重建耗时、数值格式选择"仍是艰巨任务"；并指出 treating blood as non-Newtonian"给出更好近似"（§ Conclusion(iii) Boundary conditions，PDF p. 10），但未给出量化对比。

关键图表、Box 与分类框架

  • 定位：Table 1（§ 2.2，PDF p. 5–6）——Comparison between different blood flow models。
  • 内容：以 8 行 6 列矩阵形式列出 Newtonian、Non-Newtonian Power Law/Cross、Casson、Carreau、Quemada、Walburn–Schneck 各模型的适用直径范围、剪切率范围、关键特征与"preferred/none-preferred"评级，并附临界条件注释（如"narrow arteries at low shear rate"、"relates approximately to experimental data"）。
  • 价值：为后续研究者快速选择血液本构模型提供决策速查表；是该综述被引用最频繁的成果之一。
  • 局限：评级（preferred/mostly preferred/prefered）缺乏明确依据，未附定量误差或与实验对比的数值指标；且未区分大/小动脉直径阈值。
  • 定位：Table 2（§ 3，PDF p. 5–6）——Comparison different numerical schemes。
  • 内容：对 Central difference、Hybrid upwind、Explicit MacCormack、Galerkin、TVD、QUICK、Power-law 七种离散格式，列出其 Peclet 数适用域（|Pe|<2、0<Pe<10、Pe>10）、boundedness、conservativeness、transportiveness 与物理意义（如"气体动力学时间相关"、"双曲 PDE 数值解"）。
  • 价值：将离散格式的稳定性/精度与适用场景关联，指导 CFD 求解器选择；作者结论为 hybrid upwind 优于 pure upwind，QUICK 精度更高但稳定性较弱。
  • 局限：结论以定性为主，未提供 benchmark 算例的误差比较；部分行存在"prefered"拼写错误与表格排版断裂（PDF 排版问题），影响可读性。
  • 定位：Table 3（§ 5，PDF p. 7）——Properties of Blood。
  • 内容：13 项血液/血管物性参数，含 μ、ρ、plasma/RBC density、cardiac period、fundamental frequency、Poisson's ratio、LDL plasma concentration、artery wall rigid 假设与 bifurcation velocity 范围（21.79–30.50 mm/s）。
  • 价值：为冠脉 CFD 仿真提供一站式参数取值清单，便于复现。
  • 局限：参数区间跨多研究合并但未标注各值的来源研究权重；部分项（如 Poisson's ratio = 0.5，rigid wall）代表的是简化假设，与 patient-specific 弹性壁模型存在冲突，作者未做调和。

共识、争议与研究空白

相对稳固的共识

  1. 低 WSS、高 OSI 区域与 atherosclerosis plaque 好发部位在冠脉（尤其 LCA 的 LM、LAD、LCx 分叉）空间上重合（§ 6(ii)、§ 6(vii)，PDF p. 8–9，文献 1/29/31/44/58）。
  2. Carreau 本构模型在窄径低剪切率条件下对实验数据的拟合优于其他非牛顿模型，且可退化为 Newtonian（§ 2.2.6 与 Table 1，PDF p. 4–5，文献 16/17/18）。
  3. 血液在宏观大血管高剪切率下可近似为 Newtonian，而在窄径/低剪切区需采用非牛顿模型（§ 2.2 与 § Conclusion(iii) Boundary conditions，PDF p. 4 与 p. 10）。

尚存争议

  1. Newtonian 与 non-Newtonian 假设的适用判据不统一：Table 3 同时列出"incompressible Newtonian"（引用 1/2/4/30/31/35/36/37/38/46/48/49/50/51/52/53/57/60/61）与"incompressible non-Newtonian"（引用 23/39/55/56）两组并存研究，作者未给出明确选择标准（§ 5(v)(vi)，PDF p. 8）。
  2. Reynolds number 临界区间跨研究差异显著：文中给出 55–500（文献 1/3/20/32/35/37）与"233–500 用于描述血流行为"两个范围并存（§ 6(xii)，PDF p. 9），且与经典层流/湍流阈值（2300/4000）混用，未做澄清。
  3. 离散格式优劣排序存在主观性：作者主张 hybrid upwind 优于 central-differencing 与 pure upwind、QUICK 精度最高但稳定性较弱（§ 3，PDF p. 5–6），但未给出 benchmark 误差数据，亦未引用其他综述的独立验证。

作者提出的研究空白

  1. 几何重建仍耗时且困难：从医院获取 CT/MRI、经 MIMICS 10.01 转换为 3D 体素化模型并完成 meshing"仍是研究者的巨大挑战"（§ Conclusion(i) Geometrical model，PDF p. 10）。
  2. 数值格式选择仍是难题：在众多数值格式中"选择最逼近精确解的方案仍非常困难"（§ Conclusion(i) Numerical scheme，PDF p. 10）。
  3. Multi-scale biophysical modeling 应纳入心脏收缩对冠脉血管壁的力学挤压：作者主张血液模型需考虑"每次心跳中心脏壁对冠脉血管的机械挤压效应"（§ Conclusion(i) Multi-scale biophysical modeling，PDF p. 10）。
  4. Patient-specific 模型与临床决策支持整合不足：作者呼吁将 CFD 与 patient-specific real-time 数据结合以辅助诊断（§ 1 与 § Conclusion(i) Mathematical Modeling for diagnosis，PDF p. 1 与 p. 10）。

我识别的遗漏

  1. 缺乏任何系统检索方法学（无 PRISMA 流程图、无检索式、无纳入/排除标准、无质量评估），导致综述存在选择性偏倚风险，无法评估证据等级。
  2. 未报告 mesh independence / grid convergence 的统一标准，尽管 Table 3 列出 mesh elements 27,900–36,400 与 nodes 29,240–40,734，但未讨论其对 WSS/OSI 结果敏感性的影响。
  3. 未讨论 fluid-structure interaction (FSI) 的系统处理：虽然 § 5(iv) Wall Condition 提及 elastic/hyperelastic/viscoelastic 壁面模型，但全文未给出 FSI 求解策略或其对结果的影响评估，与本地队列中 2025-Role-Hemodynamics-Formation-Quan（采用 FSI）形成对比。
  4. 未涵盖近五年的机器学习/数据驱动建模方向：综述止步于 2018 年前后，未涉及 deep learning-based surrogate model 或 physics-informed neural network 在冠脉 CFD 中的应用。
  5. 临床转化证据薄弱：作者声称 CFD 可辅助 CAD 诊断，但未提供任何 prospective clinical validation 或与 FFR/IVUS 的 head-to-head 比较。

个人批注

与我的工作的关系

本综述是血管力学建模与 atherosclerosis 机制研究的文献基础之一。其汇总的 blood 物性（Table 3）、WSS/OSI 临界值（§ 6）与几何参数（§ 4.3）可直接用于我构建 vascular G&R（growth & remodeling）模型时的血流边界条件设定与 WSS 耦合方式选择。特别是 Carreau 模型参数（η₀、η∞、k、n）与 Reynolds/Womersley 范围为我在窄径冠脉段设定非牛顿流动提供了默认值。此外，作者对 multi-scale biophysical modeling（§ Conclusion）中"心脏壁挤压冠脉"的呼吁，与我在 2026-Hemodynamics-Coronary-Artery-Wang 中关注的 systolic luminal narrowing（心肌桥）问题直接呼应。

可复用框架

  1. 血液本构模型选择速查表（Table 1）：当需要在新冠脉/外周血管 CFD 中决定 Newtonian vs. non-Newtonian 时，可直接查阅直径/剪切率范围与 preferred 评级。
  2. 离散格式-Peclet 数决策矩阵（Table 2）：用于在有限体积法中选择 upwind/hybrid/QUICK/Power-law，并预估稳定性与精度。
  3. 工程参数族（§ 6，Eq. 10–20）：WSS/WSSG/AWSS/AAWSS/TAWSS/AWSSG/OSI/AAV/AASR/FFR/WPG/Re/Womersley/ESS/SPA 的公式与临界值集合，可作为冠脉血流后处理指标库直接调用。

疑问与后续动作

  1. 疑问：作者声称 Carreau 模型"最优于实验数据拟合"依据为 Cho 与 Kenseka (1991) 的研究，但该研究原文未在参考文献中列出；其证据强度需进一步核实。
  2. 疑问：Table 3 中"artery wall = rigid"与 § 5(iv) 的 elastic/hyperelastic/viscoelastic 壁面假设并存，二者在实际冠脉 CFD 中的相对占比与影响未被讨论。
  3. 后续动作：检索并精读 Cho & Kenseka (1991) 的原始比较研究，核实 Carreau 优先性的证据基础；同时比对 2026-Hemodynamics-Coronary-Artery-Wang 的 Carreau-Yasuda 实现与本综述推荐的 Carreau 参数差异。

与上下文的关系

本文建立在

综述综合了多篇上游冠脉血流 CFD 研究，明确引用的关键基础工作包括：Ramaswamy 等（2004，LAD 血流动力学，文献 3）、Myres 等（2001，RCA 血流模式影响因素，文献 5）、Berthier 等（2002，解剖真实冠脉重建方法比较，文献 11）、Pultz 等（2003，心脏运动对 RCA 血流动力学影响，文献 12）、以及 Kim 等（2010，patient-specific 冠脉血流与压力建模，文献 57）。血液流变学比较部分建立在 Cho & Kenseka (1991)（§ 2.2，但未列入参考文献）与 Zineb (2016，文献 16)、Tabakova 等 (2014，文献 17) 之上。

已核实的后续引用

本次未检索。

同类综述对比

  1. 与本地队列 2025-Role-Hemodynamics-Formation-Quan 对比：Quan 等（2025）同样关注 hemodynamics 与 atherosclerosis 斑块形成的关联，但采用 FSI（流固耦合）+ 对流-扩散-反应方程的多尺度框架，并明确建立 TAWSS/OSI 与内皮细胞形状指数的定量关联；而 Pandey 等（2020）以 narrative 方式罗列参数，未纳入物质输运与壁内反应。两者在结论（低 WSS/高 OSI = plaque 高风险）上一致，但 Quan 在方法学上更现代、更系统。
  2. 与本地队列 2005-Role-Shear-Stress-Slager 对比：Slager 等（2005）更聚焦 vulnerable plaque 的失稳机制，强调 WSS 通过长期内皮生物效应削弱纤维帽，而 tensile stress 才是直接触发破裂的机械因素；Pandey 等（2020）则将 WSS 列为 plaque 形成定位的主因，未区分"形成"与"失稳"两个阶段，也未引入 tensile stress 维度。
  3. 与本地队列 2005-ShearStressAtherosclerosis-Cunningham 对比：Cunningham & Gotlieb（2005）从病理学视角系统梳理剪切应力→内皮 mechanotransduction→基因表达（eNOS/ROS）→白细胞黏附→SMC 增殖的分子通路；Pandey 等（2020）则停留在宏观 CFD 参数层面，未深入分子机制，但补充了计算方法学（本构模型、离散格式、边界条件）这一 Cunningham 未覆盖的维度。

与本地论文队列的关系

  • 2026-Hemodynamics-Coronary-Artery-Wang：同为冠脉血流 CFD 研究，Wang 等（2026）采用 Carreau-Yasuda 非牛顿模型与 Fluent 求解器，与本综述推荐方法一致；但其聚焦心肌桥的 systolic narrowing，并引入解析弹性力学，是对本综述"multi-scale biophysical modeling"呼吁的具体回应。
  • 2025-Role-Hemodynamics-Formation-Quan：在 hemodynamics 与斑块形成主题上与本综述直接重叠，但方法学更先进（FSI + 物质输运），可作为本综述的"方法学升级版"参考。
  • 2005-Role-Shear-Stress-Slager：提供 WSS 与 vulnerable plaque 失稳的机制视角，补充本综述在 plaque 稳定性维度的不足。
  • 1997-ConvectiveMassTransfer-Ma：提出"对流性传质不足"作为 atherosclerosis 局部化的独立机制，与 Pandey 等（2020）的纯 WSS 视角形成互补；本综述未涵盖 mass transfer 维度。

快速判断

  • 一句话结论：本文是一篇关于人冠状动脉(coronary artery)中血液血流动力学(hemodynamic)数值模拟的综述，重点讨论 Computational Fluid Dynamics (CFD) 在冠脉血流研究中的应用，并以 Finite Volume Method 为核心数值方法，梳理了 Navier-Stokes 方程、continuity equation 等控制方程与边界条件的设置方式。
  • 阅读范围：仅 metadata、first page、abstract、最多 3 个 figure/table captions 和 conclusion；未通读正文
  • 处理决定：保留参考
  • 决定理由：该文与模型、计算框架与血管或细胞系统的机制研究相关；受限材料足以保留研究线索，但不足以支持全文级方法或稳健性判断。

摘要概述

本文是一篇关于人冠状动脉(coronary artery)中血液血流动力学(hemodynamic)数值模拟的综述，重点讨论 Computational Fluid Dynamics (CFD) 在冠脉血流研究中的应用，并以 Finite Volume Method 为核心数值方法，梳理了 Navier-Stokes 方程、continuity equation 等控制方程与边界条件的设置方式。作者系统汇总了近十年不同研究中影响冠脉血流的关键因素，包括 blood viscosity、blood flow rate、wall shear stress (WSS)、Reynolds number 以及 Oscillatory Shear Index (OSI)，并以表格形式整理了各研究的边界条件与血液物性参数，便于后续研究者查阅。文章还对比了左冠状动脉(LCA)与右冠状动脉(RCA)在解剖与血流特征上的差异，指出 LCA 因更高的 torsion、更显著的 systolic decline 与分支结构而更易发生 atherosclerosis plaque 形成。此外，综述简要介绍了血管内超声(IVUS)、OCT、MRI 等临床影像技术，并强调 CFD 可在影像手段无法直接测量的位置预测 velocity distribution、WSS 与 pressure distribution，从而辅助冠状动脉疾病(CAD)的早期诊断。

关键证据

  • 证据 1（定位）：Abstract
  • 展示或报告：本文是一篇关于人冠状动脉(coronary artery)中血液血流动力学(hemodynamic)数值模拟的综述，重点讨论 Computational Fluid Dynamics (CFD) 在冠脉血流研究中的应用，并以 Finite Volume Method 为核心数值方法，梳理了 Navier-Stokes 方程、continuity equation 等控制方程与边界条件的设置方式。作者系统汇总了近十年不同研究中影响冠脉血流的关键因素，包括 blood viscosity、blood flow rate、wall shear stress (WSS)、Reynolds number 以及 Oscillatory Shear Index (OSI)，并以表格形式整理了各研究的边界条件与血液物性参数，便于后续研究者查阅。
  • 支持的结论：本文是一篇关于人冠状动脉(coronary artery)中血液血流动力学(hemodynamic)数值模拟的综述，重点讨论 Computational Fluid Dynamics (CFD) 在冠脉血流研究中的应用，并以 Finite Volume Method 为核心数值方法，梳理了 Navier-Stokes 方程、continuity equation 等控制方程与边界条件的设置方式。
  • 注意事项：仅据受限 quick source；方法细节、完整定量结果与稳健性分析本次未核实。

局限与未核实项

  • 最大局限：当前仅完成 quick triage，不能据此确认正文中的全部实验、模型或统计假设。
  • 未核实项：完整方法、样本或参数设置、敏感性分析、局限讨论及数据与代码可用性。

与我的关联

  • 可复用点：文中的模型或计算框架可作为相关建模工作的候选参考；具体方程、参数与适用条件本次未核实。
  • 关联的当前问题：该综述系统梳理了冠脉血流的 CFD 建模方法与控制方程，为我理解血管壁 shear stress 与 atherosclerosis 进展之间的力学关联提供了文献基础，有助于在 vascular G&R 模型中合理设定血流边界条件与 WSS 的耦合方式。
  • 下一步动作：保留参考；仅在当前问题需要其完整方法或定量证据时升级为 deep note。