光滑粒子流体动力学在脉诊机理探索过程中,如何发挥其特长及作用?

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)是一种无网格 Lagrangian 粒子方法,其核心是通过离散的“粒子”模拟连续介质(如流体、固体)的运动,粒子间通过光滑核函数传递相互作用。这种方法在处理**自由表面流动、大变形、复杂边界耦合、多相流**等问题时具有独特优势,而脉诊机理探索的核心是揭示“脉象”(动脉搏动的形态、力度、频率等特征)与血液流动、血管壁力学特性及人体生理病理状态的内在关联,SPH 的特长可在此过程中发挥关键作用,具体如下:

一、SPH 适配脉诊机理研究的核心特长
脉诊涉及的生理过程具有显著的“复杂性”:血液是非牛顿流体(黏度随剪切率变化),动脉血管是弹性/黏弹性体(会随血压变形),且脉搏波的传播是**血液-血管壁流固耦合**的动态过程,同时血管存在分支、弯曲等复杂几何结构。SPH 的特性恰好匹配这些需求:
1. 无网格特性,适配复杂血管几何与动态边界
传统网格方法(如有限元、有限体积法)在模拟血管分支、弯曲或血管壁大变形时,易出现网格扭曲、重构困难等问题。而 SPH 用粒子离散血液和血管壁,粒子可随血管变形自由移动,无需预先划分网格,能自然处理血管的复杂几何(如桡动脉的解剖结构)和动态边界(如血管壁的扩张与收缩),更贴近真实生理场景。
2. 天然支持流固耦合(FSI)模拟
脉象的本质是血液流动对血管壁的压力/剪力作用,与血管壁的弹性响应共同形成的动态信号。SPH 中,血液粒子与血管壁粒子可通过核函数直接传递力(如压力、摩擦力),无需额外的耦合算法(或仅需简单耦合条件),能高效模拟“血液流动→血管壁变形→反作用于血液流动”的双向耦合过程,精准捕捉脉搏波的生成与传播机制。
3. 擅长处理非牛顿流体与流动不稳定性
血液是典型的非牛顿流体(低剪切率时黏度高,高剪切率时黏度低),且在动脉中可能出现湍流、涡流等复杂流动状态(如病理状态下的血管狭窄处)。SPH 可通过粒子间的相互作用方程直接引入非牛顿本构关系(如幂律模型、Casson 模型),并能自然捕捉流动的不连续性(如涡流、脉动冲击),这对解析“滑脉”“涩脉”等与血液流动性相关的脉象特征至关重要。
4. Lagrangian 视角,直观追踪脉搏波的动态传播
SPH 以粒子为研究对象,可直接追踪每个血液粒子的运动轨迹、速度、压力变化,能从微观到宏观直观展现脉搏波(如压力波、速度波)在动脉中的传播过程——包括波幅衰减、波速变化、反射与叠加等,而这些正是脉象“浮、沉、迟、数”等特征的物理本质。

二、SPH 在脉诊机理探索中的具体作用
基于上述特长,SPH 可从以下层面推动脉诊机理的量化与可视化研究:
1. 模拟正常脉象的流体动力学基础
构建人体桡动脉(脉诊主要部位)的三维几何模型(结合解剖学数据),用 SPH 模拟血液在心动周期内的流动(流速、压力分布),以及血管壁的弹性振动(位移、应变),揭示“平脉”(正常脉象)的压力波特征(如上升支斜率、峰值压力、降中峡位置)与心脏射血、血管弹性、血液黏度的关联。
量化脉搏波的传播速度(如从主动脉到桡动脉的传递时间),解释“寸、关、尺”三部脉象差异的流体力学成因(如血管分支导致的波反射)。
2. 解析病理脉象的物理机制
针对疾病状态(如高血压、动脉硬化、血栓),通过调整 SPH 模型参数(如血管壁弹性模量、血液黏度、血管狭窄程度),模拟病理状态下的血液流动与血管响应:
动脉硬化时,血管壁刚度增加,SPH 可模拟脉搏波速加快、波幅增大(“洪脉”)的现象;
血液黏度升高(如高血脂)时,SPH 可展现流动阻力增加导致的脉搏波衰减加剧(“涩脉”);
血管狭窄处的涡流形成(SPH 擅长捕捉)可能与“结脉”“代脉”的不规则搏动相关。
3. 关联脉象特征与生理参数,推动脉诊客观化
传统脉诊依赖医师主观经验,SPH 可将抽象的脉象描述(如“弦脉”的紧绷感)转化为可量化的流体力学参数(如血管壁应变峰值、压力梯度),为开发脉诊传感器(如压力传感器阵列)提供理论依据——通过 SPH 模拟不同生理状态下的脉搏压力分布,指导传感器的布置与信号解析算法设计,实现脉象的客观化检测。
4. 探索脉诊“寸关尺分属脏腑”的科学基础
中医理论认为“寸、关、尺”分别对应不同脏腑的功能状态,SPH 可通过模拟主动脉-桡动脉分支系统中,不同脏腑相关血管(如肾动脉、冠状动脉)的血流变化对桡动脉三部脉象的影响(如波反射叠加),验证“分属理论”的流体动力学合理性,或揭示其背后的生理关联。

三、总结
SPH 凭借无网格、强流固耦合能力、适配复杂流动与变形等优势,为脉诊机理研究提供了“从血液流动到血管响应”的全链条模拟工具。它既能量化正常脉象的流体力学本质,又能解析病理脉象的物理成因,还能推动脉诊从主观经验向客观化、定量化发展,为中医脉诊的现代化与科学化提供重要支撑。

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