开发光学测量技术，以可视化液体和固体中的应力分布 - 世界上第一个对模拟血液和血管中的应力传递进行非侵入性测量 -

演示要点

〇〇我们开发了一种实验技术，可以不稳定且非侵入性地测量和可视化作用于模拟血液（液体）和模拟血管（固体）的应力分布，这在以前被认为是困难的。
〇〇我们观察了与模拟血液的脉动流（模拟心脏跳动的流动）相关的压力如何传递到模拟血管，并阐明了两者之间压力相互作用的时间序列变化。
〇〇这种方法可以实现液体和固体之间应力传递的实验可视化，有望成为一项新的基础技术，有助于阐明蛛网膜下腔出血等脑血管疾病的机制，并验证数值计算的可靠性。

摘要

脑血管疾病是日本第四大死亡原因的严重疾病，为了阐明其发病机制，有必要了解血管和血液的应力场之间的关系。为了阐明其发生机制，人们正在利用流固耦合分析进行数值研究，该分析考虑了血流和血管壁之间的相互作用，但以非稳定和非侵入的方式通过实验测量两者的应力场是很困难的，而且之前也没有任何方法。

V体育机电工程学院的 Masakazu Muto 助理教授、Shinji Tamano 教授及其同事开发了一种新方法，利用高速偏振相机获得的双折射数据（与应力成比例的物理量）来光学测量固体和液体之间的应力相互作用。在这项研究中，我们以非稳态和非侵入性的方式可视化了脉动模拟血液和弹性变形模拟血管中的应力传递（图1），为实验阐明流固耦合问题中的应力相互作用开辟了一条新途径。
本研究结果及更多

研究背景

脑血管疾病是一种严重疾病，在日本死因排名中排名第四，每年导致约10万人死亡。其中，蛛网膜下腔出血是由称为脑动脉瘤的膨出血管破裂引起的，是最危险的疾病之一，发生时死亡率很高。先前使用流体动力学方法的研究表明，脑动脉瘤的形成、生长和破裂很大程度上与流经血管的血液和血管壁产生的剪切应力之间的相互作用有关。虽然这些研究大多是利用流固耦合分析等数值模拟进行的，但存在难以再现血管的弹性特性和血液的流动特性的问题。另一方面，对于流体中的应力可视化，使用将通过粒子图像测速（PIV）或4D流MRI获得的流速数据基于本构方程转换为应力的方法，而对于固体中的应力测量，使用将通过应变计或数字图像相关方法获得的应变数据基于应力-应变曲线转换为应力的方法。然而，血液等非牛顿流体（注1）的本构方程仍在建立中，很难准确地再现血液的流动特性。此外，由于血管壁具有各向异性和非线性，因此开发忠实处理其弹性特性的分析方法并不容易。因此，建立一种测量方法，允许直接获得血管与血管之间的应力相互作用作为实验数据，而不需要使用数学模型，一直是多年来的一个重要挑战。

该研究小组专注于双折射测量作为一种可普遍应用于固体和流体的应力场测量方法。双折射测量是一种利用双折射现象（注2）将应力可视化的光学方法，双折射现象的折射率根据光的振动方向而不同，长期以来一直被用作测量固体中稳定应力场的方法。同时，该课题组武藤助理教授近期在国际上首次将双折射测量方法应用于流体测量，并成功测量了非稳态流体应力场。在本研究中，我们进一步发展了这一结果，将双折射测量引入结合模拟血管和模拟血液的循环系统模型中，并尝试以非平稳和非侵入的方式可视化两者的应力场。

研究内容/结果

为了实现固体和液体中应力场的可视化，我们使用高速偏振相机和圆偏振光源构建了测量系统，以及由模拟血管、模拟血液和脉动泵组成的闭环循环系统（图 2）。模拟血液使用结晶聚合物和碘化钠的混合水溶液。该溶液表现出与人全血相似的剪切稀化特性（注3），并在力的作用下表现出双折射。此外，通过添加碘化钠，我们匹配了液体和固体的折射率，从而可以更好地可视化模拟血管内的流动。对于模拟血管，我们使用了具有双折射性的聚合物凝胶材料来再现血管的弹性。使用脉动泵产生脉动流来模拟人体内的血液流动，并且模拟血液和模拟血管的应力场都被可视化。高速偏振相机的测量数据显示双折射，与应力成正比δn

根据高速偏振相机获得的测量数据，模拟血液和模拟血管中随着流速增加而产生的双折射量δn增加观察到（图 3）。还表明双折射的空间分布与理论计算的流体应力分布相匹配，证实了该方法的有效性。在脉动流实验中，我们观察到模拟血管和血管中的应力与脉动同步周期性波动，特别是在模拟血管中观察到由于弹性而导致的响应延迟（图4）。这些结果表明，我们的方法是一种有效的实验测量工具，用于可视化模拟血管和模拟血液中的应力场。

社会意义

当今的日本，许多人死于脑血管疾病或患有严重的后遗症。该研究小组开发的测量方法将成为阐明这些疾病发生和进展的原因和方式的新工具，并有望应用于预防和治疗。通过使用该方法对作用于血管和血液的应力及其相互作用进行实验可视化，相信可以识别​​血管的破裂部位并预测破裂的风险。此外，通过将获得的实验数据与数值模拟进行比较，预计将有助于血液数学模型的发展和模拟精度的提高。

未来展望

该研究小组认为，通过结合表示双折射对应力敏感度的应力光学系数和将获得的数据扩展为三维分布的重建断层扫描，可以将测量结果转换为三维应力分布。我们还致力于通过应用莫尔应力圆理论来可视化作用在血管壁上的剪切应力，并且我们已经开始看到实现这一目标的结果。到目前为止，这项研究主要集中在简单的直线流道上，但未来我们计划使用复杂形状的血管模型进行测量。通过进行与实际脑动脉瘤形状相似的实验，预计这将有助于识别血管内的应力集中区域并预测破裂位置。

术语表

（注1）非牛顿流体
粘度随施加力的大小和速度而变化的流体的总称。典型的例子包括血液、蜂蜜和表面活性剂。

（注2）双折射
当光穿过物质时，折射率根据光的振动方向而不同的现象。作用在物体上的应力与双折射之间存在比例关系（应力光学定律），这个比例常数称为应力光学系数。

(注3)剪切稀化特性
剪切应力与剪切速率之间不成比例关系的流体的总称。与具有恒定粘度的牛顿流体（例如水和空气）不同，粘度根据剪切速率和时间而变化（例如血液、聚合物溶液、表面活性剂溶液）。

论文信息

论文标题：针对血管模型和血液类似物之间动态应力相互作用的固液双折射方法的开发
作者姓名：Masakazu Muto、Kazuya U Kobayashi、Akihito Sawai、Ryo Umezawa 和 Shinji Tamano
杂志：流体物理学
发布日期：2025 年 8 月 7 日
DOI：101063/50276256
网址：

页面：AIP 发布展示
标题：血液类似物与血管模型之间动态应力传递的实时成像
发布日期：2025 年 8 月 7 日
网址：

联系信息

研究相关

V体育机电工程系
武藤正和助理教授
电话：052-735-5182
电子邮件：mutomasakazu[在]nitechacjp

与公共关系相关的事宜

V体育企划公关科
电话：052-735-5647
电子邮件：pr[在]admnitechacjp

请将 *[at] 替换为 @。