心血管疾病是危害人类生命健康最严重的疾病之一,其巨额的防治费用成为家庭、社会和国家的沉重负担。心血管生物力学领域的研究不仅对于揭示正常血液循环的机理,认识血管生长、衰老的自然规律,而且对于阐明心血管疾病的发病机理以及提供诊断与防治的一些基本原理包括心血管新型药物和新技术的研发都将有重要的理论和实际意义。我课题组的研究方向为心血管生物力学。动脉粥样硬化造成的动脉狭窄,如发生在心脏会限制冠脉流量和心肌灌注,从而导致心绞痛或心肌梗死。分析确定血管内的血流分布情况有助于深入理解动脉粥样硬化的病理生理机制,从而阻止动脉狭窄的形成和发展,本研究设计的血流动力学模拟软件已经应用于冠脉循环的临床诊断和治疗。研究发现并证实一系列与冠状动脉粥样硬化、动脉狭窄、动脉瘤相关的异常流动:在血管分叉处存在多个异常流动区域;血管舒缩可减缓冠状动脉粥样硬化的形成;冠状动脉分支上游的狭窄可极大地恶化下游分支处的血流分布;血管分叉处、较长的动脉瘤,血流动力学危害最大;率先提出一种两步法（形态学+血流动力学）来辅助CTA提高冠状动脉瘤破裂的临床预测精度^[1]。辅助研发的"冠状动脉血流储备分数测量系统"已于2018年底完成多中心临床试验。对照压力导丝测量结果,该系统的临床准确性超过95%,临近病变准确性～90%^[2]。这些研究提供了定量分析病变血管内复杂血流动力学环境的方法,具有重要的临床应用价值。现阶段临床上,冠心病的治疗集中于修复在心脏表面的病变大中动脉,很少考虑微循环治疗手段。这是因为心脏的血供,除了其表面的上百根大中动脉外,整体冠状循环的动静脉树却包括几百万根小血管,现有技术手段很难预测小动脉和小静脉中的血流分布,从而有效地掌控药物传输。通过实验测量,统计分析和随机重建,构建整体三维冠状动脉树和静脉树,提出了血流动力学模型,同步计算在所有大动脉、小动脉、大静脉、小静脉里的搏动血流;研究了心室肥大、心力衰竭、血管顺应性、血管分叉和血球密度对整个冠脉循环的影响;发现随着冠状动脉血管直径的降低,分叉处子血管内的流率变得较均匀,确保了红血球较均匀的分布到毛细血管网络中,从而有效地保障了心肌的新陈代谢^[3]。三维冠脉树中的血流动力学研究可极大地扩展对整体冠脉循环的认识,确定冠心病的病理生理机制,进而研发新的微循环治疗方法。心血管疾病,如糖尿病、高血压、动脉粥样硬化、血管痉挛、动脉瘤等,都会影响血管的主动和被动力学性能。深入了解动脉的主动和被动力学性能可极大地提高对血管壁力学和血流动力学的理解,为深入地探索血管生长和重建的病生理机制、精确地预测粥样斑块的稳定性和破裂等心血管疾病的诊断与防治提供生物力学的新思路。许多学者测量和分析了血管的被动力学性能,但是对主动力学性能的研究相当有限。基于多轴力学性能测试实验和数值优化分析,首先提出了多轴主动应变能函数。不同于主要由弹性蛋白和胶原纤维调控的被动应变能函数,主动应变能函数反映了平滑肌细胞主动舒缩现象。进一步扩展单层的主动和被动应变能函数为双层模式,并提出了双层血管壁力学模型来计算血管壁内的应力与应变的分布,发现相对于外层,血管内层（Intima-media layer）承受了大部分周向张力,平滑肌细胞的主动收缩可降低所有层内的应力和应变。研究发现在正常生理态下相对于周向和轴向应力,血管壁径向应力可以忽略不计,但是在高血压和其它心血管疾病时,局部血管壁径向应力可以达到周向应力的一半,必须加以考虑。近期对比了年轻鼠和成年鼠的弹性血管和肌性血管壁的力学性质,发现与年轻大鼠相比,成年大鼠的肌性股动脉血管壁发生硬化、弹性颈动脉血管壁近似不变、弹性腹主动脉血管壁变软。结合现有文献,得出结论:不同类型、不同大小的动脉血管壁的力学性质随着年龄变化呈现非线性变化规律。这项研究为腹主动脉瘤和股动脉粥样硬化研究提供了生物力学新思路^[4]。心衰,即心力衰竭。力学因素与心衰的发生、发展密切相关。揭示心衰的生物力学机理,对其预防和诊断不仅具有重要的科学意义,也有重要的临床指导作用。系统研究心肌力学性能以及心脏和血管系统动态耦合异常的生物力学机制不仅可以为离体的细胞分子学实验提供生理和病理信息、提高精度,而且可以基于细胞分子实验的结果调整模型中的参数,来验证各种心衰相关的假设。基于影像学测量,三维重构了心肌,执行了心肌动力学分析。在家兔模型中通过冠脉多点结扎产生鳞片状心梗,术后定期执行超声、Micro-CT扫描和组织学分析,证实了冠心病心力衰竭的发生和发展过程中心肌应力与血管增生和衰亡之间的关系。在心室肥大（通过主动脉结扎）和心梗（通过冠脉远端结扎）家兔模型中,评估了心脏房室腔大小、室壁厚度、室壁各节段的运动变化、射血分数、心肌纤维应力和应变、局部应力和应变等。研究发现心室肥大和心梗导致不同的心肌应力和应变,进而导致不同的心肌重塑直至心衰。此外,在年轻（6周）和成年（>8个月）大鼠模型（Wistar）中通过主动脉结扎创建左心室高血压,术后定期执行超声扫描和组织学分析,斑点追踪超声心动图法用于确定室壁各节段的应变和应变率,心肌有限元模型用于应力计算。相对于年轻鼠,研究发现左心室高压显著降低成年鼠射血分数和最大正负左心室压力发展率、增加心室舒张末期压力、增厚心室壁,相对于室间隔显著恶化了游离壁的收缩和舒张功能^[5]。