肾血管性高血压发病机理的血流动力学分析

摘要

肾血管性高血压的发病机理研究，可以提高对继发性高血压的认识，帮助临床医生及早明确发病原因并积极针对病因制定治疗方案，大大降低因高血压及其并发症引起的高致死率及致残率。本论文结合弹性管内流体力学理论和生理系统建模发展了一个多生理机制的心血管系统调节模型，研究了肾动脉狭窄对血流动力学特性和肾脏过滤功能的影响，并模拟了肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensin system，RAS)对血压的调节作用。模型主要包括三个模块:动脉系统的一维血流动力学模型、肾小球网络模型和RAS的血压调控模型。
　　首先，本文改进了一维血流动力学模型的出口边界处理方法。通过最小功耗原理构建的小血管结构模型求得根阻抗和总顺应性，并将其作为大血管的出口模型参数。这种处理方法可以获得任意结构小血管网所对应的参数值，有效地避免了小血管几何结构发生改变时较难获得出口参数的问题。通过耦合动脉狭窄的参数模型，模拟了脑Willis环内的血流及氧输运特性，同时利用临床影像数据，对个性化Willis环结构内的血流特性进行了分析，得到了与临床观测相符的结果，验证了模型的有效性。
　　其次，利用劳伦兹互换理论和基于体素的VOF(volume of fluid)三维数值计算方法，提出了狭窄血管内流动特性的参数模型。在参数模型中，稳定狭窄流动的压降被分解成Stokes流动的压降，及由狭窄结构和动量迁移相互作用引起的非线性项，前者可用修正的润滑理论公式求解，后者与狭窄率和雷诺数有关。通过与Young的经验公式的比较，新模型可以得到更高的精度。
　　最后，建立了肾素-血管紧张素系统的血压调节模型，并将其与血流模型以及肾小球网络模型进行耦合。在RAS调节模型中，活性物质的浓度变化均用一阶常微分方程表示，采用S型函数描述了管径狭窄率与血管紧张素Ⅱ浓度之间的关系，并由此得到外周阻抗与血管紧张素Ⅱ浓度对应的关系式。运用整合模型对二肾一夹(2K1C)生理实验过程进行了模拟。分析结果表明，当没有RAS调节时，肾动脉狭窄会使肾脏的血流供应量和灌注压下降，且随着狭窄程度的加深，下降趋势越来越来明显。表征肾脏功能的肾小球滤过率也会随着灌注压的降低而减小，当狭窄率为85％时，肾小球滤过率会出现明显的下降，约为正常值的50％;之后下降趋势更加迅速，在狭窄率为95％时，减至为零，此时肾脏灌注压略高于50mmHg。但当RAS参与调节时，由肾动脉狭窄引起的肾脏缺血会激活RAS，在其调节作用下肾素浓度、血管紧张素Ⅱ浓度升高，外周阻抗增加，从而达到新的平衡点，使狭窄肾动脉引起的肾脏灌注压下降得到恢复。当肾动脉狭窄为90％时，压力恢复幅度为13.5mmHg，反馈增益值为1.2，符合正常生理范围(1～2)。同时，心血管系统的其他动脉压力也会随着外周阻抗的增加而升高，从而引起高血压。总之，整个模拟过程将活性物质调节过程与血流动力学变化有机地结合起来，清楚地解释了RAS在肾血管性高血压的发病机制中发挥的重要作用。