由于心血管系统结构的三维和多尺度特性，心血管系统所产生的力学现象非常复杂，仅仅依靠以往的计算力学和计算流体力学（CFD）方法远远不够，因此，基于图像的三维建模，流体-固体-生理现象耦合解析技术等是分析心血管复杂系统不可或缺的。耦合分析不只是狭义的流固耦合，而是应用计算力学手段探究构成人体系统的广泛的物理化学现象，最终形成生物医学技术的创新应用。
近年，计算机断层扫描技术（CT），核磁共振技术（MRI）， 超声（US）和数字减影图像（DSA）等医学影像技术（DSA）为建立基于精确解剖结构的个性化三维模型提供了可靠的数据基础。计算流体力学，有限元分析，流固耦合技术以及高性能计算机硬件的发展为血液动力学特性分析提供了有力的理论基础。
通过逆向工程技术，采用透明硅橡胶可以制作出真实结构的各种正常和病变血管模型，利用PIV（Particle Imaging Velocimetry）可视化技术体外观测血液流动特性，一方面可以验证数值模拟的有效性，另一方面为手术设计，药物研发和临床训练的血管内操作提供非常有用的工具。
除此之外，一维和零维心血管系统模型能够很好地描述全身心血管系统脉搏波传递以及血压和流量波的相位变化，是研究血液动力学非常重要和有效的工具。
经过四十多年的发展，一维模型建模方法在不断完善。速度剖面形状会直接影响动量方程的形式及壁面应力的估值，常用的速度剖面有平整性、抛物线型，幂函数型，Stokes边界层型，周期性速度剖面等。而管壁的运动直接影响压力波的传播波速和脉动特征。在一维血流动力学模型中，管壁运动通过状态方程来表征，表示为跨壁压差和截面积的关系。根据线弹性理论的Laplace方程推导得到的状态方程可以较好地描述正常状态下的血流特性。
动脉内的血液流动主要受小动脉影响，但小动脉结构复杂而且不容易观测，使得很难建立合适的模型来描述小动脉对动脉内脉动波传播的影响。把小血管和毛细血管看成大血管出口边界的延伸，则可以用不同出口边界条件描述小动脉的影响。目前，常用的出口边界条件有三种，包括：纯阻抗模型，只使用一个阻抗元件来描述出口处压力和流量的关系，但该模型不能描述压力波和流量波的相位延迟特征。第二种是三元件弹性腔模型。这两种模型虽然简洁，但不同生理病理条件下的阻抗和顺应性的估计是一个难点。小血管树模型利用人体动脉网络的分型规律建立二叉树结构，然后利用拟线性分析理论获取大动脉出口处的压力和流量关系。结构树模型用较少的假定较全面地模拟了小血管树的阻抗。 劲动脉分叉，腹主动脉，左冠状动脉，心脏及近端主动脉是较易产生病变的部位，因此，这些部位的正常及病理状态下的血液动力学特性就成为关注重点。
研究表明，血液动力学因素，如壁面剪切应力（WSS）、壁面切应力梯度（WSSG）、流动分离、二次流等，对动脉血管内皮细胞损伤、动脉内膜加厚、内膜平滑肌细胞增生以及血细胞聚集等都有重要影响。
1-1 动脉粥样硬化
动脉粥样硬化所致心脑血管疾病如脑卒中和冠心病发病率越来越高，已构成国人的头号杀手，而且致残率极高，给家庭和社会卫生资源造成沉重负担。AS（atherosclerosis）始发于动脉的弯曲、分叉及狭窄部位，例如主动脉弓、颈动脉分支、腹主动脉分支等。在这些几何形状急剧变化的部位其血管壁剪切应力会减弱、血流形态会发生异常、血液流速降低，从而导致血流中有害的脂质在该区域长时间滞留，引起AS病变。壁面低切应力使内皮细胞功能，血管活性物质的生成、分泌和表达都发生变化，从而影响脂蛋白和其他大分子物质在血管壁的吸收和代谢，进而影响血管的结构和功能重建。
颈动脉最显著的解剖特点是在颈内动脉上存在一个动脉窦，及分叉下游颈内动脉血管直径扩张的部位。通过采用真实的脉动流量和压力波形，对颈动脉窦内局部血流形态，二次流和壁面剪切力的数值模拟发现，在心脏收缩的减速和舒张期的某些时刻，颈动脉窦中部外侧壁面附近会产生流动分离，形成一个低速回流区，导致有2~6dyn/cm的低壁面剪切力振荡，而低壁面剪切应力振荡恰好位于粥样动脉硬化病灶区域（颈动脉窦外侧），同一区域核磁共振速度测量也发现了在心脏收缩的减速期出现了低速回流。进一步，通过对颈动脉分支氧传输特性的有限元分析发现，颈动脉窦的低速回流会使动脉窦入口的氧输送降低，从而使动脉壁产生动脉粥样硬化反应。
近年，研究者在总结了大量关于血流动力学与物质传输的关系后，提出了脂质浓度极化假说：人体血管的半渗透性导致血液循环系统中低密度脂质蛋白（low density lipoprotein, LDL）在血管壁面浓度高于血液循环本体流体中的浓度。LDL在血管几何形状急剧改变的区域长时间滞留，给脂质的渗透和沉积提供很大机会。同时，流场的局部差异也将导致内皮细胞功能障碍，脂质更容易进入内皮下，并在内皮下蓄积，进而引发动脉粥样硬化的发生、发展。脂质极化不仅较好地解释了动脉粥样硬化发生的局灶性外，还能解释动脉粥样硬化为什么不发生于静脉。静脉系统的低压很难使脂质本身进入血管内皮下，同时由于静脉血管壁很薄，进入血管内皮层的脂质很容易就穿透静脉外壁，由淋巴系统带走而不致在静脉壁内沉积。血液动力学数值模拟和体外细胞实验证明了在内皮表面有着与剪切力和半渗透性相关的大分子渗透和沉积。
基于非线性应力应变关系的数学模型能够描述粥样动脉硬化血管管壁特性，结合一维血流模型可以分析粥样动脉硬化血管对心血管循环系统血液流动的影响。 动脉粥样硬化造成动脉局部狭窄，影响下游血管的血液灌注，同时，粥样硬化斑块形成后，作为血管壁上的凸起物，持续受到剪切应力、管壁张应力、跨壁压力、血管收缩时产生的脉动压力变化及湍流时的压力变化，可导致斑块不稳定，甚至破裂。
内膜增生，管壁腔体形状改变和血液动力学之间相互作用。为模拟内膜增生过程，研究者提出一种单元填充计算方法。利用阈值低切应力条件判断当壁面要发生内膜增生时，就将壁面附近的计算单元填充为固壁单元。通过模拟发现，最大狭窄率为34.4%，发生在距血管分叉5mm的动脉窦外侧壁面。
为研究狭窄之后局部血流和内皮细胞的变化，可以建立动物和体外模型，构建狭窄模型的方法包括: 用富含蛋白质和脂肪的食物喂养动物，使其在相对自然进程较短的时间内在体内产生内膜，促使其增生产生狭窄；手术方法损坏内膜使其增生狭窄； 采用环缩使血管对称狭窄。但对颈动脉窦环缩后血液动力学模拟发现，脂质沉积将在狭窄下游的窦内沿周向轴对称发展，狭窄顶部由于高剪切力的作用，不会产生动脉粥样硬化。所以，应采用厚度不均匀的非对称狭窄器人为产生非均匀狭窄。
动脉粥样硬化造成动脉局部狭窄，针对严重的动脉血管，往往采用人工合成血管或自体静脉血管进行动脉旁路移植管搭桥术，恢复对狭窄动脉下游血管和组织的正常供血。动脉搭桥术的一个主要问题是术后血管闭塞的高发生率以及后续高昂的治疗费，下游缝合区的内膜增生和再狭窄发展是手术失败的诱因。
影响动脉搭桥术成功率因素很多，移植管-宿主动脉直径比和缝合角是其中两个重要几何因素。血液动力学分析和手术实践均表明，较大移植管-宿主动脉直径比和较小的缝合角可以使壁面切应力梯度达到最小，具有更好的血流动力学特性。
对于缝合区血流动力学研究有助于改善动脉搭桥术的临床成功率。例如：当缝合区病变的重要血液动力学参数确定后，医生可以选择缝合结构以达到最优血液动力学，从而使导致内膜增生的病理因素最小化。 脑血管瘤是脑血管的一种病态的膨胀，通常发生在Willis环的部位。Willis环是大脑底部的环状动脉，向脑组织输送富含氧分及营养物质的动脉血，主要由颈动脉、中脑动脉、前脑动脉、基底动脉，后脑动脉以及三个交通动脉组成。目前，临床常用治疗动脉瘤的方法有动脉瘤夹闭术和血管栓塞术，但术前，术中发生动脉瘤破裂，出血时有可能导致脑血管痉挛，这会为手术增加很大难度。而且术后合并症（如：脑梗死，认知功能障碍等）的出现和高死亡率的风险不能忽视。临床研究显示，前脑交通动脉瘤的显微手术和血管内治疗均可引起患者不同程度的认知功能障碍。因此，临床上越来越多地倾向早期检测易破裂动脉瘤并进行预防性手术。设计有效的手术治疗方案需要更好地理解动脉瘤形成，发展和破裂过程，但这一过程的发展机理仍不十分清楚。
运用应力-生长定律获得血管局部扩张规律的基本关系并基于血液动力学方程，可求得局部扩张血管段内的流速，压力，管壁切应力的分析表达式，分析结果表明，局部扩张对压力影响不明显，但却会引起管壁切应力不均匀分布-渐扩段切应力变得很低，而渐缩段的切应力会增加至最大值。
由于动脉瘤的破裂危险性极大，关注动脉瘤破裂因素，试图通过找到危险因子预测方法就成为研究的热点。通常发生动脉瘤的血管壁内中膜较薄甚至缺失，这是动脉瘤破裂的根本原因。
纵向血流会对血管远端产生冲击，导致血管弹力层破坏，形成囊状突起，这种囊状突起又可加重此部位的血液涡流，引起血管壁振荡并促其变性。随着时间的推移，管壁半径，压强，切应力，管壁脆性将相互影响，致使压强增大-管径增大-壁厚减小-管壁脆性增大-壁面切应力减小，形成恶性循环，这就是动脉瘤的恶化发展过程。动脉瘤破裂最常见的位置为其尖顶部，其破裂过程涉及自身材料特性和血液动力学各种因素。
在动脉瘤形成机理研究方面，通常认为动脉瘤形成与脑血管结构变异，如Willis环内动脉缺失或狭窄，前交通动脉外向重构与动脉瘤的发生相关。大鼠动物实验表明，系统高压可以产生动脉瘤。研究表明，中脑动脉的流型，速度以及壁面剪应力分布与动脉瘤的发生部位具有相关性，后交通动脉的几何尺寸与颈内动脉-后交通动脉瘤具有相关性。在脑循环中，供血动脉的形态学特征可以决定血流动力学环境是否较易或较难形成动脉瘤。
由于Willis环是动脉瘤的易发部位，运用集中参数和一维血管网络模型，以及三维流固耦合分析对Willis环内血液流动特性进行了大量分析，如：结构变异对脑部血流分配的影响；颈动脉发生狭窄和阻塞时不同Willis环结构对血流平衡的调节作用；前脑交通动脉瘤的发生对Willis环血流的影响等。而利用一维血流动力学建模也可以考察动脉瘤发生对全身压力脉动的影响。
图一，Willis环的不同变异结构a. 完整 b. 前脑动脉缺失 c 前脑动脉狭窄 基于血管支架的介入性治疗方法同其微创伤和高效性，成为当前治疗心血管狭窄性冠心病和动脉瘤的重要方法。
早期的支架植入技术带来了支架内再狭窄的问题，这是由于介入治疗造成血管壁损伤和血流动力学环境的改变引发血栓形成和内膜增生。抗血小板和抗凝药物以及药物涂层支架可以大大减少因血管壁损伤造成的再狭窄现象。
对动脉瘤支架介入治疗的血液动力学研究主要包括对支架植入后瘤腔内部的血流速度、瘤腔壁面切应力以及壁面压力等因素进行分析。研究发现，支架丝尺寸大小对瘤腔内部涡流状态有显著影响。而三角形截面支架在治疗蜿蜒型动脉瘤时的效果优于传统圆形截面支架。
对于主动脉弓内侧动脉瘤的支架血液动力学研究表明，植入支架后，主动脉弓内总体的流动情形并无显著变化，而动脉瘤腔内血液流动被大大削弱。动脉瘤壁面压力降低且压力分布更均衡。因此瘤腔内流动被明显抑制后将导致瘤腔内血栓的形成。说明支架植入有利于动脉瘤的闭锁。
总之，支架疗效受到诸多因素影响，如支架形状（螺旋状、网格状）、支架丝直径、通透率、支架放置位置、动脉瘤形位特征和病变程度、局部血液动力学及支架伸缩性等。考察支架设计的力学因素及支架植入后对血液动力学的影响，有助于介入治疗方案的设计。
