血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)

第一節(jié)血液循環(huán)系統(tǒng)

定義：普通所說(shuō)循環(huán)系統(tǒng)指是心血管系統(tǒng)。心血管系統(tǒng)（systemacardiovaschlare）包含心臟、動(dòng)脈、毛細(xì)血管和靜脈，是一個(gè)完整封閉循環(huán)管道，它以心臟為中心經(jīng)過(guò)血管與全身各器官、組織相連，血液在其中循環(huán)流動(dòng)。

血液循環(huán)系統(tǒng)由血液、血管和心臟組成。

血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第1頁(yè)血液循環(huán)系統(tǒng)體循環(huán)肺循環(huán)血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第2頁(yè)體循環(huán)（大循環(huán)）

體循環(huán)（大循環(huán)）：血液由左心室射出經(jīng)主動(dòng)脈及其各級(jí)分支流到全身毛細(xì)血管，在此與組織液進(jìn)行物質(zhì)交換，供給組織細(xì)胞氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，運(yùn)走二氧化碳和代謝產(chǎn)物，動(dòng)脈血變?yōu)殪o脈血；再匯合成上、下腔靜脈流回右心房，這一循環(huán)為體循環(huán)。

血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第3頁(yè)肺循環(huán)(小循環(huán))肺循環(huán)(小循環(huán))：血液由右心室射出經(jīng)肺動(dòng)脈流到肺毛細(xì)血管，在此與肺泡氣進(jìn)行氣體交換，吸收氧并排出二氧化碳，靜脈血變?yōu)閯?dòng)脈血；然后經(jīng)肺靜脈流回左心房，這一循環(huán)為肺循環(huán)。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第4頁(yè)血液循環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)首先從結(jié)構(gòu)上，血管網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)高度枝化系統(tǒng)。從心臟出發(fā)，動(dòng)脈逐層分支，管徑逐層變細(xì)，直至毛細(xì)管呈網(wǎng)狀密布于全身。然后逐層聚集成靜脈，逐層變粗返回心臟。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第5頁(yè)血液循環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)

血管主要由彈性纖維、膠原纖維、平滑肌組成，遠(yuǎn)離心臟，血管管壁中彈性纖維成份越少，膠原纖維成份增加，平滑肌所占成份也增加。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第6頁(yè)循環(huán)系統(tǒng)各部分血管血壓分布血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第7頁(yè)血壓分布特點(diǎn)1.血管中壓力是脈動(dòng)；2.動(dòng)脈中脈動(dòng)要大于靜脈和毛細(xì)管中脈動(dòng)；3.在小靜脈處壓力下降最為顯著；血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第8頁(yè)血液循環(huán)主要功效及主要性

血液循環(huán)主要功效是完成體內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸。血液循環(huán)一旦停頓，機(jī)體各器官組織將因失去正常物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)而發(fā)生新陳代謝障礙。同時(shí)體內(nèi)一些主要器官結(jié)構(gòu)和功效將受到損害，尤其是對(duì)缺氧敏感大腦皮層，只要大腦中血液循環(huán)停頓3～4分鐘，人就喪失意識(shí)，血液循環(huán)停頓4～5分鐘，半數(shù)以上人發(fā)生永久性腦損害，停頓10分鐘，即使不是全部智力毀掉，也會(huì)毀掉絕大部分。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第9頁(yè)血液循環(huán)主要功效及主要性

臨床上體外循環(huán)方法就是在進(jìn)行心臟外科手術(shù)時(shí)，保持病人周身血液不停地流動(dòng)。對(duì)各種原因造成心跳驟停病人，緊急采取心臟按摩（又稱心臟擠壓）等方法也是為了代替心臟自動(dòng)節(jié)律性活動(dòng)以到達(dá)維持循環(huán)和促使心臟恢復(fù)節(jié)律性跳動(dòng)目標(biāo)。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第10頁(yè)心臟擠壓實(shí)施方法

發(fā)覺(jué)意識(shí)消失、心跳停頓時(shí)，要馬上施行心臟擠壓。其方法是：取患者胸骨下三分之一位置，搶救人員用右手(也可用左手)手掌壓在該手手背上，保持肘臂垂直向脊柱方向進(jìn)行擠壓。用力不宜過(guò)大，以每次擠壓使胸骨下陷3~5厘米為度。壓后應(yīng)馬上放松。如此重復(fù)進(jìn)行。頻率為70-80次/分左右。注意手掌一直不要脫離胸骨。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第11頁(yè)

第二節(jié)血液流動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第12頁(yè)

一．血液流動(dòng)層流和湍流血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第13頁(yè)層流層流：因?yàn)檎承源嬖?在管道中流動(dòng)流體自然出現(xiàn)了分層流動(dòng),各層流體只作相對(duì)滑動(dòng)而彼此不相混合,這種現(xiàn)象稱為層流.

血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第14頁(yè)

基本概念

層流血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第15頁(yè)因?yàn)轲ば源嬖?在管道中流動(dòng)流體自然出現(xiàn)了分層流動(dòng),各層流體只作相對(duì)滑動(dòng)而彼此不相混合,這種現(xiàn)象稱為層流.

血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第16頁(yè)湍流tuānliú

血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第17頁(yè)湍流

當(dāng)流速增加到很大時(shí)，流線不再清楚可辨，流場(chǎng)中有許多小漩渦，層流被破壞，相鄰流層間不但有滑動(dòng)，還有混合。這時(shí)流體作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，有垂直于流管軸線方向分速度產(chǎn)生，這種運(yùn)動(dòng)稱為湍流，又稱為亂流、擾流或紊流。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第18頁(yè)湍流：速度、壓強(qiáng)等流動(dòng)要素隨時(shí)間和空間作隨機(jī)改變，質(zhì)點(diǎn)軌跡波折雜亂、相互混摻流體運(yùn)動(dòng)。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第19頁(yè)雷諾數(shù)雷諾數(shù)（Reynoldsnumber）一個(gè)可用來(lái)表征流體流動(dòng)情況無(wú)量綱數(shù)，以Re表示，

Re=ρvr/η其中v、ρ、η分別為流體流速、密度與黏性系數(shù)，r為一特征線度。比如流體流過(guò)圓形管道，則r為管道半徑。利用雷諾數(shù)可區(qū)分流體流動(dòng)是層流或湍流。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第20頁(yè)雷諾數(shù)

—一個(gè)判斷流體做層流還是湍流數(shù)字.其中：r-流體密度r

-流管半徑

v-流體平均流速η-流體黏度

Re-雷諾數(shù)（無(wú)單位）

0<Re<2300

層流

Re>2300

湍流

在剛性管道中流動(dòng),雷諾數(shù)臨界范圍：血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第21頁(yè)雷諾數(shù)和流動(dòng)狀態(tài)流體流動(dòng)時(shí)慣性力Fg和粘性力(內(nèi)摩擦力)Fm之比稱為雷諾數(shù)。用符號(hào)Re表示。Re是一個(gè)無(wú)因次量。雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流（也稱湍流）流動(dòng)狀態(tài)，所以雷諾數(shù)大小決定了粘性流體流動(dòng)特征。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第22頁(yè)血液流動(dòng)層流和湍流

在正常生理情況下，循環(huán)系統(tǒng)血管中血液流動(dòng)大都能夠近似為層流，僅在主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈瓣出口處有可能出現(xiàn)局部湍流。在一些病例情況下，比如血管局部狹窄使當(dāng)?shù)亓魉俑淖儯瑒t可能出現(xiàn)局部湍流血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第23頁(yè)血液流動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

二.

血液定常流和脈動(dòng)流血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第24頁(yè)基本概念

定常流動(dòng)（steadyflow）定常流：流場(chǎng)中任一點(diǎn)流動(dòng)參數(shù)（壓力，速度和密度等）不隨時(shí)間改變流動(dòng)

脈動(dòng)流：紊流（湍流)中一點(diǎn)處某物理量圍繞其時(shí)間平均值隨機(jī)變動(dòng)現(xiàn)象。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第25頁(yè)脈動(dòng)流

脈動(dòng)流：紊流（湍流)中一點(diǎn)處某物理量圍繞其時(shí)間平均值隨機(jī)變動(dòng)現(xiàn)象。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第26頁(yè)Womersley數(shù)式中t為時(shí)間，ω為振蕩角頻率，（△P）0是壓力差幅值。式中d為管直徑，η為流體粘度，ρ為流體密度。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第27頁(yè)狗各血管段中Womersley數(shù)血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第28頁(yè)Womersley數(shù)

在血液循環(huán)中，在不一樣血管中，α值在相當(dāng)大范圍內(nèi)變動(dòng)。如在大動(dòng)脈中α值大于10，而在毛細(xì)管中器數(shù)量級(jí)這為10-3.

在主動(dòng)脈中，血液流動(dòng)壓力和流速均含有很強(qiáng)脈動(dòng)性，但越靠近外周血管中流動(dòng)越趨于平穩(wěn)，在毛細(xì)管中流動(dòng)普通視為定常流。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第29頁(yè)循環(huán)系統(tǒng)各部分血管血流平均速度及脈動(dòng)分量血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第30頁(yè)第三節(jié)血液流動(dòng)中血管阻抗血液流動(dòng)中血管切應(yīng)力血管阻抗血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第31頁(yè)血液流動(dòng)中血管切應(yīng)力血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第32頁(yè)Stokes公式血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第33頁(yè)管壁處切變力血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第34頁(yè)牛頓粘性定律血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第35頁(yè)牛頓流體在圓管中層流速度分布血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第36頁(yè)血管壁速度和切應(yīng)力血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第37頁(yè)一.血液流動(dòng)中血管切應(yīng)力泊肅葉定律

—圓管兩端壓強(qiáng)差（Pa）—流量（m3/s）其中：—圓管半徑（m）—圓管長(zhǎng)度（m）—流體黏度（Pa·s）血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第38頁(yè)平均流速血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第39頁(yè)血液流動(dòng)中血管壁切應(yīng)力

血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第40頁(yè)血管血流平均速度分布血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第41頁(yè)二．血管阻抗血管阻抗：血液循環(huán)中血液流動(dòng)總是受到某種妨礙作用，血管阻抗是定量描述血液流動(dòng)阻力參數(shù)。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第42頁(yè)流阻對(duì)于定常血液流動(dòng)，長(zhǎng)孔血管受到流動(dòng)阻力被稱為流阻。

其中稱為流阻血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第43頁(yè)

血管流阻意義

流阻大小反應(yīng)了血液在血管中流動(dòng)時(shí)所受阻力大小.流阻R與流量Q和壓力差無(wú)關(guān)參數(shù)，它取決于流體本身粘度、管長(zhǎng)L和管徑。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第44頁(yè)血管流阻其中管徑影響最大,當(dāng)血管長(zhǎng)L一定時(shí)，粘度不變，表明若管徑增加1%，則流阻R降低4%，而流阻R降低會(huì)造成流量Q增加或壓差下降。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第45頁(yè)降低流阻方法1.擴(kuò)張血管（增加r)對(duì)于增加血液流量和降低血壓十分有效。2.降低血液粘度也能有效控制血管阻力增高血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第46頁(yè)循環(huán)系統(tǒng)中阻力分布

有上式可見(jiàn)流動(dòng)阻力主要集中在小動(dòng)脈和毛細(xì)血管中，尤其是小動(dòng)脈站整個(gè)阻力41%，通慣用“外周阻力”表示小動(dòng)脈阻力。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第47頁(yè)流阻并聯(lián)血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第48頁(yè)流阻串聯(lián)血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第49頁(yè)2.影響血管阻抗原因1.阻力血管收縮和舒張

阻力血管，如小動(dòng)脈、微動(dòng)脈舒張和收縮會(huì)對(duì)血管系統(tǒng)外周阻力產(chǎn)生很大影響。

2.血管彈性特征改變

血管彈性模量增大將增加脈搏波波速。普通來(lái)說(shuō)，在血管截面積保持不變情況下，血管彈性模量增大使血管阻抗增大。3.血管橫截面積改變血管橫截面積改變將造成血管特征阻抗改變。在血管彈性模量保持不變情況下，血管半徑增大將使特征阻抗減小，血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第50頁(yè)第四節(jié)脈搏波一.血管壁彈性模量二.脈搏波傳輸速度血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第51頁(yè)彈性模量

定義：材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正百分比關(guān)系（即符合胡克定律），其百分比系數(shù)稱為彈性模量。。“彈性模量”是描述物質(zhì)彈性一個(gè)物理量，是一個(gè)總稱，包含“楊氏模量”、“剪切模量”、“體積模量”等。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第52頁(yè)楊氏模量對(duì)一根細(xì)桿施加一個(gè)拉力F，這個(gè)拉力除以桿截面積S，稱為“線應(yīng)力”，桿伸長(zhǎng)量dL除以原長(zhǎng)L，稱為“線應(yīng)變”。線應(yīng)力除以線應(yīng)變就等于楊氏模量E=(F/S)/(dL/L)血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第53頁(yè)剪切模量對(duì)一塊彈性體施加一個(gè)側(cè)向力f（通常是摩擦力），彈性體會(huì)由方形變成菱形，這個(gè)形變角度a稱為“剪切應(yīng)變”，對(duì)應(yīng)力f除以受力面積S稱為“剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力除以剪切應(yīng)變就等于剪切模量G=(f/S)/a血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第54頁(yè)體積模量對(duì)彈性體施加一個(gè)整體壓強(qiáng)p，這個(gè)壓強(qiáng)稱為體積應(yīng)力，彈性體體積降低許(-dV)除以原來(lái)體積V稱為“體積應(yīng)變”，體積應(yīng)力除以體積應(yīng)變就等于體積模量:K=P/(-dV/V)血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第55頁(yè)

彈性模量意義彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形應(yīng)力也越大，即材料剛性越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。彈性模量E是指材料在外力作用下產(chǎn)生單位彈性變形所需要應(yīng)力。它是反應(yīng)材料抵抗彈性變形能力指標(biāo)，相當(dāng)于普通彈簧中剛性。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第56頁(yè)一.血管壁彈性模量血管壁微元張力血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第57頁(yè)一.血管壁彈性模量血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第58頁(yè)血管壁彈性模量E血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第59頁(yè)彈性模量影響原因動(dòng)脈血管壁彈性模量受年紀(jì)影響。在正常生理情況下，動(dòng)脈血管壁彈性模量隨年紀(jì)增大而增大。比如，青年人胸主動(dòng)脈管段E約為4×105~6×105N/m2，而年紀(jì)60歲以上老人胸主動(dòng)脈E值可達(dá)20×105N/m2，其E值大是因?yàn)檠鼙趦?nèi)彈性纖維變性，膠原纖維增多，管壁增厚等老年性改變所致。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第60頁(yè)彈性模量影響原因動(dòng)脈血管壁彈性模量受血管位置和病理改變影響。E在遠(yuǎn)離心臟方向增大是彈性纖維成份降低所致。另外，動(dòng)脈管壁彈性模量還將隨血管內(nèi)壓力和尺寸而改變。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第61頁(yè)

二.脈搏波傳輸速度

血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第62頁(yè)脈搏波脈搏波是心臟搏動(dòng)(振動(dòng))沿動(dòng)脈血管和血流向外周傳輸而形成，所以其傳輸速度取決于傳輸介質(zhì)物理和幾何性質(zhì)--動(dòng)脈彈性、管腔大小、血液密度和粘性等。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第63頁(yè)脈搏波傳輸速度脈搏波傳輸速度c是指脈搏波由動(dòng)脈一特定位置沿管壁傳輸至另一特定位置速率。這是一個(gè)用來(lái)反應(yīng)動(dòng)脈彈性及可擴(kuò)張非侵入性指標(biāo)，c值越高表明血管壁越硬。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第64頁(yè)脈搏波傳輸速度其中，K為血管壁體積彈性模量，為血液密度。C為脈搏波速。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第65頁(yè)血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第66頁(yè)脈搏波速C

上式稱為Moens-Korteweg方程，簡(jiǎn)稱M-K方程。脈搏波傳輸速度主要取決于血管壁彈性模量E。c值越高表明血管壁越硬。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第67頁(yè)脈搏