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、動脈、毛細(xì)血管和靜脈，是一個完整封閉循環(huán)管道，它以心臟為中心經(jīng)過血管與全身各器官、組織相連，血液在其中循環(huán)流動。

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)主動脈及其各級分支流到全身毛細(xì)血管，在此與組織液進(jìn)行物質(zhì)交換，供給組織細(xì)胞氧和營養(yǎng)物質(zhì)，運(yùn)走二氧化碳和代謝產(chǎn)物，動脈血變?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)閯用}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)是一個高度枝化系統(tǒng)。從心臟出發(fā)，動脈逐層分支，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頁血壓分布特點(diǎn)1.血管中壓力是脈動；2.動脈中脈動要大于靜脈和毛細(xì)管中脈動；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，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，也會毀掉絕大部分。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第9頁血液循環(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，保持病人周身血液不停地流動。對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節(jié)律性活動以到達(dá)維持循環(huán)和促使心臟恢復(fù)節(jié)律性跳動目標(biāo)。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第10頁心臟擠壓實(shí)施方法

發(fā)覺意識消失、心跳停頓時，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

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

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

血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第14頁

基本概念

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

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

血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第17頁湍流

當(dāng)流速增加到很大時，流線不再清楚可辨，流場中有許多小漩渦，層流被破壞，相鄰流層間不但有滑動，還有混合。這時流體作不規(guī)則運(yùn)動，有垂直于流管軸線方向分速度產(chǎn)生，這種運(yùn)動稱為湍流，又稱為亂流、擾流或紊流。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第18頁湍流：速度、壓強(qiáng)等流動要素隨時間和空間作隨機(jī)改變，質(zhì)點(diǎn)軌跡波折雜亂、相互混摻流體運(yùn)動。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第19頁雷諾數(shù)雷諾數(shù)（Reynoldsnumber）一個可用來表征流體流動情況無量綱數(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)分流體流動是層流或湍流。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第20頁雷諾數(shù)

—一個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)（無單位）

0<Re<2300

層流

Re>2300

湍流

在剛性管道中流動,雷諾數(shù)臨界范圍：血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第21頁雷諾數(shù)和流動狀態(tài)流體流動時慣性力Fg和粘性力(內(nèi)摩擦力)Fm之比稱為雷諾數(shù)。用符號Re表示。Re是一個無因次量。雷諾數(shù)小，意味著流體流動時各質(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，呈層流流動狀態(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）流動狀態(tài)，所以雷諾數(shù)大小決定了粘性流體流動特征。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第22頁血液流動層流和湍流

在正常生理情況下，循環(huán)系統(tǒng)血管中血液流動大都能夠近似為層流，僅在主動脈和肺動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?，則可能出現(xiàn)局部湍流血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第23頁血液流動基礎(chǔ)知識

二.

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

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

脈動流：紊流（湍流)中一點(diǎn)處某物理量圍繞其時間平均值隨機(jī)變動現(xiàn)象。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第25頁脈動流

脈動流：紊流（湍流)中一點(diǎn)處某物理量圍繞其時間平均值隨機(jī)變動現(xiàn)象。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第26頁Womersley數(shù)式中t為時間，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頁狗各血管段中Womersley數(shù)血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第28頁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。如在大動脈中α值大于10，而在毛細(xì)管中器數(shù)量級這為10-3.

在主動脈中，血液流動壓力和流速均含有很強(qiáng)脈動性，但越靠近外周血管中流動越趨于平穩(wěn)，在毛細(xì)管中流動普通視為定常流。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第29頁循環(huán)系統(tǒng)各部分血管血流平均速度及脈動分量血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第30頁第三節(jié)血液流動中血管阻抗血液流動中血管切應(yīng)力血管阻抗血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第31頁血液流動中血管切應(yīng)力血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第32頁Stokes公式血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第33頁管壁處切變力血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第34頁牛頓粘性定律血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第35頁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頁一.血液流動中血管切應(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）—圓管長度（m）—流體黏度（Pa·s）血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第38頁平均流速血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第39頁血液流動中血管壁切應(yīng)力

血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第40頁血管血流平均速度分布血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第41頁二．血管阻抗血管阻抗：血液循環(huán)中血液流動總是受到某種妨礙作用，血管阻抗是定量描述血液流動阻力參數(shù)。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第42頁流阻對于定常血液流動，長孔血管受到流動阻力被稱為流阻。

其中稱為流阻血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第43頁

血管流阻意義

流阻大小反應(yīng)了血液在血管中流動時所受阻力大小.流阻R與流量Q和壓力差無關(guān)參數(shù)，它取決于流體本身粘度、管長L和管徑。血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第44頁血管流阻其中管徑影響最大,當(dāng)血管長L一定時，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頁降低流阻方法1.擴(kuò)張血管（增加r)對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頁循環(huán)系統(tǒng)中阻力分布

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

阻力血管，如小動脈、微動脈舒張和收縮會對血管系統(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。普通來說，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)彈性一個物理量，是一個總稱，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頁楊氏模量對一根細(xì)桿施加一個拉力F，這個拉力除以桿截面積S，稱為“線應(yīng)力”，桿伸長量dL除以原長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頁剪切模量對一塊彈性體施加一個側(cè)向力f（通常是摩擦力），彈性體會由方形變成菱形，這個形變角度a稱為“剪切應(yīng)變”，對應(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頁體積模量對彈性體施加一個整體壓強(qiáng)p，這個壓強(qiáng)稱為體積應(yīng)力，彈性體體積降低許(-dV)除以原來體積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

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頁一.血管壁彈性模量血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第58頁血管壁彈性模量E血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第59頁彈性模量影響原因動脈血管壁彈性模量受年紀(jì)影響。在正常生理情況下，動脈血管壁彈性模量隨年紀(jì)增大而增大。比如，青年人胸主動脈管段E約為4×105~6×105N/m2，而年紀(jì)60歲以上老人胸主動脈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頁彈性模量影響原因動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

二.脈搏波傳輸速度

血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第62頁脈搏波脈搏波是心臟搏動(振動)沿動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頁脈搏波傳輸速度脈搏波傳輸速度c是指脈搏波由動脈一特定位置沿管壁傳輸至另一特定位置速率。這是一個用來反應(yīng)動脈彈性及可擴(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頁血液循環(huán)的力學(xué)基礎(chǔ)第66頁脈搏波速C

上式稱為Moens-Korteweg方程，簡稱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頁脈搏