循环系统动力学

循环系统动力学是生物力学的一个分支，其内容在于研究心血管系统中血液的流动规律，血液与血管壁相互作用以及血液与周围组织间的物质交换。
循环系统由心脏、动脉、毛细血管、静脉构成。心脏起肌肉泵的作用，推动血液流动；血管则为血液流动提供通道及与周围组织进行物质交换的场所。血液循环的主要任务是运输物质出入组织，保证机体新陈代谢顺利进行，并通过循环保证血液理化性质的恒定，对器官的机能起体液调节作用。
循环系统动力学采用力学和生理学的原理与方法，阐明血液的流动和物质交换的基本规律，分析心血管疾病产生的力学机理，为心血管疾病的诊断、防治提供科学依据及实用方法。循环系统动力学包括心脏力学，动脉中的血流动力学，微循环中的血液流动及静脉中的血流动力学等四大部分。
心脏力学 心脏是人体维持生命过程最重要的器官，受到生物电、神经活动、生化等过程的制约。但就工程或力学的观点看，心脏主要是一个生物泵，是驱动人体循环系统工作的动力源，与机械的往复泵类似。心脏力学的任务是：
❶研究心脏在心电激发下，通过心肌的收缩与松弛将生物化学能转化为机械能的过程；
❷研究心脏泵血的流体力学过程；
❸研究心脏瓣膜启闭的动力学过程；
❹研究心脏在工作过程中噪声发生的力学机制。
心脏泵血作功过程的研究主要靠实验。通常通过每搏氧耗量的测定推算出每搏提供的生化能量。心脏泵血所作的功可由图1所示的心室压力容积曲线所包围的面积算出。其中，压力由安装在漂浮导管始端的压力传感器测量，容积由超声心动图记录进行推算。心脏效率由下式计算：心脏效率=每搏泵血功/每搏生化能耗。研究心

图1 心室作功过程中的
压力-容积关系
脏泵血的流体力学过
程，可以通过数值计算
来进行，即在心壁运动
的条件下对泵血的非定
常流体动力学过程进行
数值分析。当前在分析
中需要假设心内壁是流
线面，并忽略血液粘性，
即认为在心壁收缩舒张
过程中，每一流线面上的血液质点始终保持，血液质点不发生掺混，从而保证溶血、凝血、血栓形成的可能性以及泵血过程中内部流动的能耗都较小。这种假设的根据在于心脏是自然界长期优选的产物。
瓣膜的性能是影响心脏泵血功能的一个关键因素，如同机械泵中的阀门一样。一个理想的单向阀门，其正向压差损失及反向回流量应尽可能小，启闭响应应尽可能快。健康人的瓣膜是一个性能优良的单向阀，开启后血液阻力不大，而在出现逆向压力梯度后则迅速关闭，回流量很小。瓣膜主要由胶原纤维构成，本身质量很轻，故而启闭的过程较短，动态响应很好。一个动力学性能不佳的瓣膜，特别是关闭不全而有大回流的瓣膜，将大大降低心脏泵血功能，引起疾病。
瓣膜的运动，完全由血流的流体动力、瓣膜的弹性力和惯性力所制约。心脏乳突肌的作用是防止心室收缩因压力过大而引起瓣膜翻转。关于瓣膜关闭的流体力学机制，有旋涡理论、一维非定常理论等，并在不断完善。主动脉附
近的流场如图2所
示。假定瓣膜轻而
柔顺，则流体只能
在切向上与瓣膜相
对滑移。采用流体
动力学方程组，可
以对瓣膜附近的速
度场随时空的变化
进行数值分析，并
标出瓣膜的位置。
图2 主动脉瓣附近的流场
心脏的瓣膜运动和血流的波动，将通过人体组织向外传出声波和噪声，是无创诊断心血管疾病的重要信息。区别性能优良的、一般的以及病理性心脏的泵血动力学过程，是心脏力学的长期目标。
动脉的血液流动 (1)脉动流：脉动流指血流的压力和流量是脉动的，并以流体波的形式向前传输。心脏的泵血过程是间歇脉冲性的，它必然决定循环系统内的血液流动是脉动性的。图3表示了沿哺乳动物主动脉从近心端向远心端记录到的压力波和流速波波形曲线。
脉动流的研究任务是：
❶确定脉动血流的压力波和流速（或流量）波之间的关系；
❷研究动脉血流的速度分布、切应力分布、湍流和旋涡的发展以及它们对心血管疾病的作用；
❸研究血流的压力波和流量波的时空分布，即传输过程；
❹提取人体上某些部位血管的压力波或流速波作为信息源，对其
在时域或频域的特
征进行处理，从而
反推这些信息的动
力学根源，即心血
管或脏器的生理病
理原因造成的种种
力学参量变化。
脉动流的理论

研究始于Thomag
Young ( 1773～
图3 动脉压力波和流速波
1829)，他最早得到了脉搏波的波速
E是管壁弹性模量，h是管壁壁厚，ρ是血液密度，R是血管半径。1898年，Otto Frank首先针对心血管的脉动现象进行了定量分析。他把整个心血管处理为一个弹性腔室沿血管分布的摩擦阻力则集中在弹性腔的出口处。弹性腔理论虽然简单，但是能够解释一些心血管的生理现象。本世纪五十年代，Womersley等人对流体力学方程进行线性化，并在血管壁是弹性薄壁圆管的假设之下对血管的脉动流进行了分析研究，并得到了压力波与流速波之间关系等早期结果。此后，脉动流研究向流动的非线性修正、厚壁管效应以及管壁的粘弹性影响等方面进一步深入。也有人将心血管系统视为一个网络，从实验和理论上研究流体波的传输机理，包括采用动物实验、水力模拟和电模拟等方法。近年来，由于电子计算机的发展，采用各种数值方法对人体心血管系统进行数值模拟的工作也在进行之中。但是，在临床诊断上，特别是在心血管疾病的无创伤检测上，如何利用脉动流的研究成果并没有明显进展。
(2) 复杂血管内的流场分析：某些重要的心血管疾病，例如动脉粥样硬化和血栓，其发病机制与血液流动的动力学特性(流动分离、涡流、壁面切应力)密切相关。因此研究狭窄、弯曲、分叉等复杂血管内的流场，具有重大的生理病理意义。近几十年来，已有大量这方面的研究工作，并取得了较大进展。
微循环中的血液流动 微动脉、毛细血管、微静脉中的血液流动称为微循环。微循环的中心问题是血流的阻力、血液和组织之间的传质过程、以及微动脉平滑肌对微循环血流的控制调节作用。微循环的阻力占整个循环的90%左右，因此，微循环血流的机械能损耗，决定了心脏输出功率。主要在毛细血管壁进行的血液和组织之间的物质交换是生命得以维持的基础，这种物质交换与微循环内血液流动密切相关。微动脉的平滑肌能主动收缩，从而对组织的血流灌注实行有效控制，以满足不同生理条件下组织和器官的代谢需要。可见，微循环内血液流动的研究无论对于心脏输出功能，还是对于血液-组织的物质交换以及循环系统的调节控制，都具有重要意义。
在<300μm以下的微动脉和微静脉中，存在着一系列大血管中所没有的现象，这些现象可归纳为：
(1)血浆层：当血液在较细血管中流动时，管壁附近存在着一个基本上没有血细胞而只有血浆的区域，这个细胞稀少区域称为血浆层。血浆层的形成与细胞聚集密切相关。当血液在微血管内流动时，管壁附近的红细胞会受到垂直于管壁方向的力，从而向管轴方向移动，这种现象称为红细胞的轴向聚集。当红细胞向轴向迁移时，将出现血浆层。关于轴向聚集的机理迄今存在着各种理论，但都未得到公认。血浆层的厚度（微米的数量级）与平均速度、血管直径以及血球压积有关，当平均速度增加，或血管直径和红细胞压积减小时，血浆层的厚度将增大。由于血浆粘度小于全血粘度，因此血浆层的存在将导致表观粘度和阻力的减少，即在同一压降下，流量将增加。
(2) Fahraeus效应和Fahraeus-Lindqvist效应：1929年Fahraeus发现，当血液从较大的容器流进较小的管子时，若容器内红细胞的压积不变，则小管内红细胞压积随管径减小而降低，这个效应称为Fahraeus效应。
1931年Fahraeus和Lindqvist通过实验发现，当管径>1mm时，测得的表观粘度与管径大小无关； 当管径<1mm时，所得的表观粘度随管径变小而降低，这种现象称为Fahraeus-Lindqvist效应。Fahraeus-Lindqvist效应可用Fahraeus效应解释。因管径减小，血球比积降低，必然导致血液表观粘度变小。这个结论被实验证实。
血液从大管流向小管时血细胞压积降低的原因有：
❶母管流向支管的血液，一部分来自母管壁面附近的血浆层，所以流进支管的血液，其压积低于母管；
❷入口处的影响。当红细胞主轴和支管轴线平行时，红细胞比较容易进入支管，当和支管轴线垂直时，则较难进入；
❸红细胞和血浆间有相对运动。若血细胞和血流的平均速度分别为VC和VM(且VC>VM)，大管和小管的压积分别为HF和HT，小管的横截面积为A，则VMAHF=VCAHT，即
于是由VC>VM可推出HT(3)微血管的自律性运动：观察健康人的微动脉，可以看到其直径周期性变化。这是由于管壁平滑肌能主动收缩的原故。自律性运动是受神经控制，还是受体液控制；以血压为控制信息，还是以含氧量为控制信息；自律性运动对血流和物质传输有什么影响，这些问题都有待进一步研究。
在毛细血管中主要的力学问题有：
❶团流(Bolusflow):当红细胞直径与毛细血管直径相当或较之更小些时，红细胞往往是孤立地或成串地排着队从毛细血管中挤过去，细胞与细胞之间由血浆间隙区隔开，血浆相对于血细胞作往复的环流运动，这种运动称为团流。团流对流动阻力有显著影响，但对氧的扩散无太大影响，因为扩散的效应比回流要快得多；
❷逆Fahraeus-Lindqvist效应和逆Fahraeus效应：当管径小于红细胞直径时，红细胞运动带来相当大的附加压降。管径越小，这种阻力越大，所以，当管径小于红细胞的直径时，血液的表观粘度必随管径减小而升高，这就是逆Fahraeus-Lindqvist效应。管径与红细胞直径相当或更小时，管内红细胞压积可等于或大于贮存器内的红细胞压积，这种现象称为逆Fahrae-us效应；
❸血液和组织之间通过毛细血管壁的物质交换：主要有三种形式，即气体可溶于脂类的物质，可从毛细血管壁任何地方通过，基本上是壁两侧该组分浓度梯度引起的扩散流；水及可溶于水的低分子量溶质，主要通过内皮膜上的孔隙进行传输，可以是壁内、外静压梯度引起的强迫对流，或是壁内、外某组分浓度梯度引起的扩散流； 不溶于脂类的大分子物质通过内皮细胞中的囊胞进行载体传输。近年来建立了多种理论模型，对毛细血管内血液与组织的物质交换进行了广泛的研究；
❹片流理论(shet flow):为了处理肺循环中的血液流动，冯元桢和Sobin发展了一种片流理论，他们认为，胞间膜由两片平行的弹性薄膜和规则排列的支柱构成，整个片层空间都有毛细血流通过。血压增大时，薄膜会鼓起来，增大了薄膜的厚度。
静脉的血液流动 静脉系统血容量占人体总血容量的80%，因此，静脉中血液流动规律的研究在整个循环系统动力学占有重要地位。和动脉血流相比，静脉血流主要有以下特点：
❶血液在静脉内的压力低于同一高度动脉内的压力；
❷管壁较薄，管截面的面积变化较动脉大；
❸静脉血流的脉动性比动脉小得多；
❹静脉血流由外周流入心脏；
❺除腔静脉外，静脉内有瓣膜，以防止血液倒流。
在静脉血流中，流体压力小于外部压力的情况经常发生。此时，由于静脉管壁薄，静脉管因失稳而塌陷。可坍管内血流的特点，是当管内流速超过某一临界值后会产生自激振荡及“瀑布”现象，即经过静脉管的血流量仅取决于进口端上游压力，而与出口端下游压力无关，就如瀑布流量仅决定于瀑布的顶端，而与高度无关一样。可坍管流动不仅出现在静脉血流中，而且在气道的空气流动、动脉内的Korotkov声以及尿道流动中也会遇到。近年来，国内外许多学者对它进行了大量的实验和理论研究。