第六章 血液循环的力学基础优秀课件.ppt

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1、第六章 血液循环的力学基础第1页，本讲稿共72页第一节第一节 血液循环系统血液循环系统 定义定义：一般所说的循环系统指的是心血管系统。一般所说的循环系统指的是心血管系统。心血管心血管系统系统（systemacardiovaschlare）包括心脏、动脉、毛细）包括心脏、动脉、毛细血管和静脉，是一个完整的封闭血管和静脉，是一个完整的封闭的循环管道，它以心脏为中心通过的循环管道，它以心脏为中心通过血管血管与全身各与全身各器官器官、组织相连，组织相连，血液血液在其中循环流动。在其中循环流动。血液循环系统由血液、血管和心脏血液循环系统由血液、血管和心脏组成组成。第2页，本讲稿共72页血液循环系统血液循

2、环系统体循环肺循环第3页，本讲稿共72页体循环体循环（大循环）（大循环）体循环体循环（大循环）（大循环）：血液由左心室射出经血液由左心室射出经主动脉及其各级主动脉及其各级分支分支流到全身的毛细血管，流到全身的毛细血管，在此与在此与组织液组织液进行物质交换，供给组织细进行物质交换，供给组织细胞氧和胞氧和营养物质营养物质，运走二氧化碳和，运走二氧化碳和代谢产代谢产物物，动脉血变为，动脉血变为静脉血静脉血；再汇合成上、下；再汇合成上、下腔静脉流回右腔静脉流回右心房心房，这一循环为体循环。，这一循环为体循环。第4页，本讲稿共72页肺循环(小循环小循环)肺循环肺循环(小循环小循环)：血液由血液由右心室右

3、心室射出经肺动射出经肺动脉流到肺毛细血管，在此与肺泡气进行脉流到肺毛细血管，在此与肺泡气进行气气体交换体交换，吸收氧并排出二氧化碳，静脉血，吸收氧并排出二氧化碳，静脉血变为变为动脉血动脉血；然后经；然后经肺静脉肺静脉流回左心房，流回左心房，这一循环为肺循环。这一循环为肺循环。第5页，本讲稿共72页血液循环系统的特点血液循环系统的特点首先从结构上，血管网络是一个高度枝化的系统。从心脏出发，动脉逐级分支，管径逐级变细，直至毛细管呈网状密布于全身。然后逐级汇集成静脉，逐级变粗返回心脏。第6页，本讲稿共72页血液循环系统的特点血液循环系统的特点 血管主要由弹性纤维、胶原纤维、平滑肌组成，远离心脏，血管

4、管壁中弹性纤维成分越少，胶原纤维成分增加，平滑肌所占成分也增加。第7页，本讲稿共72页循环系统各部分血管的血压分布循环系统各部分血管的血压分布第8页，本讲稿共72页血压分布的特点血压分布的特点1.血管中的压力是脉动的；2.动脉中的脉动要大于静脉和毛细管中 的脉动；3.在小静脉处压力下降最为明显；第9页，本讲稿共72页血液循环主要功能及重要性血液循环主要功能及重要性血液循环的主要功能是完成体内的物质运输。血血液循环的主要功能是完成体内的物质运输。血液循环一旦停止，机体各器官组织将因失去正常的液循环一旦停止，机体各器官组织将因失去正常的物物质转运质转运而发生新陈代谢的障碍。同时体内一些重要而发生新

5、陈代谢的障碍。同时体内一些重要器官的结构和功能将受到损害，尤其是对缺氧敏感器官的结构和功能将受到损害，尤其是对缺氧敏感的的大脑皮层大脑皮层，只要大脑中血液循环停止，只要大脑中血液循环停止34分钟，人分钟，人就丧失就丧失意识意识，血液循环停止，血液循环停止45分钟，半数以上的人分钟，半数以上的人发生永久性的脑损害，停止发生永久性的脑损害，停止10分钟，即使不是全部智分钟，即使不是全部智力毁掉，也会毁掉绝大部分。力毁掉，也会毁掉绝大部分。第10页，本讲稿共72页血液循环主要功能及重要性血液循环主要功能及重要性 临床临床上的体外循环方法就是在进行心上的体外循环方法就是在进行心脏脏外科外科手术时，保持

6、病人周身血液不停地手术时，保持病人周身血液不停地流动。对各种原因造成的心跳骤停病人，流动。对各种原因造成的心跳骤停病人，紧急采用的心脏按摩（又称心脏挤压）等紧急采用的心脏按摩（又称心脏挤压）等方法也是为了代替心脏方法也是为了代替心脏自动节律性自动节律性活动以活动以达到维持循环和促使心脏恢复节律性跳动达到维持循环和促使心脏恢复节律性跳动的目的。的目的。第11页，本讲稿共72页心脏挤压实施方法心脏挤压实施方法 发现意识消失、心跳停止时，要立即施行心脏挤压。其方法是：取患者胸骨下三分之一的位置，急救人员用右手(也可用左手)手掌压在该手手背上，保持肘臂垂直向脊柱方向进行挤压。用力不宜过大，以每次挤压使

7、胸骨下陷35厘米为度。压后应立即放松。如此反复进行。频率为70-80次/分左右。注意手掌始终不要脱离胸骨。第12页，本讲稿共72页 第二节第二节 血液流动基础知识血液流动基础知识第13页，本讲稿共72页一血液流动的层流和湍流一血液流动的层流和湍流 第14页，本讲稿共72页层流层流层流层流：由于粘性的存在由于粘性的存在,在管道中流动的流在管道中流动的流体自然的出现了分层流动体自然的出现了分层流动,各层流体只作相各层流体只作相对滑动而彼此不相混合对滑动而彼此不相混合,这种现象称为这种现象称为层流层流.第15页，本讲稿共72页 基本概念基本概念 层流层流第16页，本讲稿共72页由于黏性的存在由于黏性

8、的存在,在管道中流动的流体自然的出现了分层流动在管道中流动的流体自然的出现了分层流动,各各层流体只作相对滑动而彼此不相混合层流体只作相对滑动而彼此不相混合,这种现象称为这种现象称为层流层流层流层流.第17页，本讲稿共72页湍 流 tun li 第18页，本讲稿共72页湍 流 当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。第19页，本讲稿共72页湍流湍流：速度、压强等流动要素随时间和空间作随机变化，质点轨迹曲折杂乱、互相混掺的流体运动。第20

9、页，本讲稿共72页雷诺数雷诺数雷诺数（Reynolds number）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示，Re=vr/其中v、分别为流体的流速、密度与黏性系数，r为一特征线度。例如流体流过圆形管道，则r为管道半径。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流。第21页，本讲稿共72页雷诺数雷诺数 一个判断流体做层流还是湍流的数一个判断流体做层流还是湍流的数字字.其中：其中：r r-流体的密度流体的密度 r -流管的半径流管的半径 v-流体的平均流速流体的平均流速 -流体的黏度流体的黏度 Re-雷诺数（无单位）雷诺数（无单位）0 Re 2300 湍流湍流 在刚性管道中流动在刚性管道中流动

10、,雷诺数的临界范围雷诺数的临界范围：第22页，本讲稿共72页雷诺数和流动状态雷诺数和流动状态流体流动时的惯性力流体流动时的惯性力Fg和粘性力和粘性力(内摩擦力内摩擦力)Fm之比称之比称为雷诺数。用符号为雷诺数。用符号Re表示。表示。Re是一个无因次量。是一个无因次量。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于力占主要地位，流体各质点平行于管路管路内壁有规则内壁有规则地流动，呈地流动，呈层流层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈占主要地位，流体呈紊流紊流（也称湍流）流动状态，（也称

11、湍流）流动状态，因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。第23页，本讲稿共72页血液流动的层流和湍流 在正常生理情况下，循环系统血管中的血液流动大在正常生理情况下，循环系统血管中的血液流动大都可以近似为层流，仅在主动脉和肺动脉瓣的出口处有都可以近似为层流，仅在主动脉和肺动脉瓣的出口处有可能出现局部的湍流。在某些病例情况下，例如血管局可能出现局部的湍流。在某些病例情况下，例如血管局部狭窄使当地流速变化，则可能出现局部湍流部狭窄使当地流速变化，则可能出现局部湍流第24页，本讲稿共72页血液流动基础知识血液流动基础知识 二二.血液的血液的定常流定常流和和脉

12、动流脉动流第25页，本讲稿共72页基本概念基本概念 定常流动（定常流动（steady flow）定常流：流场中任一点的流动参数（压力，速度和密度等）不随时间变化的流动 脉动流：紊流（湍流)中一点处某物理量围绕其时间平均值随机变动的现象。第26页，本讲稿共72页脉动流 脉动流：紊流（湍流)中一点处某物理量围绕其时间平均值随机变动的现象。第27页，本讲稿共72页Womersley数数式中式中t为时间，为时间，为为振振荡荡角角频频率，（率，（P）0是压力差的幅是压力差的幅值。值。式中式中d为管直径，为管直径，为流体粘度，为流体粘度，为流体的密度。为流体的密度。第28页，本讲稿共72页狗的各血管段中的

13、Womersley数数第29页，本讲稿共72页Womersley数数 在血液循环中，在不同血管中，在血液循环中，在不同血管中，值在相当大的范值在相当大的范围内变动。如在大动脉中围内变动。如在大动脉中值大于值大于10，而在毛细管中，而在毛细管中器数量级这为器数量级这为10-3.在主动脉中，血液流动的压力和流速均具有很强的脉在主动脉中，血液流动的压力和流速均具有很强的脉动性，但越接近外周血管中的流动越趋于平稳，在毛细管动性，但越接近外周血管中的流动越趋于平稳，在毛细管中的流动一般视为定常流。中的流动一般视为定常流。第30页，本讲稿共72页循环系统各部分血管的血流平均速度及脉动分量循环系统各部分血管

14、的血流平均速度及脉动分量第31页，本讲稿共72页第三节 血液流动中的血管阻抗一一.血液流动中血管的切应力血液流动中血管的切应力一一.血管阻抗血管阻抗第32页，本讲稿共72页血液流动中血管的切应力血液流动中血管的切应力第33页，本讲稿共72页Stokes 公式第34页，本讲稿共72页管壁处切变力第35页，本讲稿共72页牛顿粘性定律第36页，本讲稿共72页牛顿流体在圆管中层流的速度分布第37页，本讲稿共72页血管壁的速度和切应力血管壁的速度和切应力第38页，本讲稿共72页一一.血液流动中血管的切应力血液流动中血管的切应力泊肃叶定律泊肃叶定律 圆管两端压强差（圆管两端压强差（Pa）流量（流量（m3/

15、s）其中：圆管半径（圆管半径（m）圆管长度（圆管长度（m）流体的黏度（流体的黏度（Pas）第39页，本讲稿共72页平均流速平均流速第40页，本讲稿共72页血液流动中血管壁的切应力血液流动中血管壁的切应力第41页，本讲稿共72页血管血流血管血流平均平均速度分布速度分布第42页，本讲稿共72页二血管阻抗二血管阻抗血管阻抗血管阻抗：血液循环中血液的流动总是受：血液循环中血液的流动总是受到某种阻碍作用，血管阻抗是定量描述血到某种阻碍作用，血管阻抗是定量描述血液流动阻力的参数。液流动阻力的参数。第43页，本讲稿共72页流阻流阻对于定常血液流动，长孔的血管受到的流动阻力被称为流阻。其中称为称为流阻流阻第4

16、4页，本讲稿共72页 血管流阻的意义血管流阻的意义 流阻的大小反映了血液在血管中流动时所受阻力流阻的大小反映了血液在血管中流动时所受阻力的大小的大小.流阻流阻R与流量与流量Q和压力差无关的参数，它取决于流体本和压力差无关的参数，它取决于流体本身的粘度、管长身的粘度、管长L和管径。和管径。第45页，本讲稿共72页血管流阻其中管径的影响最大其中管径的影响最大,当血管长当血管长L一定时，粘度不变，一定时，粘度不变，表明若管径增加表明若管径增加1%，则流阻，则流阻R减少减少4%，而流阻，而流阻R的的减少会导致流量减少会导致流量Q的增加或压差下降。的增加或压差下降。第46页，本讲稿共72页降低流阻的方法

17、降低流阻的方法1.扩张血管（增加扩张血管（增加r)对于增加血液流量和对于增加血液流量和降低血压十分有效。降低血压十分有效。2.降低血液粘度也能有效控制血管阻力降低血液粘度也能有效控制血管阻力的增高的增高第47页，本讲稿共72页循环系统中的阻力分布 有上式可见流动阻力主要集中在小动脉和毛细血管中，尤其有上式可见流动阻力主要集中在小动脉和毛细血管中，尤其是小动脉站整个阻力的是小动脉站整个阻力的41%，通常用，通常用“外周阻力外周阻力”表示小动表示小动脉的阻力。脉的阻力。第48页，本讲稿共72页流阻的并联流阻的并联第49页，本讲稿共72页流阻的串联流阻的串联第50页，本讲稿共72页2.影响血管阻抗的

18、因素1.阻力血管的收缩和舒张阻力血管的收缩和舒张 阻力血管，如小动脉、微动脉的舒张和收缩会对血管阻力血管，如小动脉、微动脉的舒张和收缩会对血管系统的外周阻力产生很大影响。系统的外周阻力产生很大影响。2.血管弹性特性的改变血管弹性特性的改变 血管弹性模量的增大将增加脉搏波的波速。一血管弹性模量的增大将增加脉搏波的波速。一般来说，在血管截面积保持不变的情况下，血管弹般来说，在血管截面积保持不变的情况下，血管弹性模量的增大使血管阻抗增大。性模量的增大使血管阻抗增大。3.血管横截面积的变化血管横截面积的变化 血管横截面积的变化将导致血管特性阻抗的变化。血管横截面积的变化将导致血管特性阻抗的变化。在血管

19、弹性模量保持不变的情况下，血管半径增大将在血管弹性模量保持不变的情况下，血管半径增大将使特性阻抗减小，使特性阻抗减小，第51页，本讲稿共72页第四节 脉搏波一一.血管壁的弹性模量血管壁的弹性模量二二.脉搏波的传播速度脉搏波的传播速度第52页，本讲稿共72页弹性模量弹性模量定义：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。“弹性模量”是描述物质弹性的一个物理量，是一个总称，包括“杨氏模量”、“剪切模量”、“体积模量”等。第53页，本讲稿共72页杨氏模量对一根细杆施加一个 拉力F，这个拉力除以杆的截面积S，称为“线应力”，杆的伸长量dL除以原长L，称为“

20、线应变”。线应力除以线应变就等于杨氏模量E=(F/S)/(dL/L)第54页，本讲稿共72页剪切模量对一块弹性体施加一个侧向的力f（通常是摩擦力），弹性体会由方形变成菱形，这个形变的 角度a称为“剪切应变”，相应的力f除以受力面积S称为“剪切应力，剪切应力除以剪切应变就等于剪切模量G=(f/S)/a 第55页，本讲稿共72页体积模量对弹性体施加一个整体的压强p，这个压强称为体积应力，弹性体的体积减少量(-dV)除以原来的体积V称为“体积应变”，体积应力除以体积应变就等于体积模量:K=P/(-dV/V)第56页，本讲稿共72页 弹性模量的意义弹性模量弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难可视为衡量

21、材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料的刚性定弹性变形的应力也越大，即材料的刚性越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。变形越小。弹性模量弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚性。中的刚性。第57页，本讲稿共72页一一.血管壁的弹性模量血管壁的弹性模量血管壁微元的张力第58页，本讲稿共72页一一.

22、血管壁的弹性模量血管壁的弹性模量第59页，本讲稿共72页血管壁的弹性模量E第60页，本讲稿共72页弹性模量的影响因素动脉血管壁的弹性模量受年龄影响。在正常生理情况下，动脉血管壁的弹性模量随年龄的增大而增大。例如，青年人胸主动脉管段E约为41056105 N/m2，而年龄60岁以上老人胸主动脉的E值可达20105 N/m2，其E值大是因为血管壁内的弹性纤维变性，胶原纤维增多，管壁增厚等老年性变化所致。第61页，本讲稿共72页弹性模量的影响因素动脉血管壁的弹性模量受血管位置和病理变化的影响。E在远离心脏的方向增大是弹性纤维成分减少所致。此外，动脉管壁的弹性模量还将随血管内的压力和尺寸而变化。第62

23、页，本讲稿共72页 二.脉搏波的传播速度 第63页，本讲稿共72页脉搏波脉搏波是心脏的搏动(振动)沿动脉血管和血流向外周传播而形成的，因此其传播速度取决于传播介质的物理和几何性质-动脉的弹性、管腔的大小、血液的密度和粘性等。第64页，本讲稿共72页脉搏波的传播速度脉搏波传播速度c是指脉搏波由动脉的一特定位置沿管壁传播至另一特定的位置的速率。这是一个用来反映动脉弹性及可扩张的非侵入性指标，c 值越高表明血管壁越硬。第65页，本讲稿共72页脉搏波的传播速度其中，其中，K为血管壁的体积弹性模量，为血管壁的体积弹性模量，为血液密度。为血液密度。C为脉搏波速。为脉搏波速。第66页，本讲稿共72页第67页

24、，本讲稿共72页脉搏波速C 上式称为上式称为Moens-Korteweg方方程，简称程，简称M-K方程。脉搏波传方程。脉搏波传播速度主要取决于血管壁的弹播速度主要取决于血管壁的弹性模量性模量E。c值越高表明血管壁值越高表明血管壁越硬越硬。第68页，本讲稿共72页脉搏波的传播速度随年龄的增加而增加，例如，5岁左右的儿童主动脉中的压力波传播速度约为500cm/s,而80岁左右的老人的脉搏波的传播速度则为860cm/s.随年龄的增加，动脉壁的弹性减弱而刚性增加，使脉搏波的传播速度加快。儿童主动脉中的压力波传播速度约500cm/s，而到小动脉则可达8001000cm/s.小动脉壁的弹性比主动脉要差得多

25、，因此波的传播速度增加。第69页，本讲稿共72页第五节 静脉血液流动的特点和动脉血流比，静脉血流的特点为：和动脉血流比，静脉血流的特点为：1.静脉血管壁很薄，厚度静脉血管壁很薄，厚度-半径比（半径比（h/R）比动脉血管小）比动脉血管小得多，这个比值在不同血管中的比较如下：得多，这个比值在不同血管中的比较如下：主动脉：主动脉：0.16 动脉：动脉：0.25 小动脉：小动脉：0.75 大静脉：大静脉：0.10 静脉：静脉：0.20 小静脉：小静脉：0.10 可见静脉血管比动脉血管更符合薄壁管的假设。可见静脉血管比动脉血管更符合薄壁管的假设。2.静脉血管中的血液压力低于同一高度动脉内的血液压静脉血管

26、中的血液压力低于同一高度动脉内的血液压力，甚至低于大气压力。力，甚至低于大气压力。第70页，本讲稿共72页静脉血液流动的特点3.静脉血管弹性模量（静脉血管弹性模量（E）比较低，加上血管壁很薄，故）比较低，加上血管壁很薄，故静脉血管的截面刚度较小，很容易被管外压力压塌，会静脉血管的截面刚度较小，很容易被管外压力压塌，会产生可塌陷管的失稳现象。产生可塌陷管的失稳现象。4.管壁的流动切变率较低，如较大的静脉里平均切变率管壁的流动切变率较低，如较大的静脉里平均切变率约为约为130s-1，腔静脉内的平均切变率约为，腔静脉内的平均切变率约为40s-1，因此，因此静脉管内血液的非牛顿效应显著。静脉管内血液的

27、非牛顿效应显著。5.在静脉血管中波的传播速度很低，因为波速与在静脉血管中波的传播速度很低，因为波速与 和和 成正比。成正比。第71页，本讲稿共72页静脉中的血液流动 6.静脉血流的脉动性比动脉血流小得多，可近似作定常层流。静脉血流的脉动性比动脉血流小得多，可近似作定常层流。但静脉血流脉动性状比较复但静脉血流脉动性状比较复 杂，因而它源自：杂，因而它源自：由毛细血由毛细血管传来的左管传来的左 心室搏动；心室搏动；来自右心房的搏动；来自右心房的搏动；呼吸呼吸 运运动或肌肉收缩动或肌肉收缩-松弛引起的脉动，是三者松弛引起的脉动，是三者 的综合。的综合。7.几乎所有远支静脉都有瓣膜，它使得静脉流动的几乎所有远支静脉都有瓣膜，它使得静脉流动的性能大大复杂化了。性能大大复杂化了。总之，静脉血流的力学问题要比动脉血流复杂得多，总之，静脉血流的力学问题要比动脉血流复杂得多，大的特点是：静脉血流会产生可塌陷管流动，具有大的特点是：静脉血流会产生可塌陷管流动，具有高度的非线性。高度的非线性。第72页，本讲稿共72页