第六章 血液循环的力学基础

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• 肺循环(小循环):血液由右心室射出经肺动 脉流到肺毛细血管,在此与肺泡气进行气 体交换,吸收氧并排出二氧化碳,静脉血 变为动脉血;然后经肺静脉流回左心房, 这一循环为肺循环。
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。
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,例如血管局部狭窄使当地流速变化,则
可能出现局部湍流
血液流动基础知识
二. 血液的定常流和脉动流
基本概念
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
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。 血液循环一旦停止,机体各器官组织将因失去正 常的物质转运而发生新陈代谢的障碍。同时体内 一些重要器官的结构和功能将受到损害,尤其是 对缺氧敏感的大脑皮层,只要大脑中血液循环停 止3~4分钟,人就丧失意识,血液循环停止4~5 分钟,半数以上的人发生永久性的脑损害,停止 10分钟,即使不是全部智力毁掉,也会毁掉绝大 部分。
第六 章
血液循环的力学基础
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第一节 血液循环系统
• 定义:一般所说的循环系统指的是心血管系统。 心血管系统(systemacardiovaschlare)包括心脏、 动脉、毛细血管和静脉,是一个完整的封闭 • 的循环管道,它以心脏为中心通过血管与全身各
• 器官、组织相连,血液在其中循环流动。
• 血液循环系统由血液、血管和心脏组成。
第二节 血液流动基础知识

一.血液流动的层流和湍流
层流
• 层流: 由于粘性的存在,在管道中流动的流 体自然的出现了分层流动,各层流体只作相 对滑动而彼此不相混合,这种现象称为层流.
基本概念
层流
由于黏性的存在,在管道中流动的流体自然的出现了分 层流动,各层流体只作相对滑动而彼此不相混合,这种现 象称为层流.
vr Re
其中: -流体的密度 r -流管的半径 v -流体的平均流速 -流体的黏度 Re-雷诺数(无单位)
在刚性管道中流动,雷诺数的临界范围:
0 < Re < 2300 层流 Re > 2300 湍流
雷诺数和流动状态
• 流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之 比称为雷诺数。用符号Re表示。Re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 性力占主要地位,流体各质点平行于管路内壁有 规则地流动,呈层流流动状态。雷诺数大,意味 着惯性力占主要地位,流体呈紊流(也称湍流) 流动状态,因此雷诺数的大小决定了粘性流体的 流动特性。

循环系统各部分血管的血流平均速度及脉动 分量
第三节 血液流动中的血管阻抗
一.血液流动中血管的切应力
一.血管阻抗
血液流动中血管的切应力
Stokes 公式
管壁处切变力
牛顿粘性定律
牛顿流体在圆管中层流的速度分布
血管壁的速度和切应力
一.血液流动中血管的切应力
泊肃叶定律
πR Q ( p1 - p2 ) 8 L
其中:
4
Q
— 流量(m3/s)
R
L
p1 - p2
— 圆管半径(m)
— 圆管长度(m) — 圆管两端压强差(Pa) — 流体的黏度(Pa· s)

平均流速
Q v πR 2
( p1 - p2 ) R 2 8L 1 vm 2
血液流动中血管壁的切应力
8u T d
0
2u T d
1
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=ρvr/η
• 其中v、ρ、η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 。
雷诺数 — 一个判断流体做层流还是湍流的 数字.
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。
• • •
二. 脉搏波的传播速度
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。
血液循环主要功能及重要性
• 临床上的体外循环方法就是在进行心 脏外科手术时,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, 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自动节律性活动以 达到维持循环和促使心脏恢复节律性跳动 的目的。
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,以每次挤压使胸骨下 陷3~5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。
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“线应变”。线应力 除以线应变就等于杨氏模量E=( F/S)/(dL/L)
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
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。
脉搏波的传播速度
• 其中,K为血管壁的体积弹性模量, 为血液密度。C为脉搏波速。
V A r rdp K dp dp dp dV dA 2 rdr 2dr
狗的各血管段中的Womersley数
Womersley数

在血液循环中,在不同血管中,α值在相当大 的范围内变动。如在大动脉中α值大于10,而在毛 细管中器数量级这为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。
2
Eh K 2r
脉搏波速C
c Eh 2r
上式称为Moens-Korteweg方 程,简称M-K方程。脉搏波传 播速度主要取决于血管壁的弹 性模量E。c值越高表明血管壁 越硬。
• 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800~1000cm/s.小动脉壁的弹性比主动脉要差得多, 因此波的传播速度增加。
流阻的串联 R R R R
1 2
n
2.影响血管阻抗的因素
• 1.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 管弹性模量的增大使血管阻抗增大。
பைடு நூலகம்
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。
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。
Womersley数
p p sin t
0
• 式中t为时间,ω为振荡角频率,(△P)0是压力 差的幅值。
d 2
• 式中d为管直径,η为流体粘度,ρ为流体的密度。
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。
循环系统各部分血管的血压分布
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;
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)
弹性模量的意义
• 弹性模量可视为衡量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 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 变形越小。 • 弹性模量E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 抗弹性变形能力的指标,相当于普通弹簧 中的刚性。
一.血管壁的弹性模量
血管壁微元的张力
一.血管壁的弹性模量
r - r1 r - r1
r1 r1
T r-r r Eh
1 c 1
血管壁的弹性模量E
T p - p r
C 1 2
p - p r r E r - r h
1 2 1 1
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 4×105~6×105 N/m2,而年龄60岁以上老人 胸主动脉的E值可达20×105 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。
湍 流 tuān liú
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。
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。
• 3.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。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,
第四节 脉搏波
• 一.血管壁的弹性模量
• 二. 脉搏波的传播速度
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。
max
血管血流平均速度分布
30cm/s 速度
900cm2 5cm/s 速度 面积
3cm2 主动脉
1mm/s 毛细血管
18cm2 腔静脉
二.血管阻抗
• 血管阻抗: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 液流动阻力的参数。
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。
血液循环系统
• 体循环 • 肺循环
体循环(大循环)
• • 体循环(大循环):血液由左心室射出经
主动脉及其各级分支流到全身的毛细血管, 在此与组织液进行物质交换,供给组织细 胞氧和营养物质,运走二氧化碳和代谢产 物,动脉血变为静脉血;再汇合成上、下 腔静脉流回右心房,这一循环为体循环。
肺循环(小循环)
降低流阻的方法
• 1. 扩张血管(增加r)对于增加血液流量和 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 的增高
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 其是小动脉站整个阻力的41%,通常用“外周阻力”表示 小动脉的阻力。
流阻的并联
1 1 1 1 R R1 R2 Rn
P Q Rf
其中
8 L Rf 4 πR
称为流阻
流阻的大小反映了血液在血管中流动时所受阻 力的大小. 流阻R与流量Q和压力差无关的参数,它取决于流 体本身的粘度、管长L和管径。
血管流阻
其中管径的影响最大, 当血管长L一定时,粘度 不变,
dR dr -4 R r
表明若管径增加1%,则流阻R减少4%,而流 阻R的减少会导致流量Q的增加或压差下降。
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