（流体力学专业论文）微循环网络模型及其在中医心气虚证中的应用.pdf

擞箨环簿绦挨整爱葵在孛嚣心气虚证每豹瘟臻 中文摘要 心气虚的主黉桶床表现为：心悸，胸闷，气短，或脊自汗，活动精诸瘫加莛， 面纯淡臼，舌淡解有齿瘸，舌豁囱，承肿，脉寝等。在西缀f 涵床上，心气虚诞恚 者的斑滚滚变学魁全盘魄慈发、焱浆毙糕嶷、全盘还露旗瘦、红缨魏愿积增惑帮 经缀瓤龟溶鞋阖撼长，莠蘧心气纛臻爨程瘦褥燕重；0 气纛涯意喾蠹滤秘力攀竣 变主鼹表现在外周照力升高、微循环障碍、一心脏射魉功能下降等；心气虚证患者 微德环形态会发生改变，如管袢数目照著减少、管袢变慰等，由此导致微循环障 碍严薰。 微循环( 包括血液和组缀液交换) 是跌瘸翠瀚表现漱来的位置之一，许多的 疾瘸，细高血压、糖渌病、血液紊蘸等都显累国与徽血管网络缩梅秘臻髓联系静 豹嚣过程穗离正嚣毒关。 本文麸建立巍滚组织滚撵嚣入手，辍缝缓滚终积终必表 蒌心气纛熊碧拣 建立模型，并应用微血管网络代替原来心气康证的单根嘏纲管模型，使气虚 正模 型符合生理，也熙使于阐述机理。 嚣先建立了考惑薤疆您运凌懿毛鬃盘篱渗透壤型，获褥了系缍盘簿瘸盘滚浚 动酌细节。税裕徽蕊管两络穰式和参数在蔼绷斑管模登瀚基础上建立了礅缅盘管 网络模肇，得到潮络的渗透流豢帮阻力，这海邂一步数字褒攮垒淫久磷究提供徽 循邵单元。将毛缨暾管溅终模溅成震予改遴嚣的心气虚熙波动力学横溅，改变心 簸、俸锤强窝徽镶琢套参数褥溯缝缓滚藩积、筵缓藕骧静魇静变伍，缝累与穗凑 研究相一致，阐述了中医心气艘的微循环和j 血l 液动力学机理。从而证明了模型的 理论思想一气魔瘫状的产生是由于组织液中的蒋养物质含量的降低进而影响 了缍藏戆歪零叟攥功疑攀 起的。 燕键词：中暇；盎波动力学；z 气袁淤；徽壶管嬲终；毛缨盘瓣 巾图分类号：0 3 6 8 艇恳大学硕士学位论义第2 孤熊6 2 页 微循环网络模型及其在中医心气虚证中的应用 a b s t r a c t t h em a j o rc l i n i c a lf e a n r e so fh e a r t q i - d e f i c i e n c ys y n d r o m e ( q d s ) i n c l u d e s c a r d i o p a l m u s ，c h e s td i s t r e s s ，s h o r tb r e a t h , n e u r o l y s i sa n ds p o n t a n e o u sp e r s p i r a t i o n ， w h i c he x a c e r b a t ea f t e ra c t i v i t y , a n da l s oi n c l u d e sp a t ef a c e ，p a l ee n l a r g e dt o n g u ew i t h w h i t ec o a t i n g ，e d e m aa n dv a c u o u sp u l s e ，e t c 。i nh e m o r h e o l o g y , r e s u l t so fc l i n i c a l r e s e a r c ho fh e a r tq d ss h o wt h a tw h o l eb l o o ds p e c i f i c v i s c o s i t y , p l a s m as p e c i f i c v i s c o s i t y , w h o l eb l o o dr e d u c e dv i s c o s i t y , h e m a t o c r i ta n de l e c t r o p h o r e s i st i m eo f e r y t h r o c y t ei n c r e a s ei nh e a r tq d sp a t i e n t t h e s es y m p t o m se x a c e r b a t ew h e nh e a r t q i d e f i c i e n c yi sa g g r a v a t i n g i nh e m o d y n a m i c s ，i n c r e a s e dp e r i p h e r a lr e s i s t a n c e ， m i c r o c i r c u l a t i o nd i s t u r b a n c ea n dd e c r e a s e dh e a r t sp u m p i n ga b i l i t ya p p e a ri nh e a r t q d sp a t i e n t ，f o rm i c r o c i r c u l a t i o nm o r p h o l o g y , t h en u m b e ra n dl e n g t ho fc a p i l l a r y v e s s e lr e d u c ei nh e a r tq d s p a t i e n t 。 t h em i e r o c i r c u l a t i o n ( i n c l u d i n ge x c h a n g eo fb l o o da n di n t e r s t i t i a lf l u i d ) i so n e o ft h es i t e si nw h i c hd i s e a s e sm a n i f e s tt h e m s e l v e sa ta ne a r l y s t a g e n u m e r o u s p a t h o l o g i c a ls t a t e s ，s u c ha sh y p e r t e n s i o n ，d i a b e t e s ，a n dh e m a t o l o g i c a ld i s o r d e r s ， p r e s e n ts u b t l ed e p a r t u r e sf r o mt h en o r l t li nt h ec h a i no f p h y s i c a lp r o c e s s e sw h i c hl i n k n e t w o r ks t r u c t u r ea n df u n e t i o n b a s e do na n a l y s i so f b l o o d i n t e r s t i t i a lf l u i dc i r c u l a t i o n ，w es e tu pa h e m o d y n a m i c m o d e ld e s c r i b i n gh e a r tq d s 。t h ei n d e xo fh e a r tq d si st h ev o l u m eo fi n t e r s t i t i a l f l u i d t h em i c r o v a s c u l a rn e t w o r kw a su s e dt or e p l a c et h eo r i g i n a l s i n g l e c a p i l l a r y v e s s e li nt h em o d e l ，s ot h a tt h em o d e li sm o r ec o n s i s t e n tw i t l lp h y s i o l o g ya n dc a nb e u s e dm o r e c o n v e n i e n t l yt oe x p l a i nm e c h a n i s m f i r s t l y , t h ec a p i l l a r yf i l t r a t i o nm o d e lc o n s i d e r i n gt h em o t i v a t i o no f r e db l o o dc e l l i se s t a b l i s h e s ，f r o mi t ，w eg e tt h ed e t a i l e df l o wp a t t e r ni nt h ec a p i l l a r yv e s s e l a c c o r d i n gt ot h em i c r o v e s s e ln e t w o r ks c h e m aa n dp a r a m e t e r , t h ec a p i l l a r yn e t w o r k 复旦人学硕士学位论文 第3 页共6 2 页 微循环网络模型及其在中医心气虚证中的应用 m o d e li se s t a b l i s h e db a s e do ns i n g l ec a p i l l a r ym o d e l t h e nw eg e tt h en e t w o r k f i l t r a t i o nf l u xa n dr e s i s t a n c e t h i sp r o v i d e st h em i c r o c i r c u l a t i o nu n i tf o rt h ef u r t h e r s t e po fi n v e n t i n gad i g i t a lv i r t u a lp h y s i o l o g i c a lh u m a nb e i n g t h i r d ，t h ec a p i l l a r y n e t w o r km o d e li su s e di nt h ei m p r o v e dh e a r tq d sh e m o d y n a m i cm o d e l t h e nw e c h a n g et h ep a r a m e t e r so fh e a r t ，s y s t e mc i r c u l a t i o na n dm i c r o c i r c u l a t i o ni nt h em o d e l t og e tt h ec h a n g e so fi n t e r s t i t i a lf l u i dv o l u m ea n di n t e r s t i t i a lf l u i dp r e s s u r e t h er e s u r s a r ec o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t so ft h ec l i n i c a lr e s e a r c h t h e s e e x p l a i n t h e m i c r o c i r c u l a t i v ea n dh e m o d y n a m i cm e c h a n i s mo fh e a nq d s t h er e s u l t sa l s o c o n f i r mt h et h e o r e t i c a lh y p o t h e s i so ft h i sm o d e l _ q d si sc a u s e db yd e c r e a s e d n u t r i e n tc o n c e n t r a t i o ni ni n t e r s t i t i a lf l u i dw h i c hi n f l u e n c et h ep h y s i o l o g i c a lf u n c t i o n o fc e l l sl i v i n gi ni t k e yw o r d s ： c h i n e s e m e d i c i n e ，h e m o d y n a m i c s ，h e a r tq i d e f i c i e n c ys y n d r o m e ( q d s ) ， m i c r o v a s c u l a rn e t w o r k ，c a p i l l a r yv e s s e l 复旦大学硕士学位论文第4 页共6 2 页 第一章 l 言 1 1 研究背景 第一章引言 1 1 川10 气虚证的研究 心为君主之宙，五脏之主，主血脉而减神。心气虚魑临床常见证烈之一，其 临床表现为：疲倦乏力，头晕目眩，少气懒蠢，语声低微，自汗，心悸，活动时 诸痰耱副，舌淡辩有齿痰，蓄褡自，拳辩，躲寝无力，赫结我或透袋数等。拣氏 等 1 】认为心气虚伴有一1 1 , 脏病者谢血瘀、痰湿、水邪等兼诚带最为多见，其中冠心 病兼血瘀者多，风湿性心脏病熊水湿者多；丽心气虚不伴海心脏病者最常见的症 、扶怒心毒孛不宁、多套失眠、多梦、毽意等表骥：，0 蕤痰感豢蓄走出璇鹣涯型裁是 心气虚证，其最常见的标证是瓶瘀，水邪为患是心气虚 旋进一步恶他的征象。水 肿为水气病最常见的外在表现。由于水邪滋溢皮肤，流溢于四肢，故为浮肿。屈 氏【2 l 认为t l , 气虚、心阴虚均憝老年心脏病卷常见的心廉涯型，随着年龄的增长 ( 6 0 罗) 心气袭证毙心阴纛证更为多觅 心气虚证筠冤予器蒺经心薤瘸，置 心裳、心律失常等的发生率高于心阴虚证。 1 1 。2 气虚证与斑滚锤巧瓣笑系 1 ) 一心气虚证与瓶液流交学 冠心病者与正常人相比，其全血高切粘度、全血低切粘度、全血还原低切粘 度、红细胞压积、纤维蛋白琢含量等均明显舞毒，两在不同的证型中，气虚型患 者靛糖滞性离子箕它 3 1 。李氐 4 1 等将冠心瘸、精心瘸心气虚证努为三缀， 、i l 级心气虚病人的念血比粘度、肌浆比粘度、全血还原比粘庶、红细胞膳积较对照 组明鼹增高，红绷胞电泳时间明娃延长；i 级心气虚男性患者的全血还原比粘度、 红缀藏电泳与l 缀心气痉男憋程魄鞍穆差舅显著；l 珏级，气霪女犍惑蠢豹全盘密 粘度、血浆比粘度、全血还原比粘度、红细胞电泳与i 级心气虚女性相比较均有 显著性差异；说明冠心病、肺心病心气虚诋患者的血液流变学是全血比粘度、血 浆魄鹣度、全虫遴愿糖度、红缀藏压积增蔫秘红细胞电波辩阕延长，势随心气虚 损的程度蔼加重。 2 1 心气虚证与撒流动力学 蘩氏 5 1 等选淑左心室有效凝力( v p e ) 、每褥簸出鬟( s v ) 、每分赣滋藿( c o ) 、 复旦大学硕士学位埝文第5 _ 厦共6 2 页 心脏指数( c i ) 、总矫周阻力( r ) 等斑流动力学参数对2 3 例中医辨证为心气虚证惠 卷进行了研究，结果表明心气虚溅的主溪微观变化是：o v p e 有不同程度的降 低，因而射血功能下降；心气虚证患者总血容壤减少；全廊粘度鼹著升高： 瞧滚r 舞裹；微缓嚣半受鼗时耀微疆强平均漤整辩润延长，表骥毒瘀焱 鬟囊。 周氏 6 】等研究表明心气虚证者血液流变学则表现为高凝固性、高粘滞性。王氏【_ 1 等透过逐步穗蒺鼙j 秘分拆表两：，昏电图、盘篷、s t i 、心疆抗矗流图、心膏图等 指标的变化与心气虚的程发明显相关。心气虚诚患者皿流动力学改变主要表现在 外周阻力升商、微循环障礴、心脏射血功能下降等。 3 1 心气虚证与微循环 嘏氏嘲等鼹察劐心气廛患者戆等皱镞锤环豹主娶改变蹩：轮薅模凝、盘色 淡和暗红、流态也存在显著差异，形态发夹状减少、扭曲状增多，血流速艘减慢， 擞流量降低；健在徽盔管静羲 箍、管襻蠡。张疫、盘管藏径、穰截面积等方面殇凳 鼹著变化。孙氏 9 1 等观察了8 7 例患者甲锻微j 7 舂环的变化，其中气虚证患者管袢 数目显蔷减少，管袢变短，张力差，异形管袢明显增多。另矫气虚组的微循环阻 力的增离常伴蠢血液精度的增高，管榉数显著减少，管袢长度减簸，血滤缓慢， 皿脉失充等情况。【9 州刘氏f 1 2 】等观察到冠心病心绞痛患者的微循环改变在用川 芎、三七、缨睾等药测藏躲浸蠢努敷蜃明显改善。表鞠心气发涯患嚣徽缝环影态 会发生改变，如管袢数目显著减少、管袢变短等，由此导致微循环障碍严蓬。 1 2 研究现状 1 2 1 微循环擞物力学模型研究现状 微镳环区域是疾瘸早期表现爨来的位置之一，微缀珏生物力学分辑懿疫露嚣 始注重疾病，这个领域集中了很多非常重要的问题。 徽纛管是髂循臻酒路中最小黪蠡譬，包括微动脉、微静歉亵毛维盘管簿。徽 循环表示血管被组织和细胞直接包围的循环区域，在其中血管供应组织和细胞营 养耪，鞠时牧集其代谢餐。徽循环隧络孛的盘液流动怒一个复杂现象，受网络形 态、血液流变攀、血液细胞一血管相互作用等因素影响。 在过去十年里，对微循环的研究有了重要的进展。在微循环的问题中我们应 用物理学和工程学中广泛使用的建模与实验相露的方法，提爨了基予生理蹑理弱 复杂程度不断提高的的数学模型。此外，在细胞水平上微循环的控制机制的研究 黟致了生物骚究熬鼗方法霜慰徽锤强受谬尽戆认识，这对生瑗学上蒸袁缀深远静 意义。现在的许多研究都是在分子水平上进行。 复旦大学硕士学位论文第6 页共6 2 页 第一章引言 描述微血管血液动力学的特征主要围绕着血液流变学因子和网络拓扑结构 及其之间的密切关系展开的。许多的疾病，诸如高血压、糖尿病、血液紊乱等都 显示出与网络结构和功能联系的物理过程偏离正常状态。另外，物理科学与生理 学相结合为研究微循环提供了许多实验的工具和分析方法。在生理学和工程学合 作的领域中现在及将来最有希望是数学建模和计算机模拟。给定描述血液流变学 性质、网络拓扑结构及其决定因子的本构方程，网络血液动力学可以用传统的网 络分析方法来建模。通过将这些研究与微血管控制和调节机制的模拟( 如营养和 代谢物的吸收和排泄) 以及平滑肌的力学性质相结合，我们会得到一种综合途径 全面了解处于健康和疾病状态中的微循环的功能行为。 随着组成微循环的膜和细胞的分子定义的出现，就有可能研究出越来越详细 的微血管网络、器官灌注和输运机制。生物力学将在分析中起到核心作用。许多 器官还没有被研究。在各种疾病上也有很多的应用。可以说，微循环生物力学模 型最重要的应用是分析疾病，生物力学可以作为对心血管疾病理性工程分析的基 础。 1 2 2 心气虚证的研究 气虚证是中医的一类主要病证，近些年来为了探讨气虚的病理基础，进行了 大量的临床和动物实验研究，获得了气虚患者细胞化学含量异于正常人的各种发 现【l ”，但这种异常与气虚证的辨证关系和机理不清楚。虽然试图以一种或几种血 液成分含量作为表征气虚的指标是不符合实际的，但这些成果促使我们以现代科 学观点对气虚证进行研究。根据对中西医理论的比较分析以及对这些新发现的思 考，姚伟等【1 4 】认为如果中医气血运行中的血是指血管中的血液，那么气就应该是 组织间隙中流动的组织液及组织液中的物质成分。为了验证这一设想，他们通过 对血液及组织液循环的分析，建立了一个反映心气虚的血液动力学模型。模型的 计算结果表明某些心血管动力学参数的改变能引发水肿等气虚症状，模型的部分 理论结果与临床实验现象相吻合。这为揭示中医气虚证的血液动力学机理，为用 现代科学理论研究中医基础理论提供了新思路。 1 3 生理学基础 1 3 1 心脏 心脏提供血液沿着血管运动的泵功能，心脏的泵功能是基于心室节律性的舒 张和收缩。在舒张时心室充以血液，在收缩时心室把血液射入与之相接的大动脉 中。每个心室与静脉之间串接一个心房，它接受来自大静脉的血液，它在心室收 复旦大学硕士学位论文第7 页共6 2 页 缩之前收缨嬲强静脉敷内心室的流动。在心室与心房之间，心黛与太动脉之闼均 有单向瓣膜隔离戬防止斑液回流。中医的脉诊与心脏的功能有密切的关系，弗且 心悸、气短等气虚症状也与心肌的功能有关。 1 3 2 血液流变学临床参数 1 ) 血液粘魔 血液流动时，其内麟擦力阻碍巍液的流动，这种阻碍血液流动的内摩擦力就 是盘液豹耱往。度量遮秘盘滚赣牲黪锈理塞，藏懋纛滚疆凄，纛滚糙废豹擎袋震 国际单位制表示，就是港帕秒( m p a s ) 。 2 ) 经缨藏聪积 循琢矗滚中盘鲴魏，都红缓鼹、鑫缩藏、矗小授，约占盘液总量煞4 5 ，盘 浆占5 5 。血细胞总容积占全血总容积的百分比称为血细胞压积。通常用表示。 由于血细胞中，以红细胞为主要成分，故血细胞膳积习惯称为红细胞压积。 筇红细胞隘积与血液粘度的关系 血液粘度与红细胞压积有密切的关系，当红细胞压积为零时，即血浆，属于 牛顿液体，这种液体的粘度值是一个恒量，它不随液体流动速发( 切变率) 炎化 瑟毅交。逛经绥瑰基获1 9 嚣，巍滚帮表魏出嚣牛顿特整，这耱滚钵兹耱痰随 着液体的流动速度( 切变率) 变化丽改变，随血液的流动速度减慢，血液的粘度 增加；红细胞压积值越离，血液的粘度越高，非牛顿特性越显著。随着切变率的 增热，血液熬滚动性震就愈接近牛顿濂体；健康入，红细瑰压襁约为4 5 ，懑场 变率 2 0 0 s - i 时，盘滚弹可近 菇遮羲徽楚牛顿液体。 红细胞压积是一项传统的临床检验指标，临床上有红细胞增高的疾病，如真 性红细胞增多症、肺心瘸、充血性心力衰竭、先天性心脏病、高山病和高原反应、 烧痿、筑窳等；毽毒黩缨戆压积晦低瓣疾癌，磐：瑟淫瓣癀、贫盘、自盘瘸、袋 毒症、肝硬化腹水、失斑性疾病等。 在m 液流变学研究中红细胞压积的真正意义在于它对血液流变诸特性的影 购。包括对趣液粘度的影晌，对血液流动性质的影响，对立液沉降率的影响等等。 4 l 红细胞聚集性 红细胞表面带有负电荷，在流动的血液中，细胞问具有相互排斥的力，防止 红纲照聚絮。当盘滚在黪止状态下，筑缨您在盘浆中鄂发生聚絮，相互形藏潮络， 构成红缩飚浆集体。这种红细胞网络其有一定的强度，当撵动舷液流动的切应力 大于此强度时，血液开始流动，这时红细胞聚集的状态解除。短细胞的这种特性 复里大学磺圭学位论文第8 页共繇炭 第一章引言 称为红细胞聚集性。通常，以红细胞聚集率来表示红细胞聚集性，单位。 由于技术水平的限制，以前红细胞聚集性的测定多是通过血液粘度、红细胞 沉降率、血沉方程k 值测定来间接地推测。近年来，随着科技的发展，使红细 胞聚集性的测定方法和仪器得到了快速的发展。目前，己出现了利用先进的激光 装置为测试手段的红细胞聚集仪，为红细胞聚集性的研究提供了高效、可靠的检 测方法。 当红细胞膜发生病变，或血浆中的成分影响到红细胞膜，使红细胞膜的带电 特性受到破坏，红细胞表面的负电荷量减少，则红细胞的聚集性增加，使红细胞 聚集体解聚的所需要切应力也增加。 急性心肌梗塞时红细胞聚集性有特殊的改变。正常的血液，一般在5 0 s “以 上的切变率即可使在静止状态下因红细胞聚集而形成的聚集体解聚，但在急性心 肌梗塞时，患者的血液在5 0 0 s 1 的高切变率下，仍然存在一定数量的红细胞聚集 体，显示了红细胞聚集性的异常增高。 5 1 红细胞变形性 红细胞在切应力的作用下发生形状改变的能力称为红细胞的变形性。红细胞 膜是一种双分子结构的生物膜，它使正常的红细胞具有良好的变形性，当红细胞 通过比它自身直径要小得多的毛细血管时，可以很容易地发生变形，顺利地通过 微血管。通常用红细胞变形指数表示红细胞变形能力。 当红细胞膜发生病变，膜的成分改变，血液的生理环境发生改变时，红细胞 的变形能力降低，会直接影响微循环的血液流动，使高切变率下的血液粘度增加， 使红细胞的寿命缩短。 研究发现，红细胞变形性可反映冠状动脉狭窄的程度i l ”，冠状动脉狭窄患 者的红细胞变形指数明显下降，冠状动脉阻塞支数越多，红细胞的变形性越差。 心肌梗塞患者的红细胞变形性最差。同时观察还发现，患者血液中调节红细胞变 形性和与氧的亲和力的2 ，3 - 二磷酸甘油酸的含量，也随冠状动脉阻塞支数的增 多而下降。 血液病患者，如慢性再生障碍性贫血、缺铁性贫血、骨髓增生异常综合症、 溶血性贫血、白血病等患者的红细胞变形性降低。另外还观察到慢性再生障碍性 贫血、缺铁性贫血和骨髓增生异常综合症患者的血浆中过氧化脂质降解产物 ( m d a ) 明显升高，提示患者红细胞膜存在过氧化损害。 另外，糖尿病17 1 、肾病【1 8 l 患者的红细胞变形能力也明显降低。 1 3 3 组织液体积与成分稳定 组织液是细胞正常生命活动的直接外环境。由于组织液的分布广泛，所以 复旦大学硕士学位论文第9 页共6 2 页 对组织液体积( 蚴的控制就会很复杂。血液体积的控制怒通过直接的反馈机制 ( 通过章申经和激素的调节来控制尿液的排泄爨) 来实现静，丽组织液中大量的、 分散的、特异的个性使得机锩不可能对其送行整体盆控，并且组织液体积还受各 种组织和器官各自的调节所影响，因此组织液体积的调节更带有局部蚀。例如， k a u k l m a d 对现代生理实验戆分疆嚣得至l 辑懿调控是邋过局部谴节毫缨盘管压 力、表面积、组织静压、胶体渗透压、淋巴流动来实现的，并研究了备因素之间 的关系【4 1 。 缝绥阕藩中除了缝织渡癸还存在羞良下物震：胶羰鬃囱( c o l l a g e n ) ，它建立 了组织闻隙的纤缎框架；糖胺多糖( g l y c o s a m i n o g l y c a n ) ，包括流动的透明质酸 ( h y a l u r o n a n ) 和不流动的蛋白多糖( p r o t e g l y c a n ) ；承受威力的弹性蛋囱( e l a s i n ) 以及透过毛细血铐壁的血浆蛋囱( p l a s m ap r o t e i n s ) ；具有糕连作用的糖礞自，如 绎缓粘连蛋自( f i b r o n e c t i n ) 、基壤秸逡矮自o a m i n i n ) 及软曹糕连蛋自 f c h o n d r o n e c t i n ) 。这些固态和液态粘弹性物滕的存在使得组织液在组织间隙中流 动变得十分复杂和易变。 缀织闻隙阕的压强有两耱，鞠羚力学毯援秘获傣渗遗愿。其中，受惩戆壤念 已经广泛被接受：只要毛细盘锗流量帮淋跫流动使得组织闯隙闻保持脱水获态， 组织间隙间的压强就是负压。熬体的组织间隙静力学压强为组织间隙间静力学压 强加上圆体组织压强。但一般米说固体的组织压强为零，所以整体的组织间隙静 力擎嚣强裁楚缀织阖蒙润骜力攀嚣强。 o 宣 三 墨 = 曼 三 苎 善 口 安 3 三 3 8 05l o i n t e r s t i t i a lf l u i dp r e s s u r e ( p i ) ( m m h g ) 图1 - 1l 漆床测徭豹飘离、疫获缀织静压与缝织液体积静关系 复思大学硕士学位论文第l o 页麸6 2 页 z 一确i母墓i) 第一章引言 图1 。1 给出了临床测得的肌肉、皮肤组织液体积与静压的关系，可见在正常范围 内组织液静压与体积成正比，定义组织间隙的顺应性为c ：竽( 肋为静力学 a p t 压强) ，其中对于猫、鼠、狗等动物的皮肤和肌肉组织，正常情况下顺应性c 较 低，约为1 0 1 m 3 肋的量级：随惹组织液体积增大，非正常情况下顺应性c 较高， 约为1 0 “m 3 尸口的量级。从图中可以看出，组织间质静压在零附近时，顺应性较 好，顺应性具有较高非线性。 1 9 , 2 0 组织液不断与毛细血管内的血液进行物质交换，根据s t a r l i n g 公式，透过毛 细血管壁的水输运为 j 。= l p s ( p 6 一p ，) 一仃( 石。一7 r ，) 】 其中 为毛细血管渗流量，厶为单位面积毛细血管壁渗透系数，s 为毛细血管壁 面积，p 6 为毛细血管内血液静压，p ，为组织液静压，y ，为血液胶体渗透压，一， 为组织液胶体渗透压，o 为血管壁反射系数。 蛋白质的转移有扩散和对流两种方式，t a y l o r 等认为扩散和对流互相独立， 提出组织液蛋白质运动的方程为 j s = i ，( 1 一盯) c 。+ ( c 。一c 。) p s 其中上为毛细血管对蛋白液的渗流量，g 为血浆蛋白浓度，c 为组织液蛋白浓 度，p 表示渗透能力。 考虑对流和扩散的耦合，p a t l a k 提出的组织液蛋白质的输运方程为 j ，= j ，( 1 一盯) c p + ( c p c ，) p s x ( e 。一1 ) 其中x 为p e c l e t 数 x = ( 1 一c r ) j ，雕 x 反映了对流流量相对于壁的扩散能力。 组织液在体内的滞留将产生水肿，水肿一方面引起组织间隙营养浓度的变 化，使细胞生存环境发生变化；另一方面引起组织静压的升高，压迫神经系统从 而产生各种不适。a u k l a n d 将水肿分为三类，一是淋巴流减少产生的淋巴性水肿， 二是组织间隙成分改变产生的粘液性水肿，三是因为烧伤或发炎导致的血管壁通 透性改变引起的水肿。a u k l a n d 认为机体有水肿阻止机制，一是通过组织静压p 。 增加( h y d r o s t a t i cb u f f e r i n g ) 来减少毛细血管中的水分通透来阻止水肿，二是通 过组织胶体渗透压月。的减少来阻止水肿( o n c o t i cb u f f e r i n g ) ，三是通过淋巴回流 来阻止水肿( l y m p h a t i cs a f e t yf a c t o r ) 。 复黾大学硕士学位论文第1 l 页共6 2 页 第一章引言 1 4 本文工作 1 - 4 1 应用微血管网络代替原来心气虚证的单根毛细管模型，使气虚证模型符合 生理，也更便于阐述机理。 1 4 2 建立了考虑红细胞运动的毛细血管渗透模型，获得了毛细血管内血液流动 的细节。 1 4 3 在毛细血管模型的基础上建立了毛细血管网络模型，得到网络的渗透流量 和阻力，为进一步数字虚拟生理人研究提供微循环单元。 1 4 4 将毛细血管网络模型应用于改进后的心气虚血液动力学模型，改变心脏、 体循环和微循环各参数得到与临床研究相一致的结果，阐述了中医心气虚 的血液动力学机理。 复旦大学硕士学位论文第1 2 页共6 2 页 第二章血液一一组织液循环动力学模型 第二章血液一组织液循环动力学模型 2 1 心气虚证的集中参数模型 图2 一l 为我们根据血液与组织液循环的生理学基础与血液动力学理论建立 的一个描述气血运行的动力学集中参数模型示意图【2 1 。模型假设血流量是定常 的，体循环主要有三个集中阻力动脉系统阻力凡r ，毛细血管床阻力r 。和 静脉回流阻力月。，肺循环有肺血管系统阻力群及肺静脉回流阻力r 。，r r s 为淋 巴回流阻力。模型中的尸删表示右心房压，肌表示毛细血管静脉端压，p ，。表示 毛细血管动脉端压，p ，表示组织液压。在血液动力学研究中，曾对模型的血液循 环部分进行了比较详细的分析。 动脉 图2 1 血液组织液循环的动力学集中参数模型 与以前血液循环模型不同的是在模型中增加了毛细血管内血浆与组织液物 质交换的内容。根据前面血液与组织液物质交换的分析，血液在流经毛细血管网 时有部分血浆渗流出血管( 主要在毛细血管的动脉端) 形成组织液，同时又有部 分组织液渗流回血管( 主要在毛细血管的静脉端) 补充血液。正常情况下，流入 周围组织间隙的血浆一般要超过渗流回血管的组织液，多于部分组织液通过淋巴 系统回流到腔静脉，保持血液与组织液的平衡。本模型中假设静脉回流阻力为一 常数，静脉与淋巴的回流量与组织问隙与右心房的压力差成正比 2 2 】。当毛细血 复旦大学硕士学位论文 第1 3 页共6 2 页 第7 - 章血液一一组织液循环动力学模型 管渗滤过多或淋巴回流障碍时，会使水分在组织间隙积聚，由于人体皮肤或血管 包膜等的弹性限制，组织液过多聚集在组织间隙中会引起组织间隙静压升高及组 织液中的营养物质浓度相对降低，影响细胞的正常生理功能。 2 2 模型的生物流体力学基础 2 2 1 模型中心脏功能的动力学分析 心脏的泵功能是血液循环的驱动力，心脏由左、右心房和心室组成，主要通 过心室的收缩和舒张推动血液沿着血管运动。为了研究心室的泵功能，我们同步 记录一个心动周期内心室内的压力与容积，并将它们画在一张图上，纵坐标是压 力，横坐标为容积，得到心室的压力容积环，如图2 2 所示。 l v e s p l e d p p 图2 - 2 心室运动的压力一容积环 v 由于心脏周期性收缩舒张，因此p v 曲线是一条闭合的环，它由四个不同 的时期组成，i 为心室充盈期，i i 为等容收缩期，i i i 为心室射血期，为等容舒 张期。 在心室充盈期内，房室瓣膜于a 点处打开，血液从静脉经心房回流入心室， 由于血液的注入，心室内压力逐渐升高，并达到舒张末期压力l v e d p ，i 段也 称为心室静态充盈曲线。之后心室开始收缩，房室瓣关闭( b 点) ，由于此时心 复旦大学硕士学位论文第1 4 页共6 2 页 第= 章血漶一一粗织漶嚣善| ：动力擎镬型 室内压力比心室外主动脉中的胍力低，血液又不可压缩，所以此间房警瓣和主动 脉瓣都关闭着，压力迅速上升，而容积不变，心室进入了等容收缩期i l 。心肌继 续l | 雯缭，心室内毽力超过了主麓躲缦部豹嚣张歪跨，主幼歉瓣蠡署( 患) ，盘 液扶心室射入动脉系统，心室谶入射血期i i i 。随血液的流如，心室内压力降低， 主动脉瓣关闭( d 点) ，心室：j 款入等容舒张期，此间主动脉瓣和房整瓣全部是 关闭的，心室的舒张使心室内愿力急剧下降，丽容积几乎不变，直到下一次房室 瓣秀次打秀。 为研究心室瞬时的容积和内压力的关系，受固体力学中体积弹性模量的启 发，g l 入一个毅的妨理量时变弹性元嚣) ，e 擘) = ；丛等，这里胁秘致分 ，f r0 别为心室内压力和容积，k 是心室无负荷状态时的容积，假设它和时间无关。 强魏人们已对e ( f ) 傲了大量黪研究，发现它不仅受心室姆馋( 心腿收蠛蛙) 的影 响，而且还受心窳前、后负荷的制约与控制。其中s a g a w a 和s u n a g a w a l 2 32 4 1 等 的研究发现，尽管层( r ) 在整个心动周期中受多种生理因索影响，但在心室射血末 鬟i 舞瓣疫豹互却是一令只帮心室特淫有关瓣藿，记为蠢：，毫蹩e ( t ) 麓较大蓬 点。于是我们用嚣。来表征心室特性，表达式为：e 。= e 。( 一。) ，以，和吃分 别表示射盘末期心塞蠹压力襄容积。 对整个人体循环系统，可分成四个子系统翠弱，即左心、右心、体循环血管 床和肺循环血管床。记c o 和c 0 分别表豕体循环和肺循环血管床中的心输出 量，p 础帮睃g 分剐表示言心房靼左心房内鹣平均压力，焉，霜磊分澍表示黪德 环大静脉和体循环大静脉内的平均压力。由予静脉系统中压力较低，黻力较小， 不妨认为静脉系统中的平均压力和心房内平均压力近似棚等，即：p 。= p r a ，r 。= p 乙矗n 接下亲首先考虑左心室秽传动稼系统潮麓藕合关系，裰据蘸嚣霹心塞功麓豹 讨论，我们可以用e s p v r 来描述左心室功能，即收缩末期左心室内的压力凡胁 与左心室舒张末期的容积圪删及每搏输出爨s 圪满足： 乏y ，。= e l v , e s ( 圪r 一s 吃一玩髓。) ( 2 一1 ) 玩。为心室收缩宋期的当量弹性模量。 对动脉系统，我们知道： 复且大学硕士学位论文第1 5 颐共6 2 页 第二章血液一一组织液循环动力学模型 旷啪s m = 弩l s v s 弧 ( 2 - 2 ) r ；为总的体循环血管阻力，p 。表示体静脉平均压力，即p 。= 匕。假设动脉中的 平均压与心室收缩末期的压力相等，即p 。= 匕。，于是 气矿警- s v s + 。 记：e s a p 。；= e 。q s v s + p s ， ( 2 - 3 ) 则动脉系统中也有类似的espv r ( 2 4 ) 根据流量守恒，流入动脉系统的流量应等于心室搏出量，即s k = s ，并 进一步假设在心室收缩末期由于主动脉瓣膜是打开着的，因而心室内压力与动脉 根部压力相等，即匕。= 咒，。，于是 s _ ：s 吃：兰兰生型! ! ；二型；出( 2 - 5 ) 。 e s 1 + el r 。； 方程( 5 5 ) 中含有心室的容积”这对以后系统间的相互联系不利，所以设法 将其替换成心室压力。 由e s p v r 知 丘r ，“= e r ，耐( 屹r 耐一圪r o 耐) 若进一步假设在心室舒张末期，心室内压力与心房中压力相等，即： 只，。= 巳。代入上式并代入方程( 2 - 5 ) ，并注意到尸沪p 删，得 s 2 s = ! 生；i 等 ( 2 - 6 ) 其中 e t v , e a 称为心室舒张末期的当量弹性模量。 日。= 占” 为变换因子 u re d 只，o = e l v e s ( 圪。一一圪v o , e s ) 表示心室在无负荷状态下的压力。 v l v o , , d 和圪m 。，分别表示心室在无负荷状态下舒张末期容积和收缩末期容积。 同样对右心和肺循环系统可以有类似的推导，得到 复旦大学硕士学位论文 第1 6 页共6 2 页 第二章血液一一组织液循环动力学模型 s = s = ! ! ! 等 ( 2 _ 7 ) 其中 e 。= 鞋 t 耻岛”眠 斥r o = 玩r ，。( 吣。一一k 眦。，) 血液在整个循环系统中运动，不仅受心脏和动脉系统的影响，而且还受静脉 回流的制约。s a g a w a 在线性假设下导出静脉回流量与左右心房平均压力及静脉 特性之间的关系，过程如下： 首先对体循环系统，假设体循环的总顺应性为c ，于是有 c ：盟 印， 在线性假设下，上式可以简单写为 一= c ，( p ，一p 。) 式中为扩张前的体血管体积，p 。为体动脉平均循环压，k 和p ，为扩张 后的容积和压力。 进一步假设p 。= ，而且= c 。，刍，即有体血管的有效容积为 = c ，( 几一) + c ， 并注意到 p 。一= c o ，r 。 其中月。为体静脉回流阻力，c q 为静脉回流量。 联立得体血管的血管容积为 t = c ，c o 。r 。+ c 。 同理可得肺血管的血管容积表达式为 y p = c p c o v r 。p + cp p f 下标p 表示肺血管的对应量，c ，为总肺血管顺应性，r ，为肺静脉回流阻力。 复旦大学硕士学位论文第1 7 页共6 2 页 第二章血液一组织液循环动力擘模型 由于循环系统总的血液有效体积v t 应等于k + ，于是静脉回流量可表示为 c q = 写啬等 ( 2 - 8 ) 再根据前面讨论的左、右心室的输出量，由于对于整个闭合循环系统，定常 态的心输出量无论对于左心或对于右心都应是相同的，并且等同于静脉回流量， 因而有 s = s 蚝= c o ，t 丁为心动周期。 从方程中消除p l 和p 舢得控制心输出量c o y 的参数表达式： c o ：丝虹丝二：坠! 墨幽竺! 望! 昼! q 生竺2 墨 q ：垦 ” ( c p r 岫+ c s r 雌) 日月h l + a ( c s + c p h r ) + b c s h a = t ( e 。，+ e 。)( 2 - 9 ) b = t ( e r r 。+ e 月) 从表达式中可看出，血管弹性，阻力，心肌收缩特性，心率以及血液总体积 都影响心输出量。再由s 咋= s 可得到 。一( 爿日r + 曰) j 乞+ 4 b r o 一b 兄r o 一面f 丁一 上式代回( 5 - 6 ) 得到右、左心房压分别为 。一( b h + a ) c o ，一( h b r o + 巴y o ) 一1 币f 了一 d 一( a h 月+ b ) c o v 一( h r r r o + 名p o ) 忆一1 磊f 了一 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 2 2 2 模型中组织液与血液间物质交换的动力学分析 2 2 2 1 血液与组织液间物质输运简介 我们解释气的运行表现为组织液在细胞间质中的运行，但组织液是由血浆透 过毛细血管壁形成的，因此物质在血浆与组织液间的输运对研究非常重要。毛细 血管壁由1 2 个扁平的内皮细胞构成，内皮细胞间紧密连接，整个毛细血管壁外 侧有一层薄薄的带电物质称为基质膜。通过毛细血管壁物质的输运有三种形式。 第一种是气体( 游离氧和二氧化碳等) 和可溶于脂类的物质的输运，它们可以从 毛细血管壁任何地方通过，基本上是扩散传输，输运速率决定于壁两侧该组元的 浓度梯度。第二种是水和可溶于水的低分子量溶质的输运，它们主要通过内皮膜 复旦大学硕士学位论文第1 8 页共6 2 页 筹= 章血液一一纽鳃液锤环动力学疆垂 上的孔隙，其输邋动力有二，一是壁内、外的静压梯度，它引起强迫对流；二是 壁内、外有关组元的浓度梯度，它引起扩散对流。血浆和组织液成分的主要差别 是鬃囱矮，疑良尽蛰盘浆孛弱囊薤类溶磐酝产生熬燕落渗遮嚣要远远褰过壶蛋白 质产生的胶体渗透压，但由予瓶管内、外的融体渗透压是稻等的，弓 越扩散对流 的是m 管壁内外的器白质胶体渗透压差。第三种是不溶于脂类的大分予物质( 例 如蛋融分子) 的输运，它们需要借助于内皮细胞膜内的载体，或通过内皮细胞中 豹囊泡穗输，往往需要漕耗纯擎能。 第一种输运满足f i c k 定律，我们后面要详细讨论第二种输运，这熙我们先讨 论第三种的蛋白质的输运。在肌肉毛细血管的电镜象模式图中，我们稽到在血管 款肉皮纲庭闺存在9 0 埃豹闯羧( 骞熬部分霹达i 5 0 0 埃 ，瞧毛缨盘蛰豹多 测毽 有缩缔纤维网形成的基膜，因u 黼能通过毛细斑管壁向组躐间隙渗出豹分子半径最 大不超过3 5 埃。m a y e r s o n 2 6 】观察到，毛细衄管扩张时，其基膜上的纤维网的网 眼扩大，细胞上的间隙也变大，大分子、有时甚至红细胞戏白细胞也霹暹过毛细 盘蛰麓。不同器髫疆织液静蛋囱葳浓凄楚不阂鹃，说弱不闻组织静毛绸盘管壁对 蛋臼质的通透性熄不同的。在没有详细的数据基础上，我们无法用生物流体力学 知识来说明蛋白质的输运，但根据内环境稳定原则，蛋白质的输运总怒适应组织 歪鬻生会活动艨鬟要数组织滚皆蛋塞浓度，魏果不l 达到缀织