血液流变学 生物物理.ppt

血液的组成及理化特性,血液由红细胞、白细胞、血小板和血浆组成。红细胞、白细胞和血小板共称有形元素。全血稍呈弱碱性，PH值在7.35-7.40之间，比重约为1.056g/cm3（4oc）。有形元素占血液体积的45%强。血浆占血液总体积的55%弱，它是蛋白质、盐类等的水溶液，PH值在7.3-7.5之间，比重约为1.024g/cm3(4oc)。血浆中水占90%以上(重量百分比)，血浆蛋白约占7，其它有机物和无机物各占1%。,血液的流变学特性,血液是一种悬浮液，有形成分中大部分为红细胞，此外还有少量的白细胞及血小板等，这些成分共同悬浮在血浆中。血浆是一种复杂的水样溶液，主要是高分子化合物，如白蛋白、球蛋白、纤维蛋白元等，溶解在稀盐溶液中。影响血液流变特性的主要是红细胞的特性，它可看作是高度可变形的，中间充满液体的弹性薄壳体。白细胞的变形性、血小板的聚集性、纤维蛋白原浓度等对血液流变特性也有一定的影响。,血液的组成及理化特性,影响血液流变性质的主要是红细胞，它可以看作高度可变形的充液弹性薄壳体。细胞膜很薄，体积约3-7103m。细胞质是血红蛋白的水溶液，浓度约为33%，PH=7.4。整个红细胞的比重约为1.098g/cm3（4oc），故血液可看作红细胞与血浆组成的、比重相近的悬浮液。血液具有运输、缓冲、免疫和防御及调节体温的功能。,血液的组成及理化特性,红细胞通透性：红细胞细胞膜对负离子(Cl-,HCO3-)的通透性大于正离子；脂溶性气体O2,CO2自由；Na+-K+泵是维持内外浓度差的重要结构。红细胞膜的重要组成蛋白：收缩蛋白、肌动蛋白、连接蛋白、血型糖蛋白、带蛋白等，形成网状骨架。,血液的组成及理化特性,对血浆力学性质影响最大的是各种蛋白质。其中白蛋白分子量最小，约69,000，但含量最高，主要作用是调节血浆容量及PH值。球蛋白种类繁多，分子量在35,000-1,000,000之间，它主要参与各种反应。血纤维蛋白原是长链大分子，分子量达l,300,000，但含量最少，在凝血过程中起重要作用。从血浆中把纤维蛋白原去掉，就是血清。,白细胞的流变特性,主要见于毛细血管网和小静脉。病理条件下的趋边（壁）性粘附功能变形性：能动变形非能动变形,血液的流变学特性,血液是非牛顿流体，血浆是牛顿流体。1切应力-切变率关系的非线性2血液具有屈服应力03血液的粘弹性4血液的触变性当红细胞压积在10%80%之间时，全血粘度与红细胞压积成正相关关系。Fahraeus-Lindqvist效应血浆粘度主要决定于纤维蛋白元的浓度温度对全血及血浆粘度都有很大影响，全血及血浆粘度与温度呈负相关关系。趋轴性,血液非牛顿粘性的推测,一红细胞聚集是低切变率下血液非牛顿行为的主要原因。在静止状态下，红细胞在血将中聚集形成叠连，并形成网络。这种网络具有一定的强度，只有当切应力高于其强度时，网络被破坏，血液才会流动。此即血液屈服应力的由来。当流动切变率较低时，红细胞叠连依然存在。切应力增大时，叠连逐渐裂解，尺寸变小，因而表观粘度亦减小。当切应力达到一定值(约0.2Nm-2，相当于50s-1)时，叠连几乎完全裂解为单个红细胞，100s-1时应力-应变关系逐渐趋于线性，因此红细胞聚集是低切变率下血液非牛顿行为的主要原因。,血液非牛顿粘性的推测,二红细胞变形是切变率较高时血液流变性质的决定因素一旦血液流动，红细胞及叠连细胞就在流体动力作用下变形。据观察，应力很小（10-8Nm-2）时，叠连细胞像柔性纤维一样弯曲；当应力达到0.1Nm-2时,红细胞就有明显的变形，其变形能力随切变率的增大而增大，并随流线方向排列，致使血流阻力降低，全血粘度下降。当100s-1时，红细胞变形和取向达到极限，不再随切变率变化，因此血液粘度将趋于常数。,血液非牛顿粘性的推测,三红细胞的相对运动血液流动时，红细胞除了和血浆一起运动外，还有相对于血浆的运动，包括移动、转动和布朗运动。这些移动引起红细胞与血浆之间的相互作用，从而影响血液的宏观力学性质。不仅如此，红细胞运动还和红细胞之间的相互作用有关。这一方面表现在每个红细胞的运动都受到其余红细胞流场的影响。而它自身诱导的流场又影响其他红细胞的运动。另一方面也表现在红细胞碰撞时的能量和动量交换取决于碰撞细胞的动量、动量矩和能量，亦和细胞运动的轨迹、相对方位等有关。,血液非牛顿粘性的推测,四有形元素间的相互作用（1）每个有形元素的诱导流场间的干扰，这是一种远距离作用。（2）有形元素相互碰撞引起的动量、能量交换以及迁移扩散。据估计=20s-1时，碰撞引起的血小板的迁移扩散，比布朗运动所引起的扩散率高两个数量级，这使血小板与管壁碰撞的概率大大增加。（3）范德瓦耳斯引力、表面静电作用及长链大分子的连接作用，这些只有当有形元素间距极小时，才起作用，且与血浆的物理、化学性质有密切关系。,血液非牛顿粘性的推测,五血浆因素1.血浆蛋白质影响红细胞的聚集能力这有两种作用。一是起搭桥作用，加强聚集能力。这主要是血纤维蛋白原所致，球蛋白次之。二是改变红细胞表面的电特性，血纤维蛋白原、球蛋白等接近于电的中性，它们包围红细胞，削弱红细胞表面之间的静电斥力，促进聚集；而白蛋白带负电，加强排斥作用，削弱聚集。2.血浆渗透压影响红细胞的力学性质红细胞膜两侧的渗透压差，在一定程度上决定了它的形状和尺寸，并影响膜的弹性，从而改变红细胞的变形能力，其作用相当复杂。3.血浆PH值影响按Dintenfass测量，血浆PH值在6.357.35范围内,当PH值升高时，其表观粘度降低。,血液非牛顿粘性的推测,红细胞的流变性质-红细胞的变形性,静止时。红细胞为直径8m的双凹面圆盘形，但受外力时很容易变形。外力除去后又易于恢复原状。在显檄镜下观察毛细血管床，可以发现呈伞状、弹丸状等各种形状的红细胞。,红细胞的流变性质-红细胞的变形性,红细胞的变形性在血液循环中，特别是在微循环中起着重要作用。由于红细胞的这种显著的变形性，使它能够通过比它本身直径还小的毛细血管。脾脏的毛细血管最窄，它的平均直径仅有3m左右。红细胞的变形性对因动脉硬化血栓形成的非常狭窄的血管中的循坏，也都起着重要的作用。如果红细胞的变形能力降低，则吸引粘度增加，因而血流量亦减少。结果会导致切变率减小，因血液的非牛顿粘性又使血液粘度增加，血流量减少，从而引起恶性循环。,红细胞的流变性质-红细胞的变形性,Fisher等人(1978)发现了红细胞膜的坦克履带式运动。例如，悬浮于高粘度的葡萄糖溶液中的红细胞，在切应力影响下变形成椭球体。随着切应力的增加，其延伸率接近最大值，同时，红细胞作坦克履带式运动，其转动频率随切变率而直线地增加。由于红细胞膜的这种坦克履带式转动，能将所受切应力向细胞内传递，引起红细胞内容物的运动，这样可使O2或CO2分子与血红蛋白更好地混合，促使气体分子与血红蛋白结合，使红细胞能更有效地发挥其输运气体的功能。,红细胞的流变性质-红细胞的变形性,红细胞的表面积与体积的比值是决定红细跑变形性的重要因素。红细胞膜的面积对于体积来说相对过剩，使红细胞能变成各种形态，而不必增加表面积。在表面积和体积不变的情况下，正常红细胞可拉伸至原长的230%。如果要使红细胞膜表面积增加2-3%，就可使红细胞膜破坏。,红细胞的流变性质-红细胞的变形性,红细胞变形性还决定于红细胞膜的粘弹性质，而粘弹特性又与细细膜的成分及其在膜中的结构和排列有关。Blank和Evans等人提出了红细胞膜的物质结构模型。他们认为红细胞膜外层由脂双层形成阻止膜表面积变化的紧密内聚性结构，由于这种结构的液体特性而易于产生变形。膜表面下的骨架蛋白结构使脂双层具有稳定的力学结构，膜表面下的血影蛋白网状结构又使红细胞具有抗高剪切的能力，确保红细胞维持原形或变形后再恢复弹性，而且还要考虑膜内的粘性损耗过程，因为这一过程限制了红细胞变形后的恢复率。,红细胞的流变性质-红细胞的变形性,红细胞细胞质的粘度称为红细胞的内粘度，它是决定红细胞变形性的有一重要因素。内粘度又决定于细胞内血红蛋白的浓度和理化特性。影响红细胞变形性的外部因素，有血液的切变率、毛细血管直径、血细胞的浓度血浆蛋白的成分与含量、血浆的渗透压、温度、PH值、电解质的成分与含量、氧分压和二氧化碳分压、ATP水平以及氧化剂的作用等。不再详述。,红细胞的聚集性,在血液静止或切变率很低时，红细胞会聚集成网络状空间结构，导致血液具有屈服应力。红细胞具有能形成聚集体的性质称为红细胞的聚集性。红细胞的聚集性是血液非牛顿流变性的主要原因。红细胞聚集体的形成和解聚主要取决于血浆蛋白、剪应力和红细胞表面电荷三个因素。,血小板的流变性,血小板是组成血液的最小细胞，它具有聚集、黏附、释放、收缩和吸附等功能。这些功能在止血、凝血和血栓形成过程中起着重要作用，也是血小板主要的流变特性。,血小板的流变性,1血小板聚集性血小板与血小板之间发生相互粘着、聚集成团的现象称为血小板聚集。血小板的这种特性称为聚集性。聚集性是血小板重要的流变特性。引起血小板的聚集有两大因素：一是剪切作用可诱导血小板聚集；二是许多物质可诱导血小板聚集，如二磷酸腺苷，在高剪切力作用下，红细胞会发生破裂，会释放出二磷酸腺苷，促进血小板黏附和聚集。,血小板的流变性,2血小板黏附性血小板黏附于异物、血管内皮损伤处或粗糙表面的现象，称为血小板黏附。血小板的这种特性称血小板的黏附性。当血管损伤后，流经此处的血小板被血管内皮下组织激活，黏附于暴露出来的胶原纤维上，形成一个附壁栓子，起到止血作用。,血小板的流变性,3血小板收缩功能血小板所含微丝和微管的主要化学成分是收缩蛋白，这些蛋白具有收缩性，可使血小板聚集体收缩，凝血块回缩变固，成为坚实的止血栓，堵住血管创口。4血小板释放反应血小板受刺激后，将其颗粒内容物释放到细胞外的现象。这一过程有助于止血。,血液流变学在临床医学中的应用,血液粘度是血液流变学研究的重要环节之一。它是许多相关指标的综合表现。血液粘度不仅与血液的组分、组分的性质、组分之间的相互作用有关，还与血液的流动状态、血液的温度等多种因素有关。作为检测人体血液粘度的医学检测项目，在疾病的诊断治疗和预防等领域发挥了一定的作用。,血液流变学在临床医学中的应用,1切变率全血粘度随切变率不同而变化，在高切时全血粘度降低，低切时则增高。这是由于高切时血液中红细胞聚集体被解开并发生取向和变形，而低切时红细胞易于聚集所致。国际血液学标准化委员会建议测定全血粘度理想切变率范围在1200/s。临床应用时可根据仪器的设置选择三个切变率，高切变率（简称高切）在200/s左右，中切可选在4050/s之间，低切可选在10/s以下。,血液流变学在临床医学中的应用,2红细胞压积红细胞压积是影响全血粘度的重要因素，全血粘度随HCT的增加而迅速增高，反之则降低。正常情况下白细胞和血小板对全血粘度无明显影响，但当其数量异常增多时，全血粘度会有所增高。3红细胞聚集性红细胞聚集性大小受血浆大分子蛋白、细胞表面负电荷和流场内切变率等因素的影响。当流场中切变率降低，血流速度减慢时，红细胞容易聚集而使全血粘度增高，红细胞聚集性增强时，主要导致低切下全血粘度增高。,血液流变学在临床医学中的应用,4红细胞变形性正常人红细胞在一定切变率作用下，容易发生变形并随流动方向取向，且其变形能力随切变率增大而增大，致使血流阻力降低，全血粘度下降。切变率对血液粘度的影响实际是通过影响红细胞的聚集和变形来实现的。,血液流变学在临床医学中的应用,5血浆粘度血浆含有多种物质，以蛋白质对其粘度影响最大。其中大分子蛋白如纤维蛋白原、免疫球蛋白对血液粘度影响最大，当其浓度增加时，由于它们所携带的正电荷抵消了红细胞膜上的唾液酸所带的负电荷后，红细胞易于聚集成而导致低切下全血粘度增高。另外还有其它因素，如血管直径、壁面效应、温度、PH值、渗透压、性别、年龄等血液为非牛顿流体，其粘度随切变率而变化。在切变率确定的情况下，以上任何一种因素发生变化都将导致全血粘度的改变。,血液流变学在临床医学中的应用,临床上常用的指标很多，最主要的是全血粘度。因为它是许多相关指标的综合表现，因此那些相关指标也都是血液流变学的研究指标，临床常用的指标有：1.全血高切粘度在HCT值、血纤维蛋白原等含量正常的情况下，全血的高切粘度值可粗略的反应红细胞变形性，如变形性好，一般高切粘度正常，如变形性差，可导致全血高切粘度值增高。,血液流变学在临床医学中的应用,2.全血低切粘度全血低切粘度可粗略反应红细胞的聚集性，聚集性增大会导致全血低切粘度值增高。3.血液还原粘度血液还原粘度为全血粘度与红细胞压积HCT之比。此数值扣除了HCT对全血粘度的影响，便于对不同HCT时红细胞变形性和聚集性进行评价和判断HCT对全血粘度的影响。,血液流变学在临床医学中的应用,4.血液相对粘度血液的相对粘度为血液粘度与血浆粘度之比。此值扣除了血浆粘度对全血粘度的影响，便于比较不同血浆粘度时红细胞聚集性和变形性的大小。5.红细胞压积可反映血液中红细胞容积的大小，从而判断红细胞压积HCT变化对全血粘度的影响。临床上真性红细胞增多症、肺原性心脏病、先天性心脏病等疾病的红细胞压积增高。继发性红细胞增多症多发生在动脉血中氧分压低下，缺氧使红细胞代偿性增多，导致血液粘度升高，甚至出现微循环障碍。,血液流变学在临床医学中的应用,6.红细胞刚性指数是粗略反映红细胞变形性的参数，此数值越大表示红细胞的变形性越差，同时此值增大也是全血高切粘度增高的原因之一。红细胞的变形性在血循环中，尤其是在微循环中起着重要作用。一方面红细胞变形性降低将导致动脉中血液粘度的增加，血液流阻增大，流量减小，微循环血流缓慢，受阻。同时红细胞由于变形性降低，很难通过比它直径还小的毛细血管，进一步造成了微循环障碍。另一方面红细胞变形性下降，容易造成红细胞溶血敏感，易破裂。红细胞破裂将释放会出ADP等多种产物，促进血小板黏附和聚集以及红细胞变形能力进一步下降，造成恶性循环。许多疾病，如冠状动脉狭窄、心肌梗死、脑血栓、再生障碍性贫血、白血病、恶性肿瘤等都会引起红细胞变形性降低。,血液流变学在临床医学中的应用,7.红细胞聚集指数红细胞聚集指数为全血低切粘度与全血高切粘度之比，它可粗略反映红细胞聚集程度的指标。此值越大表示红细胞越易聚集。红细胞聚集指数增大是导致低切全血粘度增高的主要原因。,血液流变学在临床医学中的应用,临床多种疾病可引起红细胞聚集性异常。炎症时免疫球蛋白IgM增加，促使红细胞聚集性显著增强，其聚集指数显著增加。缺血性心脏病、心肌梗死患者红细胞聚集指数明显增大。对于正常血液，一般切变率在50s-1以上，红细胞聚集体可以解聚，而心肌梗死患者，其中某些人的血液，切变率高达500s-1仍然存在着红细胞聚集体。红细胞聚集性增高将导致血液粘度增加，血流阻力增大，甚至使某些毛细血管、微小静脉堵塞，组织血液灌注不足，造成缺血、缺氧、组织中酸性代谢产物增加，引起酸中毒，使红细胞聚集进一步增强，变形性减退，形成恶性循环。,血液流变学在临床医学中的应用,8.血纤维蛋白原血纤维蛋白原浓度升高，引起血浆粘度升高。同时纤维蛋白元可促进红细胞聚集、血小板的聚集，从而导致低切下血液粘度的增加。血液处于高粘、高凝状态。纤维蛋白原浓度显著升高是机体血栓形成的危险因素。,血液流变学在临床医学中的应用,9血小板粘附率它可表征血小板粘附性的大小。血小板粘附率增高，使血液出现高凝状态，易于形成血栓，如冠心病、高血压、高脂血症、脑血栓、糖尿病。血小板粘附率降低的疾病有再生障碍性贫血、白血病、肝硬化、尿毒症等。血小板粘附率降低，呈现易于出血现象。,血液流变学在临床医学中的应用,10血小板聚集率它可表征血小板的聚集性。血小板聚集率异常与许多疾病的发生、发展密切相关。病理状态下，血小板数量减少或血小板功能障碍，易引发出血性疾病。血小板聚集率降低的常见疾病有：血小板无力症、儿童特发性血小板减少性紫癜、肝硬化等。当凝血系统受到异常激活时，血小板可引发血管内凝血，导致血栓性疾病。,血液流变学在临床医学中的应用,高血压、脑梗塞和心肌梗塞患者的血液流变学检测发现，三种疾病的血液粘度普遍增高，但是引起全血粘度增高的因素却各不相同。高血压作为一项心血管危险因素，是造成脑血管病、冠心病、充血性心力衰竭、肾功能衰竭和周围血管病的主要原因。高血压患者的全血粘度明显升高，并且随着切变率的降低差异进一步的增大。红细胞聚集指数明显高于对照组。表明高血压患者血液粘度的升高主要是由于红细胞聚集性增加引起的。（与临床血液流变学不一样）。心肌梗塞是在动脉粥样硬化的基础上，冠状动脉的某一分支急性闭塞，血液循环受阻，以致部分心肌发生严重而持久的缺血，导致心肌组织的坏死。血液流变学表明，心肌梗塞病人血液粘度有不同程度的升高；红细胞压积也有不同程度的增高；血浆纤维蛋白元的含量增高，红细胞聚集性显著增强，健康人红细胞聚集体在切变率为4050s-1时可完全解聚，而心肌梗塞患者红细胞的解聚切变率超过50s-1，甚至高达500s-1；同时红细胞的变形性也显著降低。脑梗塞的血液流变学变化为全血粘度、血浆粘度增高，70%以上患者红细胞压积增高，红细胞聚集性、刚性增高，血小板粘附性、聚集性增强、纤维蛋白元浓度增大。,血液流变学在临床医学中的应用,总之，血液流变各因素变化将导致血液粘度的升高。各种类型缺血性心脑血管疾病血液流变学的共同特点是血液均处于高粘、高浓、高聚、高凝状态，呈现高粘滞血症，其程度与病情基本一致。高粘滞血症是血液粘度较长期处于升高状态所造成的一种病理综合症，其突出的病理特点是微循环障碍，使血液灌注不足，可造成缺血、缺氧、酸中毒，出现微循环障碍，使血液流变性进一步恶化，发生恶性循环，因此，脏器微循环血液灌注不足，是许多疾病发生的基础和中心环节。,可以根据血粘度的异常来检测疾病的发展，针对引起血粘度变化的不同原因，有选择的使用扩血管、抗凝、降粘、溶栓药物，达到降低血粘度，改善微循环的目的。,屈服应力,血液应力-应变率不为一条过原点的直线，所以血液是非牛顿流体，因此通常不能用牛顿粘滞定律描述血液的流变性质。只是当切变率足够大时（100s-1），全血粘度逐渐降低并趋于一定值，此时血液可看作牛顿流体。在1100s-1内，血液流变性质可用Casson方程进行描述。,Fahraeus-Lindqvist效应,我们通常所说的血液粘度都是在体外条件下测量得到的，但血液在全身流动时所表现出来的粘度并不是简单地与体外测量的结果一致。一般来说，我们所说的粘度是血液在体内流动时所表现出来的综合结果。具体到某一血管区段，如主动脉、腔静脉、毛细血管等，由于血流速度、管径不同，所表现出来的血液粘度也不同。以人体为例，一般在血管直径大于1mm的血管中，血液粘度可以看成不随管径的变化而变化。但在管径小于1mm的血管中，血液的表观粘度随血管管径的减小而降低。直接的原因是当血液从管径较粗的血管向管径较细的血管流动时，由于血浆层的存在，更多比例的血浆流入到细的血管中，红细胞的浓度也随之减小，这就是Fahraeus-Lindqvist效应，即血液表观粘度随血管管径的减小而降低的现象。但是这种变化不是没有限度的，当血管管径降低到与红细胞直径相当或更小时，红细胞的变形行为成为血液流动的主要形式，血流成为血细胞与血浆分离的两相流，此时流动阻力明显增大，血液的表观粘度随着管径的减小而增加。这就是Fahraeus-Lindqvist逆效应。Fahraeus-Lindqvist效应及逆效应对微循环的血流动力学、物质交换等研究具有十分重要的意义。,血液的粘弹性,血液作为非牛顿流体，它的一个最重要特征就是血液不仅具有粘滞性，在流动过程中要克服内摩擦而必须消耗能量，而且还具有固体的弹性特征。因为在切变率很低或为零时，红细胞相互聚集在一起形成叠连，叠连可以形成三维网络结构。这种网络结构类似弹性体，可以储存一部分能量。因此血液为粘弹性流体。血液的粘弹特性在大血管中表现并不明显，但在小雷诺数运动时，如微循环范畴内的血液流动，切变率大约在10-1s-1量级，惯性力非常小，可以忽略不计，此时流体的粘性力占主要地位。一般常见的测