血流变与血流动力学

1、 Hemorheology & Hemodynamic中国医科大学中国医科大学 杨金有杨金有物理学物理学生理学生理学病理与病病理与病理生理学理生理学 分子分子与细胞与细胞生物学生物学血液流变学血液流变学知识结构图知识结构图血液流变学血液流变学应用范围应用范围解解 剖剖生生 理理分子生物分子生物细胞生物细胞生物病病 理理药药 理理病理生理病理生理生生 化化循环内科循环内科循环外科循环外科神经内科神经内科神经外科神经外科中医学科中医学科影像介入影像介入妇产学科妇产学科骨骨 科科麻麻 醉醉肿肿 瘤瘤烧烧 伤伤放射科放射科老年病老年病心功能心功能精神病精神病血液流变学在生命科学中的位置血液流变

2、学在生命科学中的位置1 第一章 绪论 第二章 生物体的粘弹性 第三章 血液的流变性质、检测手段 及临床应用 第四章 血流动力学的模拟方法与基本数学模型 第五章 微循环流变学2第一章第一章 绪论绪论 血液流变学血液流变学生物流变学生物流变学生物力学生物力学 生物物理学生物物理学 血液流变学是研究血液及其组血液流变学是研究血液及其组分在血管中流动和变形性质及分在血管中流动和变形性质及其影响因素的科学。其影响因素的科学。31928年：年：美美Bingham流变学流变学1951年：年：美美Copley 血液流变学血液流变学1958年：年：美美Copley 血液和血管壁的关系血液和血管壁的关系1961年

3、：年：欧欧Wells 锥板式粘度计锥板式粘度计1966年：年：冰岛冰岛 第一届国际血液流变学会议第一届国际血液流变学会议1981年：年：日本日本 第四届国际会议创刊临床第四届国际会议创刊临床 血液流变学杂志血液流变学杂志1970198019902000血液流变学分类血液流变学分类 宏观血液流变学宏观血液流变学 微观血液流变学微观血液流变学 临床血液流变学临床血液流变学51.1.宏观血液流变学宏观血液流变学把血液看成连续介质，研究血液流动的整体行为。把血液看成连续介质，研究血液流动的整体行为。主要参数：血液粘度、血浆粘度、血沉、主要参数：血液粘度、血浆粘度、血沉、RBCRBC比比 积、切变率、剪

4、切力等等积、切变率、剪切力等等主要特点：主要特点：与血流动力学密切联系与血流动力学密切联系 因因果关系果关系模型化模型化血细胞个性血细胞个性+ +相互作用相互作用群群的总体结果的总体结果62.2.微观血液流变学微观血液流变学(1) (1) 细胞水平细胞水平对血细胞个性的研究对血细胞个性的研究血细胞变形性、聚集性、电性、力学性质等血细胞变形性、聚集性、电性、力学性质等(2) (2) 分子水平分子水平对血细胞个性的影响研究对血细胞个性的影响研究各种蛋白的影响；血细胞、血管和血浆中的各种蛋白的影响；血细胞、血管和血浆中的离子影响等离子影响等离子通道流变学离子通道流变学内皮细胞流变学内皮细胞流变学平滑

5、肌细胞流变学平滑肌细胞流变学流变学流变学7切应力切应力压应力压应力 张应力张应力（周向拉力）（周向拉力）ZXY血管理想模型血管理想模型这些力的作用将伴随生物体一生！这些力的作用将伴随生物体一生！细胞如何感受这些力的刺激？细胞如何感受这些力的刺激？这些力刺激的信号怎样转换成化学信号？这些力刺激的信号怎样转换成化学信号？8切应力切应力压应力压应力 张应力张应力（周向拉力）（周向拉力）ZXY血管理想模型血管理想模型这些力的作用将伴随生物体一生！这些力的作用将伴随生物体一生！ 越来越多的研究证明：在内皮细胞上越来越多的研究证明：在内皮细胞上存在着对力学信号敏感并对其信号转导有存在着对力学信号敏感并对其

6、信号转导有可能起作用的分子调节体。比如力的敏感可能起作用的分子调节体。比如力的敏感性离子通道，某些受体对剪切力敏感，称性离子通道，某些受体对剪切力敏感，称其机械敏感受体等。其机械敏感受体等。内皮细胞形态流变学；内皮细胞形态流变学；内皮细胞基因调控流变学；内皮细胞基因调控流变学；内皮细胞骨架蛋白流变学等内皮细胞骨架蛋白流变学等93.3.临床血液流变学临床血液流变学（1）疾病发生发展过程中的血液流变学状态及）疾病发生发展过程中的血液流变学状态及 对病理过程的影响对病理过程的影响 微循环；血栓形成微循环；血栓形成（2）用流变学方法诊断、治疗和预防疾病的规律）用流变学方法诊断、治疗和预防疾病的规律（3

7、）从流变学角度寻找药物治疗途径）从流变学角度寻找药物治疗途径 H脑梗塞；脑梗塞； ARBC糖尿病；糖尿病； 血栓病；血栓病； DRBC高血压高血压心血管系统新药研制与开发已加入流变学指标心血管系统新药研制与开发已加入流变学指标生化指标血浆蛋白、凝血因子、自由基、内毒素等改变与流变学的关系生化指标血浆蛋白、凝血因子、自由基、内毒素等改变与流变学的关系10血液流变学检测指标分类血液流变学检测指标分类 及相互关系及相互关系血液流变学指标是相应的血液流变性的数值表达血液流变学指标是相应的血液流变性的数值表达目前开发的血液流变学指标很多，可归纳为五类目前开发的血液流变学指标很多，可归纳为五类浓稠性、粘滞

8、性、聚集性、凝固性、红细胞刚性浓稠性、粘滞性、聚集性、凝固性、红细胞刚性反映反映 浓、浓、 粘、粘、 聚、聚、 凝、凝、 刚刚 五方面性质五方面性质1、浓稠性指标：包括、浓稠性指标：包括RBC H；PLT；WBC含量；血浆中的大分子含量含量；血浆中的大分子含量如：纤维蛋白原、球蛋白、白蛋白、血糖、血脂等含量）。其中任意一如：纤维蛋白原、球蛋白、白蛋白、血糖、血脂等含量）。其中任意一个或多个指标改变都个或多个指标改变都 改变血液的粘稠性。改变血液的粘稠性。 此类型疾病：真性此类型疾病：真性RBC增多症；新生儿增多症；新生儿RBC增多症；高原病；先天性增多症；高原病；先天性心脏病；充血性心衰；慢性

9、白血病；血小板增多症；烧伤；脱水等。心脏病；充血性心衰；慢性白血病；血小板增多症；烧伤；脱水等。11血液流变学检测指标分类血液流变学检测指标分类 及相互关系及相互关系血液流变学指标是相应的血液流变性的数值表达血液流变学指标是相应的血液流变性的数值表达目前开发的血液流变学指标很多，可归纳为五类目前开发的血液流变学指标很多，可归纳为五类浓稠性、粘滞性、聚集性、凝固性、红细胞刚性浓稠性、粘滞性、聚集性、凝固性、红细胞刚性反映反映 浓、浓、 粘、粘、 聚、聚、 凝、凝、 刚刚 五方面性质五方面性质2、粘滞性指标：包括全血粘度，血浆粘度，血清粘度，、粘滞性指标：包括全血粘度，血浆粘度，血清粘度，RBC内

10、液粘度及内液粘度及在不同切变率条件下的数值变化。如：高血压、高血脂症、白血病、原发在不同切变率条件下的数值变化。如：高血压、高血脂症、白血病、原发性巨球蛋白血症、球蛋白增多症、纤维蛋白原增多症、恶性肿瘤、慢性肝性巨球蛋白血症、球蛋白增多症、纤维蛋白原增多症、恶性肿瘤、慢性肝炎、肝硬化、肺心病等。炎、肝硬化、肺心病等。12血液流变学检测指标分类血液流变学检测指标分类 及相互关系及相互关系血液流变学指标是相应的血液流变性的数值表达血液流变学指标是相应的血液流变性的数值表达目前开发的血液流变学指标很多，可归纳为五类目前开发的血液流变学指标很多，可归纳为五类浓稠性、粘滞性、聚集性、凝固性、红细胞刚性浓

11、稠性、粘滞性、聚集性、凝固性、红细胞刚性反映反映 浓、浓、 粘、粘、 聚、聚、 凝、凝、 刚刚 五方面性质五方面性质3、聚集性指标：主要反映血细胞间聚集的难易程度。包括、聚集性指标：主要反映血细胞间聚集的难易程度。包括RBC的聚集指的聚集指数，电泳率，血沉，血沉方程数，电泳率，血沉，血沉方程K值，血小板粘附率，聚集率，最大聚集率值，血小板粘附率，聚集率，最大聚集率有效解聚率，有效解聚率，WBC聚集率、黏附率，血液触变性指标等。聚集率、黏附率，血液触变性指标等。 此类型疾病：缺血性脑中风；冠心病；心肌梗塞；血栓闭塞性脉管炎此类型疾病：缺血性脑中风；冠心病；心肌梗塞；血栓闭塞性脉管炎糖尿病；重症肺

12、炎；雷诺氏病；妊娠；脂肪肝等。糖尿病；重症肺炎；雷诺氏病；妊娠；脂肪肝等。13血液流变学检测指标分类血液流变学检测指标分类 及相互关系及相互关系血液流变学指标是相应的血液流变性的数值表达血液流变学指标是相应的血液流变性的数值表达目前开发的血液流变学指标很多，可归纳为五类目前开发的血液流变学指标很多，可归纳为五类浓稠性、粘滞性、聚集性、凝固性、红细胞刚性浓稠性、粘滞性、聚集性、凝固性、红细胞刚性反映反映 浓、浓、 粘、粘、 聚、聚、 凝、凝、 刚刚 五方面性质五方面性质4、凝固性指标：主要反映血液的凝血机制和功能所处的状态。比如凝血酶、凝固性指标：主要反映血液的凝血机制和功能所处的状态。比如凝血

13、酶活性，形成血栓的长度（体外血栓形成仪测），血栓弹力图的反应时间活性，形成血栓的长度（体外血栓形成仪测），血栓弹力图的反应时间r值值凝固时间凝固时间k值，最大凝血时间值，最大凝血时间m值，血栓最大幅度值，血栓最大幅度mR值，纤维蛋白原和值，纤维蛋白原和PLT含量等。含量等。 此类型主要是血栓性疾病：如老年人心脑血管血栓的形成；肾性综合症此类型主要是血栓性疾病：如老年人心脑血管血栓的形成；肾性综合症血栓形成；先天性血栓形成；先天性因子增高血栓病；家族性因子增高血栓病；家族性增高血栓病；糖尿病血栓增高血栓病；糖尿病血栓形成等。形成等。14血液流变学检测指标分类血液流变学检测指标分类 及相互关系及相

14、互关系血液流变学指标是相应的血液流变性的数值表达血液流变学指标是相应的血液流变性的数值表达目前开发的血液流变学指标很多，可归纳为五类目前开发的血液流变学指标很多，可归纳为五类浓稠性、粘滞性、聚集性、凝固性、红细胞刚性浓稠性、粘滞性、聚集性、凝固性、红细胞刚性反映反映 浓、浓、 粘、粘、 聚、聚、 凝、凝、 刚刚 五方面性质五方面性质5、红细胞刚性指标：主要反映、红细胞刚性指标：主要反映RBC变形性，变形性变形性，变形性 刚性刚性 。包括。包括RBC刚性指数刚性指数IR、TK值，值， RBC滤速滤速EFR， RBC变形指数变形指数DI， RBC滤过指数滤过指数IFRBC沉降差沉降差EPD等。等。

15、 RBC刚性对微循环和脑血流影响很大。刚性对微循环和脑血流影响很大。溶血性疾病：镰状溶血性疾病：镰状RBC贫血，血红蛋白贫血，血红蛋白C病；病；缺血性疾病：急性心肌梗塞，胰岛素依赖性糖尿病，周围血管闭塞性动缺血性疾病：急性心肌梗塞，胰岛素依赖性糖尿病，周围血管闭塞性动 脉疾病，缺血性脑中风，肾衰，休克；脉疾病，缺血性脑中风，肾衰，休克；其它：其它： 高渗血症，酸中毒，缺氧症等。高渗血症，酸中毒，缺氧症等。15物理思想物理思想方法方法线性思维线性思维：用数学模型，用数学模型，贯穿各种因贯穿各种因子的相互作子的相互作用关系用关系；把把握时空规律握时空规律；辨证的分析辨证的分析血液流变学血液流变学问

16、题。问题。正常正常 RBC H 范围范围男：男：40%50%女：女：37%48%切变率（切变率（s-1)血液粘度的正血液粘度的正常值范围常值范围切变率（切变率（s-1)血液粘度的正血液粘度的正常值范围常值范围1004.36.6105.110.7404.58.146.014.8204.79.028.820.1由于血流变指标的特点，不能根据其异常值确定疾病和病灶的由于血流变指标的特点，不能根据其异常值确定疾病和病灶的具体部位；但流变指标的改变提示在体内肯定存在着诱发病灶具体部位；但流变指标的改变提示在体内肯定存在着诱发病灶16第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性17ob段弹性形变段弹性形变b

17、点之后塑性形变点之后塑性形变b点为弹性极限点为弹性极限c点为屈服点点为屈服点屈服应力屈服应力cd段为蠕变段为蠕变f点为断裂点点为断裂点极限强度极限强度第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性18应变：应变：1、线应变（张应变、压应变）、线应变（张应变、压应变）2、切应变、切应变3、体应变、体应变第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性19应力：物体形变时产生的内力大应力：物体形变时产生的内力大小与截面积之比。小与截面积之比。1、正应力：线性应变，内力方、正应力：线性应变，内力方向与界面正交向与界面正交2、切应力：切应变，内力方向、切应力：切应变，内力方向与截面平行与截面平行第二章第二章 生

18、物体的粘弹性生物体的粘弹性几乎所有的生物体都是粘弹性体几乎所有的生物体都是粘弹性体1 粘弹性的力学特征粘弹性的力学特征1 1、弹性、弹性胡克定律胡克定律单位面积作用力单位面积作用力相对形变相对形变(效果效果)=物体力学性质物体力学性质20第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性几乎所有的生物体都是粘弹性体几乎所有的生物体都是粘弹性体1 粘弹性的力学特征粘弹性的力学特征1 1、弹性、弹性胡克定律胡克定律单位面积作用力单位面积作用力相对形变相对形变(效果效果)=物体力学性质物体力学性质21第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性几乎所有的生物体都是粘弹性体几乎所有的生物体都是粘弹性体1 粘弹性

19、的力学特征粘弹性的力学特征1 1、弹性、弹性胡克定律胡克定律 GF/A F/A 应力应力应变应变张应变张应变 dl/l 切应变切应变 dx/dr特点：给力特点：给力变形；撤力变形；撤力恢复恢复单位面积作用力单位面积作用力相对形变相对形变(效果效果)=物体力学性质物体力学性质22G为材料的切变模量为材料的切变模量第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性几乎所有的生物体都是粘弹性体几乎所有的生物体都是粘弹性体1 粘弹性的力学特征粘弹性的力学特征1 1、弹性、弹性胡克定律胡克定律单位面积作用力单位面积作用力相对形变相对形变(效果效果)=物体力学性质物体力学性质23第二章第二章 生物体的粘弹性生物体

20、的粘弹性几乎所有的生物体都是粘弹性体几乎所有的生物体都是粘弹性体1 粘弹性的力学特征粘弹性的力学特征24血管描述：血管描述：1、可扩张度：每升高单位压强所产生的体应变。、可扩张度：每升高单位压强所产生的体应变。 用体模量的倒数表达：用体模量的倒数表达：1/K 2、顺应性：压强改变一个单位是所对应的容积该变量，、顺应性：压强改变一个单位是所对应的容积该变量， 用用C表示表示, 即即C=dV/dp=V*1/K切变模量仅对固体材料有意义，流体不能抵抗切力作用，任何小的切变模量仅对固体材料有意义，流体不能抵抗切力作用，任何小的切力都会引起流动，所以流体没有自己确定的外形切力都会引起流动，所以流体没有自

21、己确定的外形第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性2 2、粘性、粘性牛顿流体（血浆、血清、水）牛顿流体（血浆、血清、水） 特点：给力特点：给力变形；撤力变形；撤力继续变形继续变形物理量度：粘度物理量度：粘度非牛顿流体（血液）非牛顿流体（血液） F/AF/Axrrx drdv tg=1/con cona rxdd 253.3.牛顿型流体与非牛顿型流体牛顿型流体与非牛顿型流体 牛顿流体牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体BinghamBingham塑性流体塑性流体非非BinghamBingham塑性流体塑性流体剪切稀化，剪切稠化剪切稀化，剪切稠化第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性cc: 屈服应

22、力屈服应力 非牛顿流体，当切应力超非牛顿流体，当切应力超过某临界值后才开始流动，过某临界值后才开始流动，此临界值称作屈服应力。此临界值称作屈服应力。26第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性注意：区别表观粘度注意：区别表观粘度CCtg 1 CC Casson方程方程 C C ：Casson粘度粘度a CC CCa 2、 Casson本征方程本征方程27第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性3 粘弹性的特征表现粘弹性的特征表现1 1、松弛性、松弛性当物体突然发生形当物体突然发生形变时，若应变保持变时，若应变保持一定，则相应的应一定，则相应的应力随时间的增加而力随时间的增加而下降的现象下降

23、的现象 tt28第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性3 粘弹性的特征表现粘弹性的特征表现2、蠕变性：应力保持不变，蠕变性：应力保持不变，物体的应变随时间的增加而物体的应变随时间的增加而增大增大29第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性3 粘弹性的特征表现粘弹性的特征表现3、滞后性：对物体做周期性的加载和卸载，则加载和卸载滞后性：对物体做周期性的加载和卸载，则加载和卸载的应力应变曲线不重合的应力应变曲线不重合30第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性3 粘弹性的特征表现粘弹性的特征表现应力松弛应力松弛滞后环滞后环 t 项背韧带项背韧带腱腱平滑肌平滑肌 项背项背韧带韧带腱腱平滑肌平滑

24、肌31第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性3 粘弹性的特征表现粘弹性的特征表现1 1、松弛性、松弛性2、蠕变性蠕变性3、滞后性滞后性三个特征都反映出生物体粘性与弹三个特征都反映出生物体粘性与弹性的辨证关系性的辨证关系变化的惯性特点变化的惯性特点数学模型：数学模型：生物体的粘弹性可以用动力粘度生物体的粘弹性可以用动力粘度d表示表示 id粘性分量粘性分量弹性分量弹性分量 负号表示两种作负号表示两种作用是对抗和互补的用是对抗和互补的血液在低切变率下表现粘弹性，即液体粘滞性和固体弹性特征的对立统一血液在低切变率下表现粘弹性，即液体粘滞性和固体弹性特征的对立统一32第二章第二章 生物体的粘弹性生物

25、体的粘弹性4 血液的触变性血液的触变性 t动态段动态段197.0 s 血液的粘滞性不仅是剪切力和血液的粘滞性不仅是剪切力和切变率的状态函数，而且与作用切变率的状态函数，而且与作用时间相关（粘弹性本质）。时间相关（粘弹性本质）。 ;, , tCon当当 ,0 tt与时间无关。与时间无关。 原因：静止状态原因：静止状态RBCRBC呈三维网状结构，当施加外力时，需要消耗一部分呈三维网状结构，当施加外力时，需要消耗一部分能量破坏结构。所以初始时刻，力的作用效果不仅体现在流动状态上，而能量破坏结构。所以初始时刻，力的作用效果不仅体现在流动状态上，而且还克服阻力作功，这种作用随躯散且还克服阻力作功，这种作

26、用随躯散RBCRBC聚集的实现而使需求量逐渐减小聚集的实现而使需求量逐渐减小33第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性4 血液的触变性血液的触变性 t动态段动态段197.0 s RBC被躯散后，还会因内力而聚被躯散后，还会因内力而聚集（聚集程度与切变率的大小有集（聚集程度与切变率的大小有关），当聚集和分离达到平衡时，关），当聚集和分离达到平衡时，维持一定切变率状态的维持一定切变率状态的值不再改值不再改变，即后曲线的平衡段。变，即后曲线的平衡段。特点：特点：1、施加于血液的切变率由零到某数值再回到零，应力应变率曲线、施加于血液的切变率由零到某数值再回到零，应力应变率曲线 并不沿原路回到原点，

27、而是呈现出滞后现象。并不沿原路回到原点，而是呈现出滞后现象。 2、受到震动后变为液体，停止震动后又变为凝胶。、受到震动后变为液体，停止震动后又变为凝胶。 3、持续施加一固定的切变率时，粘度随剪切时间的延长而降低。、持续施加一固定的切变率时，粘度随剪切时间的延长而降低。34第二章第二章 生物体的粘弹性生物体的粘弹性4 血液的触变性血液的触变性 t动态段动态段197.0 s 注意注意测量血测量血液粘度液粘度时避免时避免触变性触变性造成的造成的误差！误差！35第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质 血液流变性的基本特征血液流变性的基本特征;内在机制内在机制和影响因素和影响因素.是血液流变学的本征

28、内是血液流变学的本征内容容,也是血液流变学最基础部分也是血液流变学最基础部分.1 血液的组成血液的组成36 血液血液血液血液血液血液的组成的组成的组成的组成的组成的组成37血细胞扫描电镜图血细胞扫描电镜图(E(E红细胞红细胞 G G粒细胞粒细胞 L L淋巴细胞淋巴细胞 M M单核细胞单核细胞 P P血小板血小板) )巨噬细胞吞噬红巨噬细胞吞噬红细胞扫描电镜图细胞扫描电镜图3839 1818岁的亚历山大德丽娜岁的亚历山大德丽娜维多利亚登上了英国女王的宝座，维多利亚登上了英国女王的宝座，2121岁和她的表哥结婚，共生育了岁和她的表哥结婚，共生育了9 9个孩子，其中第个孩子，其中第1 1、3 3、5

29、 5、6 6、9 9是女是女儿，第儿，第2 2、4 4、7 7、8 8是儿子；在这是儿子；在这9 9个孩子中有两个女孩，即排行第个孩子中有两个女孩，即排行第3 3的和排行第的和排行第9 9的继承了母亲的血友病致病基因，是血友病基因的隐的继承了母亲的血友病致病基因，是血友病基因的隐性携带者，性携带者，4 4个男孩子中有个男孩子中有3 3个也患有血友病，带有血友病致病基因个也患有血友病，带有血友病致病基因的维多利亚女王的第的维多利亚女王的第3 3个女儿嫁到德国，成为了黑森大公爵路易斯个女儿嫁到德国，成为了黑森大公爵路易斯二世的孙媳妇，这样她就把血友病基因带给了黑森家族；她的两个二世的孙媳妇，这样她

30、就把血友病基因带给了黑森家族；她的两个女儿也都成了血友病致病基因的携带者。大女儿长大后嫁到德国成女儿也都成了血友病致病基因的携带者。大女儿长大后嫁到德国成了皇帝的媳妇，这样又把血友病基因带到了德国的普鲁士家族；艾了皇帝的媳妇，这样又把血友病基因带到了德国的普鲁士家族；艾丽斯的第二个女儿阿利克斯则嫁给了俄国沙皇尼古拉二世，他们的丽斯的第二个女儿阿利克斯则嫁给了俄国沙皇尼古拉二世，他们的孩子因此患上了血友病，来自英国的血友病便远涉千里到了俄国。孩子因此患上了血友病，来自英国的血友病便远涉千里到了俄国。维多利亚女王的第维多利亚女王的第9 9个小女儿比阿特丽斯嫁给了黑森大公爵路易斯个小女儿比阿特丽斯嫁

31、给了黑森大公爵路易斯二世的另一孙子，生下的女儿叫维多利亚，也是血友病基因携带者。二世的另一孙子，生下的女儿叫维多利亚，也是血友病基因携带者。她后来嫁给了西班牙国王阿方索她后来嫁给了西班牙国王阿方索1313世。维多利亚女王的血友病基因世。维多利亚女王的血友病基因便这样传到了西班牙，使西班牙王子患上了血友病。便这样传到了西班牙，使西班牙王子患上了血友病。40血友病血友病2 2 血液的粘度血液的粘度( (Viscosity) )分类：分类：a. 按流动状态按流动状态第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质定义：定义：血液内摩擦的度量量血液内摩擦的度量量粘度粘度宏观量宏观量 是血细胞之间及与血管壁之

32、间相互作用的统计结果；是血细胞之间及与血管壁之间相互作用的统计结果； 是表述细胞流动变形性质的各个指标变化的综合体现；是表述细胞流动变形性质的各个指标变化的综合体现； 是连接血流动力学和血液流变学的桥梁。是连接血流动力学和血液流变学的桥梁。 牛顿粘度牛顿粘度 微分粘度微分粘度 表观粘度表观粘度 Casson粘度粘度 / dd/ / a /2cc 412 2 血液的粘度血液的粘度( (Viscosity) )分类：分类：b. 按血液组成性质按血液组成性质第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质 血浆粘度血浆粘度 牛顿粘度牛顿粘度 相对粘度相对粘度 还原粘度还原粘度pbr 血液粘度血液粘度血浆粘

33、度血浆粘度Hbre RBC比积比积例例正常正常对照对照病理病理模型模型药物药物作用作用6.08.07.0H%304035b 202020re 意义：除去意义：除去H H的影响，的影响，实质是考察实质是考察H H的影响。的影响。将相对粘度与还原粘度一起表示：将相对粘度与还原粘度一起表示：Hbpbre1 422 2 血液的粘度血液的粘度( (Viscosity) )分类：分类：b. 按血液组成性质按血液组成性质第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质 血浆粘度血浆粘度 牛顿粘度牛顿粘度 相对粘度相对粘度 还原粘度还原粘度pbr 血液粘度血液粘度血浆粘度血浆粘度Hbre RBC比积比积例例正常正常

34、对照对照病理病理模型模型药物药物作用作用6.08.07.0H%304035b 202020re 意义：除去意义：除去H H的影响，实的影响，实质是考察质是考察H H的影响。的影响。临床上三个容易被混淆的概念：临床上三个容易被混淆的概念： 血液粘度血液粘度 全血粘度全血粘度 表观粘度表观粘度指某一具体部位、状态的指某一具体部位、状态的粘度；实际值。粘度；实际值。指某一生物体内粘度的平指某一生物体内粘度的平均值、统计值。均值、统计值。 / 的比值；物理意义的比值；物理意义上的理论值。上的理论值。433 3 影响血液粘度的因素影响血液粘度的因素1、切变率：、切变率：第三章第三章 血液的流变性质血液的

35、流变性质 “血粘血粘”是血流变各指标的综合体现是血流变各指标的综合体现, ,故影响因素复故影响因素复杂，且互为因果，共同起作用。但在考虑问题时，应注杂，且互为因果，共同起作用。但在考虑问题时，应注意突出主要矛盾，分清主要矛盾和次要矛盾。意突出主要矛盾，分清主要矛盾和次要矛盾。血流变性很大程度上取决于血流变性很大程度上取决于drdv 或平均值或平均值rv 当当 0.1 s-1, 三维网状，很大聚集体；三维网状，很大聚集体；H=45%H=010 200 s-1, Casson流动；流动；0.1 200 s-1, 近似牛顿流体。近似牛顿流体。析图析图高高 时，时，b比比w高高2 10倍；倍；0 0

36、时，时，b比比w高高100 10000倍倍44453 3 影响血液粘度的因素影响血液粘度的因素2、RBC H （Hematocrit)：第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质RBC总体积占血液体积的百分比总体积占血液体积的百分比H 定义定义实测实测RBC压积压积 RBC HH与与的关系的关系硬化硬化RBC520.01s-10.525.20.052正比关系，正比关系，H 影响影响RBC H的因素的因素a. 温度温度b. 海拔高度海拔高度c. 吸烟吸烟d. 饮酒饮酒e. 生理、心理因素生理、心理因素13/13/1 HaD aD 是与切变是与切变率有关的系数率有关的系数46 在高原,由于外环境低

37、氧,可导致红细胞系统增生活跃,分裂细胞增多,骨髓中成熟红细胞释放到血液中,明显增多的红细胞使红细胞压积增高,导致全血粘度增加。另外,缺氧令毛细血管壁损伤,免疫球蛋白代偿性增加,纤维蛋白元明显增高,红细胞的变形力随之改变,红细胞内粘滞性因而增加,故红细胞电泳速度减慢。这就使高原人群血液流变学具有“浓、粘、聚”的特点,易移行为血瘀证。第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质473 3 影响血液粘度的因素影响血液粘度的因素2、RBC H （Hematocrit)：第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质临床意义临床意义真性真性RBCRBC增多症、肺心病、脑梗塞、白血病、烧伤、严重脱水增多症、肺心

38、病、脑梗塞、白血病、烧伤、严重脱水RBC H增加显著增加显著慢性骨髓增生性疾病。慢性骨髓增生性疾病。骨髓中干细胞不能控骨髓中干细胞不能控制地增生，周围血液制地增生，周围血液红细胞显著增高，红红细胞显著增高，红细胞压积约为细胞压积约为0.60.8血流变指标的改变主血流变指标的改变主要由缺氧和酸中毒引要由缺氧和酸中毒引起。或伴有凝血机制起。或伴有凝血机制失调、弥漫性凝血等失调、弥漫性凝血等压积增大使血粘增加、压积增大使血粘增加、流速减慢，血细胞聚流速减慢，血细胞聚集性增大，血管病变集性增大，血管病变. H46%-5倍发病率倍发病率; H51%的的67%发病发病;H 50%患者患者2倍死亡倍死亡指白

39、细胞过高性白血指白细胞过高性白血病。因白细胞个大且病。因白细胞个大且变形能力差，对血流变形能力差，对血流的影响更甚。因贫血的影响更甚。因贫血血粘的变化不明显血粘的变化不明显皆因脱水造成红细胞皆因脱水造成红细胞比积的增大。比积的增大。483 3 影响血液粘度的因素影响血液粘度的因素3、RBC A （Aggregation)：第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质RBC网状结构有一定强度。网状结构有一定强度。定义定义 :C 225.01.0 FCCH 不同物质不同物质c不同不同C 是衡量聚集能力的是衡量聚集能力的重要特征量重要特征量（比如健康人血：（比如健康人血： RBC H “0.45-0.

40、50”, t=37 c, C 0.05 dyn/cm2） 0.005 N/m2493 3 影响血液粘度的因素影响血液粘度的因素3、RBC A （Aggregation)：第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质A与与的关系的关系 RBC在血浆中在血浆中RBC在白蛋白在白蛋白-Ringer液中液中聚集影响聚集影响10-21010-11低切区，低切区，RBC A 是影响是影响 的重要因素！的重要因素！当当 45 50 s-1，流动的血液基本流动的血液基本由单个由单个RBC形成。形成。实验实验血沉、电泳、透光率等。血沉、电泳、透光率等。503 3 影响血液粘度的因素影响血液粘度的因素3、RBC A

41、 （Aggregation)：第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质影响影响RBC A的因素的因素a. 剪切力剪切力FS（切应变）的作用（切应变）的作用解聚解聚b. 静电斥力静电斥力Fe的作用的作用抑制聚集抑制聚集c. 生物大分子桥联力生物大分子桥联力Fb的作用的作用d. RBC膜的变形能力膜的变形能力Fm(与与RBC A正相关）正相关）FA = Fb- Fe FS + Fm（此外还有（此外还有 RBC H和和C的影响）的影响）513 3 影响血液粘度的因素影响血液粘度的因素第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质临床意义临床意义缺血性脑中风、冠心病、糖尿病、脉管炎、恶性肿瘤缺血性脑中风

42、、冠心病、糖尿病、脉管炎、恶性肿瘤RBC A 增加显著增加显著细胞膜表面脂质堆积、细胞膜表面脂质堆积、钙质沉着、电性改变，钙质沉着、电性改变，纤维蛋白原含量增强，纤维蛋白原含量增强，造成脑组织缺血、缺造成脑组织缺血、缺氧、酸中毒等氧、酸中毒等冠状动脉粥样硬化导致冠状动脉粥样硬化导致心肌缺血缺氧，病人红心肌缺血缺氧，病人红细胞电泳时间过长（表细胞电泳时间过长（表面电荷减少），面电荷减少），59年发现。患者红细胞年发现。患者红细胞聚集快、聚集体大，约聚集快、聚集体大，约10倍力解聚。原因纤维倍力解聚。原因纤维蛋白原浓度和球蛋白血蛋白原浓度和球蛋白血浆浓度升高浆浓度升高; 红细胞表红细胞表面电荷减少

43、及白蛋白浓面电荷减少及白蛋白浓度降低。度降低。由聚集性明显增大导由聚集性明显增大导致血液淤滞、血栓形致血液淤滞、血栓形成、血管阻塞及血流成、血管阻塞及血流紊乱血液流变异常。紊乱血液流变异常。高粘滞血症状态。红高粘滞血症状态。红细胞变形差、纤维蛋细胞变形差、纤维蛋白原、球蛋白含量和白原、球蛋白含量和血小板附着明显增加血小板附着明显增加3、RBC A （Aggregation)：52 冠心病血液冠心病血液粘度增高的主粘度增高的主要影响因素要影响因素第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质53第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质54脑血栓及梗死553 3 影响血液粘度的因素影响血液粘度的因素

44、4、RBC D （Deformability)：第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质（2）高切区，）高切区，RBC D 是影响是影响的重要因素！的重要因素！ RBC D ； (1) 静止静止RBC呈双凹圆盘形；流场中改变形状顺应流动条件。呈双凹圆盘形；流场中改变形状顺应流动条件。细胞长轴细胞长轴m1610-3N/cm2剪应力剪应力2460128细胞长轴最大为静止状态的细胞长轴最大为静止状态的230%倍倍甲醛固定的甲醛固定的RBC在生理盐水中在生理盐水中RBC在血浆中在血浆中变形影响变形影响101021035657(3) 影响影响RBC D的因素的因素a. RBC膜的力学性质膜的力学性质b

45、. RBC的内液粘度的内液粘度c. RBC的几何形状的几何形状流动性流动性粘弹性粘弹性RBC内的血红蛋白浓度内的血红蛋白浓度 C , , 由球形指数由球形指数Si确定确定 RBC DSi越小，变形性越好越小，变形性越好RBC D还取决外界条件：还取决外界条件： ；pH; 渗透压渗透压58流动性流动性RBC膜膜蛋白质蛋白质 50%膜骨架蛋白膜骨架蛋白镶嵌蛋白镶嵌蛋白脂类脂类 42%糖糖 8%磷脂磷脂 70%（双分子层）（双分子层）胆固醇胆固醇30%凝胶相凝胶相溶胶相溶胶相液态液态晶态晶态T RBC膜运动的特点：坦克履带式运动膜运动的特点：坦克履带式运动 半透膜：利于交换物质、半透膜：利于交换物质

46、、减少阻力；由于均匀受力减少阻力；由于均匀受力使细胞膜不易损坏。使细胞膜不易损坏。a. RBC膜的力学性质膜的力学性质59粘弹性粘弹性RBC膜对任膜对任意闭合曲面意闭合曲面有两种形变有两种形变纵向纵向实测正常膜实测正常膜切向切向（v不变）不变） GG越大，变形性越差越大，变形性越差（v变）变）指表面上各质点沿着纵向位移或切向位移指表面上各质点沿着纵向位移或切向位移G切切 610-3 (10-5N/cm2)G纵纵 450 (10-5N/cm2)指比最柔软的橡胶软指比最柔软的橡胶软100倍！倍！所以所以RBC D的特点是等体积形变的特点是等体积形变注意注意如果胆固醇与磷脂的比值增大（胆固醇含量增高

47、），如果胆固醇与磷脂的比值增大（胆固醇含量增高），可引起可引起G值改变，膜的流动性和变形性均下降。值改变，膜的流动性和变形性均下降。60红细胞膜胆固醇含量升高对变形红细胞膜胆固醇含量升高对变形性和输氧功能的影响性和输氧功能的影响 用人工方法改变膜脂用人工方法改变膜脂中胆固醇的含量，使其中胆固醇的含量，使其ch/pl 的比值由的比值由0.6增加至增加至2.0 （正常为（正常为0.80.9）由）由于于ch/pl 比值的增加，使比值的增加，使氧从氧从RBC释放的速度降释放的速度降低低10%;变形性降低变形性降低20%。第三章第三章 血液的流变性质血液的流变性质61b. RBC的内液粘度的内液粘度RB

48、C的内液粘度主要取决于血红蛋白浓度的内液粘度主要取决于血红蛋白浓度正常范围正常范围C 从从 27 27 g g/dl /dl 37 g/dl 从从 5 mPaS 12 mPaS当当C 37 g/dl 时，时，C 40， 45， 50 g/dl 45，170，650 mPaS呈指数增加，是影响呈指数增加，是影响RBC D的不可忽视因素的不可忽视因素6263p0.05p0.001p0.05p0.001Difference (%)64c. RBC的几何尺寸的几何尺寸人血的人血的RBC体积体积相应相应圆球表面积圆球表面积球形指数球形指数SiSi = 1 不可能变形不可能变形Si c时，时， 21cc

49、.当当 c时，时，0 由由Stokes定律定律drlPd2 dPldr 2 max2 dPlva. c max max212 dPlvcc81第四章第四章 血液流动的基本方程血液流动的基本方程rcrRv2 Casson流量方程流量方程b. c max max1022 ccddPlvcc cccrRrRlPv3143 2、Casson流量分布流量分布 FRlPQc48 421211347161 F110F()82第四章第四章 血液流动的基本方程血液流动的基本方程2 Casson流量方程流量方程 FRlPQc48 421211347161 F110F()=Pc/PPc/l为为r = R处，处， =

50、 c时的时的P/l( (压力梯度）压力梯度）值。值。极限值极限值=0=0时，时，P Pc c=0=0或或c=0 F F（ ）=1=1，方程回归到泊肃叶定律，方程回归到泊肃叶定律=1=1时，时，Pc= P F F（ ）=0=0，Q=0 =0 血液将无法流动血液将无法流动Plr 2 CCPlR2 由由有有一般情况一般情况 F F（ ） 1 1，Qcasson Q牛顿牛顿83考虑心脏周期泵浦作用考虑心脏周期泵浦作用加入周期性变化的因子，压力梯度加入周期性变化的因子，压力梯度dzdPlP 流量方程流量方程 WomersleyWomersley方程用贝塞尔函数表示方程用贝塞尔函数表示 tieaiJaia

51、iJiRAQ 2/302/32/312*21第四章第四章 血液流动的基本方程血液流动的基本方程3 Womersley方程方程dtdv tieA * 设设z轴为流动方向轴为流动方向量纲代换：用密度反映压强性质量纲代换：用密度反映压强性质g=p/z(Bernoulli方程结论类比方程结论类比）A*为复常数；为复常数；=2f, f 为脉动频率为脉动频率速度方程速度方程 tieaJyaJiAv 2/302/30*1其中其中Rry Ra 贝塞尔参数贝塞尔参数84第四章第四章 血液流动的基本方程血液流动的基本方程4 4 湍流、雷诺数湍流、雷诺数 urRe2 湍流湍流血液在血管中常见的行为血液在血管中常见的

52、行为混沌状态。混沌状态。从物理量纲上推从物理量纲上推湍流特点：高湍流特点：高v;边界条件改变边界条件改变;粒子运动杂乱。粒子运动杂乱。惯性力作功惯性力作功动能动能221muE 粘滞力作功粘滞力作功ruVlruAlFW 雷诺数（雷诺数（1883年）年）Re= 惯性力惯性力粘滞力粘滞力rVumu/212 ur21 纯数纯数Re 25002300 Re 2500层流层流湍流湍流不确定不确定实验室离体数据实验室离体数据体内多种因素要体内多种因素要影响该临界参数影响该临界参数85第四章第四章 血液流动的基本方程血液流动的基本方程4 4 湍流、雷诺数湍流、雷诺数3600 5800体循环体循环 各血管雷诺数

53、如下各血管雷诺数如下1200 1500上行主动脉上行主动脉下行主动脉下行主动脉毛细血管毛细血管大静脉大静脉0.0007 0.003630 900讨论讨论1、实际情况、实际情况(1)不是湍流不是湍流,(2)也不是层流也不是层流,均属周期振荡流均属周期振荡流. 实际情况实际情况(3)不是层流不是层流,血细胞个性突出血细胞个性突出,随机效应明显随机效应明显, 即非稳流即非稳流.(4)应该是层流应该是层流,但却常常出现湍流但却常常出现湍流.2、湍流时、湍流时,流体粒子急剧随机运动流体粒子急剧随机运动,使质量动量和能量及传使质量动量和能量及传 输率输率比分子热运动引起的传输能力高出几个数量级比分子热运动

54、引起的传输能力高出几个数量级.3、湍流时、湍流时,局部瞬间切变率局部瞬间切变率,粘性消耗率粘性消耗率 ,要靠要靠 P/l 补偿补偿;热损耗能量热损耗能量 ,振动等现象也耗能振动等现象也耗能.868787 一、简介 （一）、血流动力学(hemodynamics)指用流体力学理论、技术和方法研究血液在血管中循环流动的基本规律、生理意义及其与疾病的关系，是指血液在心血管系统中流动的力学，是以血液与血管的流动和变形为研究对象，研究血液流动的力学因素如壁面切应力、二次流等与血管疾病的关系。血液是一种流体，因此血流动力学基本原理与一般流体力学的原理相同。但由于血管系统是比较复杂的弹性管道系统，血液是含有血

55、细胞和胶体物质等多种成分的液体而不是理想液体，因此血流动力学既具有一般流体力学的共性，又有其自身的特点。模拟方法及简介8888 （二）、血流动力学（二）、血流动力学 - 特点特点1.血流量和血流速度 血流量(blood flow)指在单位时间内流经血管某一截面的血量，也称为容积速度。通常表示为ml/min或L/min。 血流速度(blood velocity)指血液中一个质点在管内移动的线速度。当血液在血管内流动时，血流速度与血流量成正比，而与血管的横截面积成反比。 8989 1.1泊肃叶定律 泊肃叶研究了液体在管道系统中流动的规律。通过泊肃叶定律(Poiseuilles law)可以计算出流

56、量。该定律表示为： )(8214ppLRQ9090 1.2层流与湍流层流与湍流 各流层不相混合而只作相对滑动的流动称为层流层流。当流体内部的压强差加大、流速增大时，层流将遭破坏，流体作紊乱而不稳定的运动，流体质元出现垂直于流动方向的分速度，这种流动称为湍流湍流9191 2.血流阻力(blood resistance)指血液在血管内流动时所遇到的阻力。其产生的原因是由于血液流动时发生摩擦。摩擦消耗的能量一般表现为热能，这部分热能不能再转换成血液的势能或动能。因此血液流动时的能量逐渐消耗，促使血液流动的压力逐渐降低。湍流时，血液在血管中的流动方向不一致，阻力更大，故消耗的能量更多。 血流阻力一般不

57、能直接测量，而是要通过测量血流量和血管中两端压力差计算得出。三者关系可用下式表示： 4f8RLRf21)(RppQ9292 （三）、血流动力学与血管疾病的关系 目前国外有很多的学者的研究表明，血管疾病与弯曲动脉中的血液流动特性密切相关的，即与血液流动的力学因素和动脉血管几何(形状)因素的相互作用机制有着极其密切的关系。血流速度和压力的改变、流动的分离与再附、回流的产生特别是这些动力学参数在血液脉动流条件下的复杂表现，可造成了血管的局部生理变化，导致了动脉病变。如动脉粥样硬化疾病。9393动脉粥样硬化疾病早期的斑块沉积大多发生于冠动脉粥样硬化疾病早期的斑块沉积大多发生于冠状动脉、颈动脉、腹主动脉

58、、股动脉等得复杂状动脉、颈动脉、腹主动脉、股动脉等得复杂流动区域，这些区域的复杂血流动力学因素在流动区域，这些区域的复杂血流动力学因素在动脉粥样硬化的发生和发展过程中起着决定性动脉粥样硬化的发生和发展过程中起着决定性的作用。的作用。9494 （四）血流动力学实验参数的测量目前血流动力学参数的测量方法可分为体内活体测量和体外模型实验测量。体内测量通常用超声、MRI等方法进行测量，但是无法获得流线、WSS等参数。体外模型实验通常用硅玻璃制作成血管进行体外血流循环模拟，但造价高并且获得参数有限。959596969797二、模拟方法 基于计算流体力学的数值模拟方法 随着医学成像技术的提高和高性能计算机

59、的出现，使得基于计算流体力学的有限元分析方法越来越多地应用到血流动力学的模拟分析研究中，从而获得详细血流动力学参数。在血流动力学的数值模拟中可以采用准确的血液流变学模型、真实的血管本构关系及真实的管壁质量传输特性。同时可以用现代化技术获得直观全面的数值模拟结果。这些使得数值模拟方法越来越成为心血管血流动力学研究的主流方法。9898（一）计算流体力学原理 1.计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。2.CFD的基本思想是把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速

60、度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD可以看做是流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。 9999 （二）、计算流体力学的求解过程 1.建立控制方程，即建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型，其为反映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件。流体的基本控制方程