生物力学课程——第六章血管的力学性质18新

上，平滑肌的收缩和松弛，可以控制小动脉的直 径，甚至导致血管闭锁。
一般认为血管壁径向扩张增大时，刚性很快增加 的原因是与其弹性纤维和胶原纤维的性质决定的。
在应变不大时，大部分胶原是松弛和卷曲的，所 有应力只有弹性纤维承受。
应变增大时，胶原纤维被拉直，它的应力逐步增大， 由于胶原纤维比弹性纤维刚硬得多，因此，血管壁也 变得刚硬许多。这样使血管壁即具有很好的弹性,又可 防止过度的膨胀。
二.毛细血管 毛细血管很细，和血细胞直
径同数量级，其变形更是一个微 量，很难精确测定。
三种血管的关系
毛细血管的力学性质取决于 它和周围组织的关系。不同的器 官和组织内，毛细血管具有不同 的力学性质。
三. 静脉血管特点: 静脉血管管壁较薄，弹性模
量比较小，血管的内压又往往 低于外压，因此静脉血管往往 会失稳。这正是静脉血流的许 多异常现象产生的原因。
轴向张力
第二节 动脉血管的顺应性
（Arterial Compliance ）
• 无论是加载或卸载过程， 压力与体积之间的变化关系 都是非线性的。 • 可清楚看到滞后环的存在。
主动脉弓加载与卸载过程的体积--压力曲线
各动脉管段的压力与单位管长血管段体积 之间的变化关系。
对于单位长度的血管段来说，在同样压 力作用下，主动脉弓的体积最大，主动脉弓 连同胸主动脉、单独胸主动脉、颈动脉、股 动脉等的体积依次减小；
弹性的薄层,每层均由弹性 纤维、胶原纤维、平滑肌 交织组成；
外层： 松弛的结缔组织。
血管的力学性质主要取决于
中层的弹性纤维、胶原纤维、平滑肌三种组分
含量百分比 空间构型 各自的力学性质。
这三种组分的空间构型及力学性质有明显的差异。
一．弹性纤维、胶原纤维、平滑肌 的空间结构
(The space structure of elastic fibers、 collagen fibrils 、smooth muscle ）
PWV大,血管硬度高,弹性差。
什么因素影响PWV？
• 年龄、血压 • 管壁厚度、血管半径
（管腔变形狭窄和血管弯曲时PWV减慢）
• 血液密度、血流速度等
年龄和血压水平是影响 PWV的最重要因素。
●随着年龄的增长，动脉管壁常发生粥样 硬化或纤维硬化，年龄每增加10岁，PWV一般 增大10%-15%。
病理：血管狭窄或闭塞，导致心肌梗死、脑中风和 周围器官如肝、肾和肢体的功能障碍。
动脉粥样硬化性心脑血管病位于人类疾病谱和死因 谱的首位。
动脉粥样硬化是一种多因素疾病， 因为好发于特殊的血流动力学部位，力 学因素理应受到特别重视。
血液 血管 ，因此脉搏波传播时
血液的流变特性
脉搏波的波速 脉搏波的形状 脉搏波振幅大小
将由 血管的力学性质 所决定。
血管的几何形状
意义
1．反映心率和节律 2．反映管壁弹性 3．反映心缩力的大小 4．可测定射血时间 5．反映主A瓣情况 6．反映脉压的大小
二.反射波 实际的动脉树中，由于分支、动脉大小
多，管壁增厚等老年性变化所致。 另外，动脉管壁的弹性模量还将随血管内的压
力和尺寸而变化。
脉搏波传播速度主要取决于血管壁的弹性摸量。 因此临床中常通过检测脉搏波波速来评价动脉管的 硬化程度
四．动脉弹性功能的检测 动脉弹性是指动脉的舒缩功能。动脉弹性功能
减退已成为心血管危险的重要标记之一。目前已 有多种无创性手段检测动脉系统的弹性功能。 动脉的扩张性、硬度、弹性与顺应性意义相近。
弹性纤维呈卷曲状的网络结构， 其纵向有若干裂隙。
升主动脉 降主动脉 远端主动脉
胶 原 纤 维
胶原纤维在血管壁中形成另一种网络： • 在应力较小时，这种网络皱缩成波纹状，在一般扩张压下，
胶原纤维并不伸展；
• 当血管扩张到一定程度后，胶原纤维才伸展到其原有长度；
• 若血管壁继续扩张，则胶原纤维将产生极大的张力，以对
荡变化与振荡压力变化之间的比值，又称振 荡顺应性。
C1与C2分别反映大动脉与小 动脉弹性功能，C1和C2越小，表 示大动脉与小动脉弹性越差。
目前，许多研究已经证实C1和C2能 较敏感地早期发现动脉弹性功能减退， 最早受到影响的是 C2。
由于多种心血管危险因素和氧化应激反应首 先影响动脉内皮功能。小动脉的内膜层较薄，中 层平滑肌细胞最容易受到一氧化氮（ NO）缺乏 的影响，导致舒张功能受损，因此小动脉弹性减 退往往发生较早而且明显。C2测定能检测到小动 脉弹性功能，这显然十分重要而有意义。
AI= △P /PPc
△P：中心动脉压力反射波增幅， PPc ：中心动脉脉压。
AI能定量反映整个动脉系统的总体 弹性，敏感地显示因大、小动脉弹性改 变引起的压力波反射情况。 不足：不能区分大、小动脉弹性的改变
(2)大动脉弹性指数C1和小动脉的弹性指数C2 大动脉弹性指数C1：舒张期血流容积减
少与压力下降之间的比值，又称容量顺应性； 小动脉弹性指数 C2：舒张期血流容积振
人体的血管
已有较多文献证明，PWV是预 测心、脑血管病发生和死亡的一 种有价值的指标。
（c）方法 PWV测定可用压力感 受器或多普勒信号方法拾取不同动 脉部位的脉搏波。
现在较多使用脉搏波速度自动 测定仪，测定颈动脉—股动脉脉搏 波传导速度。
但是PWV测定也存在不足之处：首先它不能 提供关于导致血管异常或改变的确切潜在机制。
Mechanical property of blood vessel
人体的血管
血管壁是一个具有多层复 合结构的中空管道，它承受 血液压力和管外组织的束缚。
第一节 血管的构造、组成材料 及其力学性质
通常动脉和静脉血管壁由内、中、 外三层结构组成：
内层： 主要是内皮细胞和基质膜
中层： 可分为若干同心的、具有
曲线的斜率dv/dp为血管壁的顺应性。 越远离心脏，人体动脉的顺应性将变得越差。 血管壁的顺应性是表示动脉系统缓冲功能， 即弹性或硬度的最佳临床指标之一。
表明: 在远离心脏的方向，动脉血 管的弹性纤维含量越来越少，平滑 肌含量越来越多，因此血管的弹性 会越来越差。
第三节 小动脉、毛细血管、静脉 的力学性质
• 胸外血管中，这种比例将反过来，弹性纤维只占30%，而胶原 纤维则占70%。
动脉血管壁中弹性纤维和胶原纤维含量的百分比
越靠近心脏，动脉血管壁弹性纤 维含量百分比越高，弹性越好。
从主动脉、大动脉到分支动 脉，平滑肌含量所占的百分比将 越来越高。
动脉各管段的特性不同，越远离心脏， 动脉管壁的弹性越差。
所以主动脉弹性好，小动脉会关闭（具 有主动收缩的能力）。
三．弹性纤维、胶原纤维、平滑肌的力学性质
弹性纤维
胶原纤维
平滑肌
弹性纤维、胶原纤维和（肠）平滑肌的应力-伸长比
弹性纤维 胶原纤维
平滑肌
弹性纤维: • 拉伸弹性模量较小，约为3×105—6×105N/m2。
• 抗张强度较低 • 滞后环很小,应力松弛相当不明显，相当接近于
PWV改变即可能是： ●结构如动脉壁厚度、血管内径改变； ●也可能是功能上的改变如灌注血压的改变； ●再有体表测量的距离有误差，体表测量脉搏 波的传播距离仅仅是个估计值，若获得精确值， 只能通过有创途径。另外, PWV测定的敏感性较 差，不容易发现血管弹性的轻微改变。
2．脉搏波波形分析 （1）反射波增强指数
三种血管管壁的厚度、管腔的大小的比较
动脉
静脉
毛细血管
血管名称
三种血管的比较
动脉
静脉
毛细血管
血流速度 快
慢
极慢
管壁特点 管壁厚，弹性大
管壁薄，弹性小 管壁极薄，只由一 层上皮细胞构成
管腔大小 功能
小
大
极小，管内径
仅有8~10微米
把血液从心脏输送到 身体各部分
把血液从身体各部 分送回心脏
连通于最小的动脉与 最小静脉之间的血管， 是毛细血管和组织细 胞间物质交换的场所
●随着血压水平升高，管壁承受压力的部 位从具有较大弹性的弹力纤维转移到硬度较 高的胶原，管壁变硬。
PWV的数值虽然随着年龄的增加而增 大，但一些慢性病如糖尿病、高血脂、肥 胖症在发展过程中，也会导致PWV的数值 较一般健康者的数值高。
此外，测量的部位也影响PWV。距离心脏越远，PWV越快。
PWV主要反映一段血管壁功能，可在不同 的动脉段进行，如颈动脉—股动脉、肱动 脉—桡动脉、股动脉—胫动脉、等。PWV大， 表示动脉硬度高、顺应性差。反之，则血管 硬度低、顺应性好。
1．脉搏波的传播速度 （pluse wave velocity，PWV）
脉搏波传播速度测定是目前比较成熟经典的衡 量大动脉弹性方法。
动脉壁力学性质（弹性）
PWV 几何学特性（直径和壁厚度） 决定。
血液的密度 由于弹性管道（动脉）内血液是不可压缩的液体， 能量传递主要通过血管壁传导，因此血管功能是影响 PWV的主要因素。
抗血管的进一步扩张。
血管中的平滑肌呈螺旋结构，如 图，从近心主动脉到远心的外周血管， 平滑肌的含量逐渐增多，而且螺旋结 构的间距也越来越小。
升主动脉 降主动脉 远端主动脉
二．弹性纤维、胶原纤维、平滑肌的含量百分比
在整个血管系中，不同动脉管段中所含弹性纤维、胶原纤维 和平滑肌的含量百分比是不同的。 • 胸主动脉，弹性纤维占总纤维元的60%，而胶原纤维只占40%；
• 弹性纤维使血管呈弹性，其含量高，血管性好，
顺应性好，有利于血液循环。
• 胶原纤维使血管呈韧性，可防止血管的过分扩张。 • 平滑肌含量高，可自发收缩。
所以，主动脉弹性纤维含量高，弹性好。 度、管腔的大小的比较
动脉
静脉
毛细血管
轴向张力
周向张力
动脉系统中，脉搏波的反射可能发生的部位包括： 血管分叉处、动脉管径或可扩张度改变的地方。