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1、 Mechanical property of blood vessel 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 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 (Th
2、e space structure of elastic fibers、 collagen fibrils 、smooth muscle ） 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 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
3、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%； 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
4、、平滑肌的力学性质 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 胶原纤维 平滑肌 弹性纤维: 拉伸弹性模量较小，约为31056105N/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 完全弹性体。 胶原纤维: 拉伸弹性模量比弹性纤维大得多，约为109 N/m2量级 。 抗张强度也很高，约为510710107 N/m2。 滞后环和应力松弛现象也均较弹性纤维显著。 平滑肌纤维： 在松弛态下，平滑肌的应力应变曲线存在很大 的滞后环，应力松弛也非常明显，可趋于零。 平滑肌可以主动收缩，产生主动张力达105N/m2以 上，平滑肌的收缩和松弛，可以控
5、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。 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。 小动脉平滑肌含量高，可关闭。 周向张力 轴向张力 周向
6、张力轴向张力 第二节 动脉血管的顺应性 （Arterial Compliance ） 主动脉弓加载与卸载过程的体积-压力曲线 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 。 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； 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
7、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 The mechanic property of small artery , capillary and vein 一小动脉 小动脉含有丰富的平滑肌，可 以主动地收缩，对周缘血流的微循 环起调节作用，因而小动脉的力学 性质具有重大的生理意义 某一压力范围内，管径不 随压力变化，这和弹性反应完 全不同，是血管平滑肌主动收 缩所致。不仅如此，当灌注压 力低于某一临界值时，平滑肌 主动收缩，将使小动脉关闭。 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
8、个微 量，很难精确测定。 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。 第四节 脉搏波 ( Pluse Wave Velocity） 一.脉搏波 随着心脏的间歇性收缩和舒张，血液压力、 血流速度和血流量的脉动或血管壁的变形和振动 在动脉管系中的传播统称为脉搏波或脉搏波在动 脉中的传播。 压力脉搏波和速度脉搏波沿主动脉传播的情况 压力波 速度波 动脉中的脉搏波的传播介质主要是： 和由、以及
9、和尺寸 血液 血管 ，因此脉搏波传播时 脉搏波的波速 脉搏波的形状 脉搏波振幅大小 将由 血液的流变特性 血管的力学性质 血管的几何形状 所决定。 1 1反映心率和节律反映心率和节律 2 2反映管壁弹性反映管壁弹性 3 3反映心缩力的大小反映心缩力的大小 4 4可测定射血时间可测定射血时间 5 5反映主反映主A A瓣情况瓣情况 6 6反映脉压的大小反映脉压的大小 意意 义义 二.反射波 实际的动脉树中，由于分支、动脉大小 的不均匀及血管弹性的改变等，存在着由于 血管阻抗不匹配而产生的波的反射。 反射脉搏波使传播在主动脉中压力波的振幅逐渐增大。 由于血液和血管的粘性作用，将使脉搏波在传播过 程中
10、振幅逐渐衰减。 但是在实际动脉中，特别是在主动脉，在远离心脏 的不同位置，压力波的振幅不但不减小，反而不断增大。 这和流速脉搏波情况截然不同，这是由于存在着压力反射 波的影响，而且压力反射波使压力放大的作用大于粘性阻 尼使压力衰减的作用。 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。 即脉搏波的反射通常发生在血管阻抗的改变处。 大量研究表明： 小动脉是脉搏波反射的主要部位。 三.血管壁的弹性模量与脉搏波的波速 在正常生理情况下，动脉血管壁的弹性模量随 年龄得增大而增大。 如：青年人胸主动脉管段的E为46105NM-2； 年龄60岁以上者胸主动脉E可
11、达20105NM-2。 主要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。 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。 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。 由于弹性管道
12、（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。 PWV 动脉壁力学性质（弹性） 几何学特性（直径和壁厚度） 血液的密度 决定。 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%。 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
13、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。 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
14、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。 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 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
15、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 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
16、定能检测到小动脉 弹性功能，这显然十分重要而有意义。 但是，使用此种方法需估算心输 出量，而此种心输出量的估算方法 是建立在正常心功能基础上的，因 此对于心功能不全的病人直接使用 此方法误差可能较大，需要另有估 算心输出量的方法。 一.动脉粥样硬化(atheroselerosis，AS) 的病理生理学： 中等或较大的肌性和弹性动脉某些特殊部位的内膜 发生粥样病变，使动脉壁增厚和硬化。 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。 1. AS的发病机制主要涉及以下方面： 血管内皮细胞功能和形态损伤； 内膜下脂质沉积； 单核细胞与内皮黏附进入内皮下并转变为 巨噬细胞吞噬脂质，形成泡沫细胞；
