血液湍流对心脑血管循环的影响
发表时间：2011-11-15 浏览次数：498次
作者：李亚芳,王爱敏,金克炜 作者单位：昆明医学院海源学院物理数学教研室， 云南 昆明 6500101
【摘要】本文通过分析讨论血液在血管中湍流的形成及其影响因素，揭示了血液湍流对心脑血管的危害。
【关键词】 血液动力学现象 心血管疾病 脑血管障碍
心脑血管疾病是心血管疾病和脑血管疾病的总称。心血管疾病以冠心病为主，是由于供应心肌血液的冠状动脉发生粥样硬化，使动脉血管变窄，心肌供血不足造成的。脑血管病则是指脑血管障碍而致的疾病。心脑血管疾病是目前人类死亡和残疾的主要疾病，而血液湍流对心脑血管的影响不容忽视。本文从流体力学的角度分析血液在心脑血管中形成湍流的原因及其影响因素，以揭示其对心脑血管的危害。
1 血液湍流的形成
血液是一种非牛顿流体，当其在血管中作低速流动时，血液的粘滞力起主要作用，血液的流动可视为有规则的分层流动。当血液的流速增大并超过某一临界值时，惯性力的作用远大于粘滞力的作用，从而破坏了粘性流体的平稳层流关系，流体向空间各个方向运动，即在垂直于流层的方向有分速度，因而各流层将混淆起来，并有可能形成漩涡，整个流动显得杂乱而不稳定，致使血流紊乱，形成湍流。
产生湍流的临界值一般用无量纲的雷诺数(Reynolds，Re)来表示：
Re=ρvr η
式中ρ为血液密度，v为血液平均流速，r为血管半径，η为血液的粘度。实验证明，对于血液，Re<1000时，流体作层流，如图1(a);Re>1500时，流体作湍流，如图1(b);1000<1500时，流动状态很不稳定(可以由层流变为湍流，或者相反)，即过渡流动。
2 影响血液湍流的因素及其危害
2.1 血液密度ρ
血液由血浆和悬浮于其中的血细胞组成。血液中红细胞数量越多，全血密度就越大，从而Re也随之增大。当Re>1500时，血液发生湍流。但通常情况下血液密度只与造血功能及体温有关，它不可能成倍增加，这会影响血液流动，因此ρ对湍流影响不大。
2.2 血液流速v
通过多普勒血流计或彩超检查，均可得出血管内的血流速度，当流速不断增大，Re>1500时，血管内极易发生湍流。
湍流时，相邻流层的流体运动方向纵横交错，相邻液层间将发生动量传递。根据动量定理可知，单位时间的动量传递等于作用在截面上一个同样大小的切应力。因此，横向脉动速度将产生一附加的脉动高切应力，它将引起高频震颤，使血管比正常管段更易膨胀，从而损伤血管内皮，增加管壁通透性，致使管壁坏死、钙化、脂质浸润及有形成分堆积等。
2.3 血管半径r
由雷诺数公式可知，流管半径越大，越易发生湍流。
根据Prec等提供的数据，冠状动脉粥样硬化好发于左冠状动脉前降支近1/3段，其次为右冠状动脉主支近1/2段，再次为左旋支的近、中段及左冠状总干，即病变的好发部位均距冠状动脉主干口处较近。这些区域的管径相对较粗，且因心脏的射血而使得血流速度较快，容易形成湍流。临床实践表明，左冠状动脉的粥样硬化较右冠状动脉更重，而左冠状动脉一般比右冠状动脉粗，这些都证明了血液湍流对冠状动脉粥样硬化的影响。
2.4 血液粘度η
血液粘度来源于血液内分子或颗粒间的摩擦，即内摩擦。当温度不变时，全血的粘度主要决定于血细胞比容的高低，血浆的粘度主要决定于血浆蛋白的含量。η较低，易出现湍流。
严重贫血病人红细胞数量剧减，全血粘度较低，血液内摩擦力较小，通过正常心脏结构的血流增加，产生湍流，在高输出状态出现主动脉收缩期杂音。
2.5 其它影响因素——管壁绝对粗糙度ε
流体在圆管中产生湍流时，绝大部分的流体处于湍流状态;紧贴管壁有一层很薄的流体受壁面的限制，脉动运动几乎完全消失，粘滞力起主导作用，基本保持着层流状态。这一薄层的厚度称为粘性底层厚度δ。把管壁的粗糙凸出部分的平均高度ε叫做管壁的绝对粗糙度，以此来衡量对管壁的影响。
当δ>ε时，粘性底层完全淹没了管壁的粗糙凸出部分，如图2(a)。这时粘性底层以外的湍流区域完全感受不到粗糙度的影响，流体好像在完全光滑的管子中流动一样。
当δ<ε时，管壁的粗糙凸起有一部分暴露在湍流区中，如图2(b)。这时，流体流过凸出部分，将产生漩涡，形成新的能量冲击，这使得大量红细胞超限度变形而受损，释放出二磷酸腺苷(ADP)，促使血小板凝聚。同时，红细胞受损时还释放出凝血活酶，使凝血酶原成为凝血酶，并使得血小板聚集不可逆。上述过程反复发生将启动血管内凝血，栓塞毛细血管或小动脉血管的入口，从而导致某些微循环区域的淤滞，并形成微血栓，最后机化而成斑块。
图2 血管壁的粗糙程度(略)
3 结论
综上所述，血液湍流对心血管的影响不可忽视。因此，要减小血液湍流发生的可能性及缓解湍流对血管壁的损伤，可通过保持血管壁的光滑性，延缓或逆转动脉粥样硬化，改善血管壁光滑度，优化血液流变学等来实现。同时，健康的饮食搭配及有规律的体力活动也可降低血管中的湍流。
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