第四章 血液循环
2011-06-08 18:14:57   来源：   作者：  评论：0 点击：

第三节 血管生理
(Physiology of Blood Vessels)
循环系统是一套连续的、封闭的管道系统，由心血管系统和淋巴系统两部分组成。其中，心血管系统包括心脏、动脉、毛细血管和静脉。血液由心脏泵出，流经动脉、毛细血管和静脉，然后返回心房，如此循环往复。淋巴系统则由淋巴管和淋巴器官构成，其中的淋巴液从外周流向心脏方向，最后汇入静脉，构成血液的一部分。
一、血管的分类及功能
(Classification and function of blood vessels)
从组织学上，可将血管分为动脉、静脉和毛细血管。动脉将由心脏泵出的血液输送到毛细血管，血液在此处与周围组织进行物质交换后，经由静脉回流到心房。动脉和静脉管壁从内向外一般依次可分为内膜、中膜和外膜。内膜由内皮细胞(endothelial cell，EC)和内皮下层组成。内皮细胞作为血管的内衬面，为血液流动提供光滑的表面；同时构成通透性屏障，血液中的液体、气体和大分子物质可选择性地透过此屏障；内皮细胞还具有内分泌功能，能合成和分泌多种生物活性物质。中膜主要由弹性纤维、胶原纤维及血管平滑肌(vascular smooth muscle cell，VSMC)三种成分组成，其厚度及组成成份的比例因血管种类不同而异。弹性纤维可使动脉扩张和回缩，血管平滑肌的收缩和舒张可调节器官和组织的血流量。外膜由疏松结缔组织组成，其中含弹性纤维、胶原纤维及成纤维细胞。
（一）血管的组织学分类及生理功能
1．动脉 动脉(artery)可分为大动脉、中动脉、小动脉和微动脉。大动脉指的是主动脉及靠近心脏的大动脉分支、肺动脉主干及其发出的最大分支。这些血管的管壁坚厚，富含弹性纤维，有明显的可扩张性和弹性。左心室收缩射血时，主动脉压升高，一方面推动动脉内的血液向前流动，另一方面使主动脉扩张、容积增大，暂时贮存了一部分血液。因此，左心室射出的血液在射血期内只有一部分进入外周，另一部分则被贮存在大动脉内。在心室舒张期，主动脉瓣关闭，已被扩张的大动脉管壁弹性回缩，推动射血期多容纳的部分血液继续流向外周。大动脉的这种功能称为弹性贮器作用，可使心室的间断射血成为血液在血管中的连续流动。因此大动脉又称为弹性贮器血管(windkessel vessel)。
中动脉主要指从弹性贮器血管以后到分支为小动脉前的动脉管道，其功能是将血液输送至各器官组织，故又称为分配血管(distribution vessel)。小动脉和微动脉的管径较细，对血流的阻力较大，因此也称为毛细血管前阻力血管(precapillary resistance vessel)，其管壁含有丰富的血管平滑肌，后者在平时保持一定的紧张性收缩，形成血管的外周阻力，对于维持一定的动脉血压起着重要的作用。血液在血管中流动时受到的外周阻力大部分发生在微动脉，微动脉的收缩与舒张活动可明显改变所灌流的器官、组织的血流量。
2．毛细血管 毛细血管(capillary)连接动脉和静脉，分布广泛，之间互相连通形成毛细血管网。毛细血管管径较细，管壁仅由一层毛细血管内皮细胞组成，其外有基膜包绕。在真毛细血管的起始部常有平滑肌环绕，称为毛细血管前括约肌(precapillary sphincter)。实际上，毛细血管前括约肌是末梢微动脉管壁上末端的一些平滑肌，属于阻力血管的一部分。它的舒、缩活动可以控制毛细血管的开放或关闭，因此可控制毛细血管开放的数量。真毛细血管通透性很高，是血管内血液和血管外组织液进行物质交换的主要场所，在功能上属于交换血管(exchange vessel)。
3．静脉 根据管径大小，静脉(vein)可分为大静脉、中静脉、小静脉和微静脉。和同级的动脉比较，静脉的数量较多、口径较粗、管壁较薄、可扩张性较大，即较小的压力变化就可使容积发生较大的变化，故其容量较大。在安静状态下，60%～70%的循环血量容纳在静脉系统中。当静脉的口径发生较小变化时，静脉内容纳的血量就可发生很大的变化，回流到心房的血流量明显改变，而静脉内压力变化却较小。因此，静脉在血管系统中起着血液贮存库的作用，也称为容量血管(capacitance vessel)。
微静脉的管径较小，可对血流产生一定的阻力，又称为毛细血管后阻力血管(postcapillary resistance vessel)，但其产生的阻力在血管系统总阻力中只占很小比例。微静脉的舒缩活动可影响毛细血管前阻力和毛细血管后阻力的比值，继而改变毛细血管的血压、容量以及滤过作用，影响体液在血管内和组织间隙内的分配情况。
在血管床中还存在小动脉和小静脉之间的直接吻合，称为短路血管(shunt vessel)或动-静脉短路(arteriovenous shunt)，主要分布于手指、足趾、耳廓等处的皮肤中，在功能上与体温调节有关。短路血管开放时，小动脉内的血液不经过毛细血管而直接流入小静脉。当周围环境温度升高时，短路血管开放增多，皮肤血流量增加，因此皮肤温度升高，散热量增加。相反，当环境温度降低时，短路血管关闭，减少皮肤的散热量。而且，短路血管的开放会相对减少组织对血氧的摄取，例如在某些病理状态下（如感染性和中毒性休克时），短路血管大量开放，加重了组织的缺氧状态。
（二）血管内皮细胞的内分泌功能
血管内皮细胞具有复杂的酶系统，可以合成和分泌多种生物活性物质，参与血管收缩和舒张、凝血、免疫功能以及细胞增殖的调节。正常情况下，血管内皮细胞释放的各种活性物质在局部维持一定的浓度比，对于调节血液循环、维持内环境稳定和生命活动的正常进行具有十分重要的意义。
血管内皮细胞合成和释放的舒血管物质包括一氧化氮(nitric oxide，NO)、前列环素(PGI2)等，它们与血管内皮细胞合成释放的主要缩血管活性物质内皮素(endothelin，ET)相互制约，保持动态平衡。血管内皮细胞一旦受损，则释放NO等舒血管物质减少，因此容易诱发高血压、动脉粥样硬化等疾病。
1．舒血管活性物质
一氧化氮 NO是体内重要的信息传递分子。目前已知体内多种组织细胞均能产生NO。NO是由L-精氨酸和O2在一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)催化下产生的。NOS可分为三种类型：内皮型NOS(eNOS)，主要存在于内皮细胞；神经元型NOS(nNOS)，首先于脑组织中发现，主要存在于神经元中；诱生型NOS(iNOS)，主要存在于单核/巨噬细胞系统。NO为气体分子，具有高度的脂溶性，可扩散至血管平滑肌细胞并激活胞内的鸟苷酸环化酶(guanylate，GC)，使环一磷酸鸟苷(cGMP)含量升高，通过蛋白激酶活化而使细胞内钙离子外流，胞内钙离子浓度降低，从而导致血管舒张。eNOS激活后可促进NO产生增多，例如雌激素(estrogen)就可通过促进血管内皮细胞内eNOS活性而发挥舒张血管的效应。
1977年，默拉德(Murad)经过研究发现，硝酸甘油类物质舒张血管的作用是通过释放NO而实现的。1980年佛奇戈特(Furchgott)等人研究发现，在胸主动脉离体血管内皮完整的情况下，乙酰胆碱可引起血管舒张。去除内皮后，则不能观察到乙酰胆碱的舒血管效应，因此认为内皮细胞可产生一种血管内皮舒张因子(EDRF)。1987年蒙卡达(Moncada)以巧妙的实验证实EDRF的化学本质就是NO。在该实验中，他们将培养的血管内皮细胞铺附于微载体(microcarrier)上，然后将微载体装柱。用缓激肽刺激柱中的血管内皮细胞产生EDRF后，立即以盐溶液灌洗该柱，流出液瀑布式淋浴去内皮细胞的兔胸主动脉血管条，同时检测流出液中NO的含量，并将流出液与硝酸甘油的药理作用做定量对比。结果发现，由缓激肽诱导的血管内皮释放的EDRF，与NO在生物活性、半衰期等生物学特性上完全一致。
前列环素 内皮细胞可摄取血液中的花生四烯酸(AA)，在各种酶的作用下生成前列环素。前列环素通过与血管平滑肌细胞膜上的相应受体结合，激活腺苷酸环化酶(adenylate cyclase，AC)使胞内的环一磷酸腺苷(cAMP)含量升高，发挥其松弛血管平滑肌的作用。
2．缩血管活性物质
内皮素 1988年Yangagisawa等人从猪主动脉内皮细胞中分离提纯出含21个氨基酸残基的多肽，称为内皮素。内皮素有四种亚型，即ET-1、ET-2、ET-3和血管肠收缩肽。其中ET-1在血管内皮细胞中生成，与心血管功能关系密切。内皮素是通过与靶细胞膜上的内皮素受体(endothelin receptor，ETR)结合而发挥其生物学效应的，ETR可分为ETAR、ETBR、ETCR三类。其中ETAR主要分布于血管平滑肌，对ET-1有高选择性亲和力。ET-1与血管平滑肌细胞膜上的ETAR结合后，激活磷脂酶C(PLC)，分解磷脂酰肌醇产生三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DAG)，后两者促使胞内钙离子浓度升高，引起血管平滑肌收缩。内皮素还是一种作用很强的促有丝分裂剂，能明显促进血管平滑肌增殖。
二、血流动力学
(Hemodynamics)
血流动力学(hemodynamics)是指血液在心血管系统中流动的力学，主要研究血流量、血流阻力、血压以及它们之间的相互关系。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。
（一）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。
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(Poiseuille's law)可以计算出流量。该定律表示为：
也可表示为：
其中，Q是液体流量，ΔP是管道两端的压力差，r为管道半径，L是管道长度，η是液体的粘滞度。K为常数，与液体粘滞度η有关。由该式可知单位时间内的血流量与血管两端的压力差(P1﹣P2)以及血管半径的4次方成正比，而与血管的长度成反比。在其他因素相同的情况之下，如果甲血管的半径是乙血管的两倍，那么，前者的血流量是后者的16倍。所以血管直径是决定血流量多少的重要因素。
2．层流和湍流
血液在血管内的流动方式可以分为层流(laminar flow)和湍流(turbulence)。层流是一种规则运动，在层流的情况下，液体每个质点的流动方向一致，与管道长轴平行，但各质点的流速不同，在管道轴心处流速最快，越近管壁的轴层流速越慢，各轴层速度矢量为一抛物线图（图4-16）。泊肃叶定律适用于层流状态。人体的血液循环在正常情况下属于层流形式。然而，当血流速度加速到一定程度之后，层流情况即被破坏，此时血液中各个质点的流动方向不再一致，出现漩涡，称为湍流。在湍流的情况下，泊肃叶定律已不再适用。湍流的形成条件以雷诺数（Reynolds数，简写为Re）来判断。这一参数定义为：

其中，Re数没有单位。V为血液的平均流速（单位为cm/s），D代表管腔直径（单位为cm），ρ为血液密度（单位为g/cm3），η代表血液粘滞度（单位为泊）。通常当Re数超过2 000时，就可发生湍流。由上式可知，在血流速度快、血管口径大、血液粘滞度低的情况下，容易发生湍流。正常情况下，心室内存在着湍流，一般认为这有利于血液的充分混和。病理情况下，如房室瓣狭窄、主动脉瓣狭窄以及动脉导管未闭等，均可因湍流形成而产生杂音。
（二）血流阻力
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：

式中Q代表血流量，P1－P2代表血管两端压力差，R代表血流阻力。该式表明血流阻力与血管两端的压力差成正比，与血流量成反比。结合泊肃叶定律，可得到计算血流阻力的公式：

式中R代表血流阻力，η代表血流粘滞度，L为血管长度，r为血管半径。由该式可知血流阻力与血管的粘滞度以及血管长度成正比，与血管半径的4次方成反比。当血管长度相同时，血液粘滞度越大，血管直径越小，血流的阻力也就越大。在同一血管床内，L与η在一段时间内变化不大，影响血流阻力的最主要因素为血管半径。因此体内各段血管中以微动脉处的阻力最大。机体对血流量的分配调节就是通过控制各器官阻力血管的口径进行的。
血液粘滞度(blood viscosity)的变化也可以影响血流阻力。在其他因素恒定情况下，粘滞度越高，血管阻力越大。正常血液的粘滞度为水的4～5倍。影响血液粘滞度的主要因素有：
1．血细胞比容 血液中血细胞占全血容积的百分比称为血细胞比容(hematocrit)，是决定血液粘滞度最重要的因素。男性血细胞比容平均值约为42%，女性约为38%。血细胞比容越大，血液粘滞度就越高。
2．血流的切率 血流的切率(shear rate)是指在层流的情况下，相邻两层血液流速的差和液层厚度的比值。切率也就是上图抛物线的斜率。匀质液体的粘滞度不随切率的变化而改变，称为牛顿液。相反，全血为非匀质液体，其粘滞度则随切率的减小而增大，称为非牛顿液。切率较高时，层流现象更为明显，即红细胞集中在中轴，其长轴与血管纵轴平行，红细胞移动时发生的旋转以及红细胞相互间的撞击都很少，故血液粘滞度较低。相反当切率较低时，红细胞发生聚集，血液粘滞度增高。
3．血管口径 大的血管口径不影响血液粘滞度，但当血液在直径小于0.2～0.3mm的微动脉内流动时，只要切率足够高，则血液粘滞度随着血管口径的变小而降低。其原因尚不清楚，但对机体有明显的益处。否则血液在小血管中的流动时阻力将会大为增高。
4．温度 血液的粘滞度随温度的降低而升高。人体的体表温度比深部温度低，故血液流经体表部分时粘滞度会升高。如果将手指浸在冰水中，局部血液的粘滞度可增加2倍。
三、动脉血压与动脉脉搏
(Arterial blood pressure and arterial pulse)
血压是指血管内的血液对于单位面积血管壁的侧压力，也即压强。按照国际标准计量单位规定，压强的单位为帕(Pa)或千帕(kPa)，但习惯上用毫米汞柱表示(mmHg)，1mmHg＝0.1333kPa。大静脉压力较低，通常以厘米水柱(cmH2O)为单位，1cmH2O＝0.098kPa。
（一）动脉血压
1．动脉血压的形成
动脉血压(arterial blood pressure)是血液在动脉内流动时对单位面积动脉管壁的侧压力。动脉血压一般指主动脉压力。由于大动脉中血压落差小，所以通常将上臂测得的肱动脉血压代表动脉血压。血压的形成有以下四个主要因素：
（1）心血管系统有血液充盈 这是形成动脉血压的前提条件。血液在循环系统中充盈的程度可用循环系统平均充盈压(mean circulatory filling pressure)来表示。在动物实验中，用电刺激造成心室颤动使心脏暂时停止射血，血流也就暂停。此时在循环系统中各部位所测得的压力都是相同的，这一压力数值即循环系统平均充盈压。用巴比妥麻醉的狗，其循环系统平均充盈压约为7mmHg，人的循环系统平均充盈压估计接近这一数值。循环系统平均充盈压的数值高低取决于血量和循环系统之间的相对关系。若血量增多或循环系统容积变小，则循环系统平均充盈压就增高；相反，若血量减少或循环系统容积增大，则循环系统平均充盈压就降低。
（2）心脏射血 这是形成动脉血压的必要条件。心室收缩时所释放的能量分为两部分，一部分推动血液流动，是血液的动能；另一部分形成对血管壁的侧压力即压强，使血管壁扩张，是血液的势能，即压强能。在心脏舒张期，大动脉发生弹性回缩，将一部分势能转化成推动血液流动的动能，使血液继续向前流动。由于心脏射血是间断的，因此在心动周期中动脉血压的变化也是周期性的。另外，动脉血压是逐渐降低的，因为血液从大动脉流向心房的过程中不断消耗能量。机体安静时，体循环中毛细血管前阻力血管部分血压降落的幅度最大。
（3）外周阻力 小动脉和微动脉对血流有着较大的阻力，这使得心室每次搏动输出的血液中，只有大约1/3的血液在心室收缩期流到外周，其余的血液暂时贮存在主动脉和大动脉中，因而使得动脉血压升高。如果没有外周阻力，那么在心室收缩期射入大动脉的血液将会迅速全部地流到外周，因此不能使动脉血压维持在正常水平。
（4）主动脉和大动脉的弹性贮器作用 当心室收缩射血时，主动脉和大动脉被动扩张，会贮存一部分血液，使得收缩压不至于过高。当心室舒张时，主动脉和大动脉发生弹性回缩，使血液继续向前流动，并使舒张压维持在一定水平。
2．动脉血压的测量方法
测量动脉血压的方法有直接法和间接法。生理学实验中测量动物血压的经典方法，是将导管的一端插入动脉、静脉或心腔，另一端连接到一装有水银的U形管，从U形管两边水银面高度的差读出测定部位的血压值。目前已出现各种类型的压力换能器，可将压强能的变化转变为电能的变化，并能精确测算出心动周期中每一瞬间的血压数值。而在临床上常采用听诊法间接测量肱动脉的收缩压和舒张压。在某些情况下也可将导管插入血管直接测量血压。
图4-17所示为听诊法测量动脉收缩压和舒张压。通过扪诊定位肱动脉，将血压袖带缠绕上臂，袖带下缘应在肘弯横纹上方2～3cm处。听诊器膜型体件置于肘窝部、肱二头肌腱内侧的肱动脉搏动处。然后，向袖带的气囊充气加压，压力经软组织作用于肱动脉，当所加压力高于收缩压时，该处的肱动脉血流被完全阻断，肱动脉搏动消失，此时在听诊器上听不到任何声音。继续充气使汞柱升高20～30mmHg(2.6～4.0kpa)，随后以恒定速度缓慢放气，使袖带压力逐渐降低，当袖带压力低于收缩压的一瞬间，动脉压突破袖带压，血流突入被压迫阻塞的血管段，形成涡流撞击血管壁，此时听到的第一次声响时的汞柱数值即为收缩压。当袖带压力降到等于或稍低于舒张压时，血流完全恢复畅通，听诊音消失。声音消失时的汞柱数值为舒张压。用听诊法测量动脉收缩压和舒张压并不十分准确，但是它与直接测量血压法所得结果相差不到10%。
3．动脉血压的正常值及高血压
收缩压(systolic pressure)指心室收缩时，主动脉压力急剧升高，在收缩期的中期达到最高值时的血压。舒张压(diastolic pressure)指心室舒张时，主动脉压力下降，在舒张末期动脉血压的最低值时的血压。收缩压和舒张压的差值称为脉搏压，简称为脉压(pulse pressure)。平均动脉压(mean arterial pressure)指一个心动周期中每一瞬间动脉血压的平均值。由于心动周期中舒张期较长，所以平均动脉压偏近舒张压，大约等于舒张压加1/3脉压(图4-18)。我国健康成人在安静状态时的收缩压为100～120mmHg(13.3～16.0kPa)，舒张压为60～80mmHg(8.0～10.6kPa)，脉压为30～40mmHg(4.0～5.3kPa)。动脉血压存在着个体、年龄和性别差异。随着年龄的增长，血压逐渐升高（表4-2）。此外，正常人血压呈明显的昼夜波动，表现为夜间血压最低，清晨起床活动后血压迅速升高，在上午6～10时及下午4～8时各有一个高峰，继之缓慢下降。严重高血压患者其血压的昼夜节律可消失。
表4-2 一项调查研究所显示的不同年龄段人体的正常血压
年龄 收缩压 舒张压 年龄 收缩压 舒张压
男性 女性 男性 女性 男性 女性 男性 女性
1天 70 - - - 16岁 118 116 73 72
3天 72 - - - 17岁 121 116 74 72
9天 73 - - - 18岁 120 116 74 72
3星期 77 - - - 19岁 122 115 75 71
3月 86 - - - 20-24岁 123 116 76 72
6-12月 89 93 60 62 25-29岁 125 117 78 74
1岁 96 95 66 65 30-34岁 126 120 79 75
2岁 99 92 64 60 35-39岁 127 124 80 78
3岁 100 100 67 64 40-44岁 129 127 81 78
4岁 99 99 65 66 45-49岁 130 131 82 82
5岁 92 92 62 62 50-54岁 135 137 83 84
6岁 94 94 64 64 55-59岁 138 139 84 84
7岁 97 97 65 66 60-64岁 142 144 85 85
8岁 100 100 67 68 65-69岁 143 154 83 85
9岁 101 101 68 69 70-74岁 145 159 82 85
10岁 103 103 69 70 75-79岁 146 158 81 84
11岁 104 104 70 71 80-84岁 145 157 82 83
12岁 106 106 71 72 85-89岁 145 154 79 82
13岁 108 108 72 73 90-94岁 145 150 78 79
14岁 110 110 73 74 95-106岁 145 149 78 81
15岁 112 112 75 76
"－"表示未作调查。
高血压(hypertension)是以体循环动脉压增高为主要表现的临床综合征，可分为原发性高血压和继发性高血压。原发性高血压又称高血压病。除了可引起高血压本身有关的症状外，长期高血压还可成为多种心血管疾病的重要危险因素。
高血压的诊断标准不是一成不变的，而是随着最新流行病学的调查结果和循证医学的证据在不断修订。1979年世界卫生组织(WHO)制定的高血压诊断标准为：收缩压≥160mmHg(21.3kPa)或舒张压≥95mmHg(12.6kPa)。1998年WHO和世界高血压联盟(ISH)重新修订的高血压诊断标准为：收缩压≥140mmHg(18.7kPa)和（或）舒张压≥90mmHg(12.0kPa)。我国高血压诊断标准自1959年确定至今，已修订4次，目前与1998年的国际标准一致，即不论收缩压如何，凡舒张压≥90mmHg即为高血压。因此，成人安静状态下血压≥140/90mmHg即为高血压，低于90/50mmHg即为低血压。而在2003年5月，美国预防、检测、评估与治疗高血压全国联合委员会在第七次报告中对健康血压的规定更为严格，收缩压在120～139mmHg之间或舒张压在80～89mmHg之间，将被视为高血压前期(prehypertensive)。见表4-3。
表4-3 血压的分类
血压分类 收缩压(mmHg) 舒张压(mmHg)
正常 ＜120 和 ＜90
高血压前期 120～139 或 80～89
1 期高血压 140～159 或 90～99
2 期高血压 ≥160 或 ≥100