2019年血液流变学基础理论及其在医学上的应用

血液流变学基础理论及其应用内容提要：血液流变学是近20年来新兴的一门生物力学分支学科，通过将血液视为非牛顿流体，应用流体力学的理论研究血液的流动性质以及其作用，并以此测定血液黏度、流动性、粘滞性及变形性，了解这些变化的病理生理意义，从而达到疾病诊断、治疗与预防。本文将先阐述血液流变学的基础理论，然后介绍其在医学，生物医学工程学等方面的应用。关键词：血液Casson方程，血液层流流动、血液流变学的应用EHjHIH峙一、血液流体力学基础理论考虑如左图所示的最简单的二维单向剪切流动，流动方向平行于x轴，在y方向上存在速度梯度分布u(y),显然u(y+dy)=u+du。定义y处的剪应变率牡为dt业=du，即y方向的速度梯度分布。dtdy设不同流层之间的剪应力为T，则剪应力T与剪应变率鱼之间存在关系dtt=n竺=n业，其中n成为流体黏度。若n始终为常数，流体剪应力与剪应变dydt率之间存在正比关系，具有这种特性的流体称为牛顿流体，如空气，水等都是牛顿流体。而如果n不是常数，而是也的函数，即n=f(如)，则此流体称为非牛顿dtdt流体。2、血液黏度血液流动性质研究已有一百余年。1882年法国医生泊肃叶(Poiseuille)通过测量圆柱管内血液流量与压力差的关系，得到Poiseuille定律，后来的Merrill等人对此问题也进行过深入研究。由于血细胞的存在，导致血液黏度随剪应变率呈现负相关的走向，即业增大，n下降。这种非牛顿性是由血球引起的。在某种dt红细胞悬液中，我们发现相对黏度，红细胞含量与剪切率之间明显存在对应关系。在医学上，红血球的浓度常用血球比积H表示，是血液中红血球的体积与血样总体积的比值。3、血液的Casson方程牡增大，n下降，在低剪应变率下，Cokelet等人在1963年用旋转粘度计测dt量转子突然停止时扭矩随时间的变化，测得了低剪应变率下剪应力-剪应变率的ffi刘社IsnrmJIJJIninU11UClKI关系曲线，并应用外插法得到-Y=0时的静止dt血液所承受的剪应力。后来Merrill等人在1965年用毛细黏度计测得毛细管内血液可以维持一定压差而不发生可察觉的流动。在同样的H值图1：丄种屯剜和悬眩相对粘境-剪切也芜麻刑弍闫白美伍哉尽旳苗)剪应变率之间用Casson方程描述与温度下，做-.T-图，得出血液剪应力与n与5均为常数。正常下Ty=0.05dyn/cm2在牡不断增加的情况下，全血流变性质接近牛顿流体，此时血液剪应力和剪dt应变率之间有牛顿流体公式t二n。dt4、血液在刚性圆管中的层流流动 为了简化情况，Poiseuille与Stokes经过大量实验与观察，提出如下假设假定管壁为刚性的，边界上径向流动速度为0. 管壁处血液相对于壁的速度为0假设管道很长，可以不考虑端头边界对流场的影响，流动为定常层流，沿着管轴方向流动无变化，故边界是轴对称的，流动是轴对称的，速度仅有轴向分量u=u(r).现在在血液中假想一个圆柱体，由受力平衡可得t2二rl=-二r2也ldx因此，rdp金2dx面分两种情况来研究流量与流速(1)Newton流体对于Newton流体,_dut=ndr代入式，可得由于流体不存在径向运动，故p与r无关，积分可得deTr=R时，u=0,代入上式可得R2r2dpu，4叶dx因此速度径向呈抛物线分布，如右图所示流量Q为RQ=2二urdr二R4dp代入式，可得Q=8叶dx可计算出壁面上流体的剪应变率为dY二dudxdr02、Casson流体血液可以视为牛顿流体，但是在管中心，血在血管壁附近，剪应变率足够高，液的剪应变率趋于0,血液有较明显的非牛顿性。为简化问题，假设在整个管内，血液服从Casson方程。这时，血流中央部分存在一个不存在相对流动的区域。假设区域半径为尺，在r=Rc的流面上，剪应力T=Ty。rRc时，tf，血液的运动状态不随r变化，而是表现的像刚体一样。根据Stokes方程，在血管壁r=R与中心区域边缘讯处的剪应力为，豐，才三鳥y是血液开始流动的剪应力，dp/dx为管中沿轴线方向的压力梯度。当RcR时,管内血液滞留，出现血液栓塞。当R,:R时，流动出现了分段。在核心区r&处，剖面是平的。在R,r乞R时，需用Casson方程求解速度剖面。Rdudt将下式代入上式，解之并积分得2dx1Rrd厂U（R）-U（r）rdr由此可得，Rcr0.05)。PANS评分治疗前后对比有显著差异(P0.05)。见表1,表2血液流变学生化指标治疗前后自身对照(x-s)参考值治疗前治疗后tP红细胞压积%374941.234.1040.483.61.450.05全血还原粘度6.78.27.200.917.677.280.510.05血浆比粘度1.561.741.990.171.960.231.160.05红细胞电泳15.718.413.850.9914.091.830.990.05纤维蛋白原2.04.01.910.622.650.701.600.05血沉112527.6611.3829.409.851.190.05血沉方程K值337390.2937.1192.5331.70.430.05红细胞变型指数0.91.062.400.492.40.450.560.05全血比粘度3.34.63.950.373.900.381.260.05PANSS75.28.759.814.8920.90.01P23.885.717.323.1611.40.01N17.85.515.93.85.50.01G33.77.126.74.615.80.013讨论1975年,Dantanfass提出了精神血液流变学,以后国内对精神疾病的血液流变学研究的报道逐渐增多,戴文杰等(1992)2报道了500例精神分裂症患者血液流变学检查结果分析,发现全血比粘度、血浆比粘度显著高于正常值,认为血液流变学检查在精神科的应用是有一定意义的,可辅助临床诊断。程延辉等(1993)3报道了精神分裂症患者血液流变性质的初步观察,患者红细胞压积,血沉和血沉方程K值显著高于正常人,而全血比粘度、血浆粘度和红细胞刚性指数与正常人无明显差异,认为精神分裂症患者并无肯定的和有意义的血液流变性质异常可供精神分裂症的病因病理、诊断、治疗或预后的参考。我们通过对本院65例入院精神分裂症患者的血液流变学检查,及经抗精神病药物治疗后对照分析，发现血浆粘度、血沉、血沉方程K值虽高于正常值，但并无特殊的临床意义,且经抗精神病药物治疗、精神症状改善后血液流变学对照研究发现,治疗前后无差异,可能是戴氏研究的方法与我们不一致,戴氏采用的是与正常值的比较,而我们进一步研究了治疗前后的血液流变学对照。通过我们的研究发现精神分裂症患者的血液流变学虽异常,存在高粘滞血症,但缺乏特异性。经抗精神病药物治疗,精神症状改善,而对血液流变学指标无影响。故血液流变学对精神分裂症的诊断、治疗及预后估计无辅助参考价值.四、结束语本文通过对血液流变学的基础理论，阐述了几个血液流变学在生物医学工程学上的应用。如有不足，堪请指正。