第四节 血管生理
血管遍布于人体各组织、器官，是机体运送血液的管道，根据运输方向可分为动脉、毛细血管与静脉。动脉起自心脏，不断分支，口径渐细，管壁渐薄，最后分成大量的毛细血管，分布到全身各组织和细胞间。毛细血管再汇合，形成静脉管道，动脉与静脉通过心脏连通，构成一个连续且相对密闭的管道系统。
血液由心室射出，经动脉、毛细血管、静脉再循环流入心房，根据循环途径的不同，可分为体（大）循环和肺（小）循环两种。 体循环起始于左心室，左心室收缩将富含氧气和营养物质的动脉血泵入主动脉，经各级动脉分支到达全身各部组织的毛细血管网，与组织、细胞进行物质和气体交换，即血中的氧气和营养物质为组织细胞所利用，组织细胞的代谢产物和二氧化碳等进入血液，形成静脉血。再经各级静脉，最后汇合成上、下腔静脉注入右心房。而肺循环则起于右心室，右心室收缩时，将体循环回流的静脉血泵入肺动脉，经肺动脉的各级分支到达肺泡周围的毛细血管网，通过毛细血管壁和肺泡壁与肺泡内的空气进行气体交换，即排出二氧化碳，摄入氧气，使血液变为富含氧气的动脉血，再经肺静脉回流于左心房。
体循环中的血量约为总血量的84%，心脏的血量仅占其7%左右，肺循环中的血量约占其9%。不过，全部血液都需流经肺循环，而体循环则由许多相互并联的血管环路组成，在这样的并联结构中，即使某一局部血流量发生较大的变动，也不会对整个体循环产生很大影响。
一、血管功能特征
（一）血管的功能分类
血管按照组织学结构分为大动脉、中动脉、小动脉、微动脉、毛细血管、微静脉、小静脉、中静脉和大静脉。按生理功能的不同则分为以下几类：
1. 弹性储器血管
主动脉、肺动脉主干及其发出的最大分支，其管壁坚厚，富含弹性纤维，有明显的可扩张性和弹性，故称为弹性储器血管。婴幼儿血管壁薄，管壁上的弹性纤维少，故弹性较小。左心室收缩射血时，从心室射出的血液一部分向前流入外周，另一部分则暂时储存于大动脉中，使其管壁扩张，动脉压升高，同时也将心脏收缩产生的部分动能转化为血管壁的弹性势能。在心室舒张期，主动脉瓣关闭，被扩张的大动脉管壁依其弹性回缩，把在射血期多容纳的那部分血液继续推向外周，大动脉的这种功能称为弹性储器作用。大动脉的弹性储器作用可使心脏间断的射血变成为血管系统中连续的血流，并能减少每个心动周期中血压的波动幅度。
2. 分配血管
指中动脉，即从弹性储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，故称为分配血管。在婴儿期，肺、肾、肠及皮肤等毛细血管特别粗大，以保证这些器官的新陈代谢和良好发育。
3. 毛细血管前阻力血管
小动脉和微动脉的管径较细，血流阻力较大，因而称为毛细血管前阻力血管。微动脉的管壁富含平滑肌，在生理状态下保持一定的紧张性收缩，其舒缩活动可使血管口径发生明显变化，从而改变对血流的阻力和所在器官、组织的血流量。
4. 毛细血管前括约肌
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。其舒缩活动可控制毛细血管的启闭，因此可决定某一时间内毛细血管开放和关闭的数量。
5. 交换血管
毛细血管位于动静脉之间，分布广泛，相互连通，形成毛细血管网。毛细血管口径较小，管壁仅由单层内皮细胞构成，外面有一薄层基膜，故通透性很高，是血管内、外进行物质交换的主要场所，故称为交换血管。
6. 毛细血管后阻力血管
指微静脉，其管径较小，可对血流产生一定的阻力，但其阻力仅占血管系统总阻力的一小部分。其舒缩活动可影响毛细血管前、后阻力的比值，从而改变毛细血管血压、血容量及滤过作用，影响体液在血管内、外的分配情况。
7. 容量血管
静脉与同级动脉比较，数量多，口径大，管壁薄，可扩张性大，故其容量大。在安静状态下，循环血量的60%～70%容纳在静脉中。静脉口径发生较小改变时，其容积可发生较大变化，明显影响回心血量，而此时静脉内压力改变不大。静脉在血管系统中起着血液储存库的作用，因而称为容量血管。婴幼儿的静脉血管相比成人更细，静脉内径与动脉内径之比新生儿为1∶1，成人为2∶1。
8. 短路血管
指血管床中小动脉和小静脉之间的直接吻合支。当短路血管开放时，小动脉内的血液不经过毛细血管而直接流入小静脉。在手指、足趾、耳郭等处的皮肤中存在许多短路血管，它们在功能上与体温调节有关。
（二）血管的内分泌功能
1. 血管内皮细胞的内分泌功能
生理情况下，血管内皮细胞合成和释放的各种活性物质在局部维持一定的浓度比，对调节血液循环、维持内环境稳态及生命活动的正常进行起到重要作用。
血管内皮细胞合成和释放的舒血管物质和缩血管物质相互制约，保持动态平衡。血管内皮细胞一旦受损，其释放的舒血管物质就会减少，进而诱发高血压、动脉粥样硬化等疾病。舒血管活性物质主要包括氧化亚氮、硫化氢、前列环素等；缩血管活性物质主要有内皮素、血栓素A2等。
2. 血管平滑肌细胞的内分泌功能
近年来，免疫学和原位杂交技术证明，血管平滑肌细胞可合成、分泌肾素和血管紧张素，调节局部血管的紧张性和血流。此外，平滑肌细胞还能合成细胞外基质胶原、弹力蛋白和蛋白多糖等。
3. 血管其他细胞的内分泌功能
血管壁中还含有大量成纤维细胞、脂肪细胞、肥大细胞、巨噬细胞和淋巴细胞等多种细胞。以往认为，这些细胞的功能是对血管起保护、支撑和营养作用。近年的研究发现，这些细胞还能分泌多种血管活性物质，以旁分泌、自分泌的方式调节血管舒缩功能及结构变化。
二、血流动力学
血流动力学（hemodynamics）是流体力学的一个分支，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。由于血液中含有血细胞和胶体物质等多种成分，故血液不是理想液体；而血管是较复杂的弹性管道，也不是硬性管道，因此血流动力学既具有一般流体力学的共性，又具备其自身的特点。
（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横截面的血量，也称为容积速度。其单位通常为ml/min或L/min。血流速度（blood flow velocity）指血液中某一质点在血管内移动的线速度。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
研究管道系统中液体流动的规律，用泊肃叶定律（Poiseuille law）可计算出液体的流量，该定律表示为：
也可表示为：
上两式中Q表示液体流量，ΔP或（P1-P2）是管道两端的压力差，r是管道半径，L是管道长度，η是液体黏度，π是圆周率，K为常数，与液体黏度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ΔP或（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r是乙血管的两倍，那么，甲血管中Q是乙血管中Q的16倍，所以血流量的多少主要取决于血管的直径。因此临床静脉置管时，必须在尽可能大的静脉内置入能满足治疗需要的最小管道，以保证充足的血流量。
泊肃叶定律适用于黏滞性液体在硬性管道内的稳定流动。当应用于血液循环时，应注意Q与ΔP实际并不成线性关系。这是因为血管具有弹性和可扩张性，r可因ΔP的改变而改变。
2. 层流与湍流
层流（laminar flow）与湍流（turbulence）是血液在血管内流动的两种方式。层流时，液体中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，管道轴心处流速最快，越靠近管壁流速越慢。在血管的纵剖面上各轴层流速矢量的顶端连线为一抛物线。图2-14中的箭头方向指示血流的方向，箭头的长度表示流速矢量。泊肃叶定律仅适用于层流状态。
图2-14 层流与湍流
（1）血流中的层流；（2）血流中的湍流。
在正常情况下，人体的血液流动方式以层流为主。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，称为湍流或涡流。静脉置管后，管腔突然变窄，可形成湍流。发生湍流时，泊肃叶定律已不再适用。
（二）血流阻力
血流阻力（blood resistance）指血液流经血管时所遇到的阻力，主要由流动的血液与血管壁以及血液内部分子之间得相互擦拭产生。擦拭消耗一部分能量并将其转化为热能，因此血液流动时能量逐渐消耗，使血压逐渐降低。发生湍流时，血液中各个质点流动方向不断变化，阻力加大，能量消耗增多。生理情况下，体循环中血流阻力大致分配为：主动脉及大动脉约占9%，小动脉及其分支约占16%，微动脉约占41%，毛细血管约占27%，静脉系统约占7%。可见产生阻力的主要部位是小血管（小动脉及微动脉）。
血流阻力一般不能直接测量，需通过下式计算得出：
由该式可知血流阻力（R）与血管两端的压力差（ΔP）成正比，与血流量（Q）成反比。结合泊肃叶定律，可得到计算血流阻力的公式：
当血管长度相同时，血液黏度越大，血管直径越小，则血流阻力越大。由于在同一血管床内，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r，故产生阻力的主要部位是微动脉。机体就是通过控制各器官阻力血管的口径对血流量进行分配调节的。
（三）血压
血管内流动的血液对血管侧壁的压强，即血管单位面积上的侧压力，称为血压（blood pressure）。按照国际标准计量单位规定，血压的单位是帕（Pa）或千帕（kPa），习惯上常以毫米汞柱Hg）表示，1mmHg=0.1333kPa。各段血管的血压并不相同，从左心室射出的血液流经外周血管时，由于不断克服血管对血流的阻力而消耗能量，血压将逐渐降低。通常所说的血压是动脉血压。大静脉压和心房压较低，常以厘米水柱（cmH2O）为单位，1cmH2O=0.098kPa。
血压在各段血管中的下降幅度与该段血管对血流阻力的大小成正比，在主动脉和大动脉段，血压降幅较小。如主动脉的平均压约100mmHg，到直径为3mm的动脉处，平均压仍可维持在95mmHg左右；到小动脉时，血流阻力增大，血压降落的幅度也变大。在体循环中，微动脉段的血流阻力最大，血压降幅也最显著。如微动脉起始端的压力约85mmHg，而毛细血管起始端血压仅约30mmHg，说明血液流经微动脉时压力下降约55mmHg。当血液经毛细血管到达微静脉时，血压下降至15～20mmHg，而血液经静脉回流至腔静脉汇入右心房时，压力接近0mmHg。
（四）血流动力学监测
血流动力学监测可分为无创性和有创性两大类。无创血流动力学监测，是应用对组织器官没有机械损伤的方法，经皮肤或黏膜等途径间接取得有关心血管功能的各项参数，如自动的无创血压监测、心电图等。有创血流动力学监测指经体表插入各种导管或监测探头到心脏和/或血管腔内，利用各种监测仪或监测装置直接测定各项生理参数，如中心静脉压、肺动脉压等。
1. 动脉压监测
通常有无创血压监测和动脉穿刺插管直接测压两种方法，血压能够反映心室后负荷、心肌耗氧及周围血管阻力。虽然血压能反映循环功能，但不是唯一指标。因为组织灌注取决于血压和周围血管阻力两个因素。若血管收缩，阻力增高，血压虽高，但组织血流却减少，故判断循环功能不能单纯追求较高的血压，应结合多项指标，综合分析。
2. 中心静脉压监测
经皮穿刺监测中心静脉压（central venous pressure，CVP），主要经颈内静脉或锁骨下静脉，将导管插至上腔静脉。监测需注意：导管插入上、下腔静脉或右心房无误；玻璃管零点需置于第4肋间右心房水平腋中线；静脉内导管和测压管道系统内无凝血、空气，管道无扭曲，导管畅通。
中心静脉压高低主要反映右心室前负荷和血容量，与静脉张力和右心功能有关，不能反映左心功能。这是因为三尖瓣和肺动脉瓣对中心静脉血流有阻碍作用，以及肺循环阻力的改变，使来自左心的压力减弱。
3. 肺动脉压监测
根据临床需要可选用不同规格的Swan-Ganz漂浮导管，通常选择右侧颈内静脉，将导管沿静脉进入到右心房→右心室→肺动脉→肺小动脉分支，即可出现肺动脉楔压（pulmonary artery wedge pressure，PAWP）波形，可用于评估左右心室功能、指导治疗、选择最佳的呼气末正压。通过监测血浆胶体渗透压（colloid osmotic pressure，COP）和PAWP，并计算其差值（COP-PAWP），对心源性肺水肿发生作出判断，PAWP与肺毛细血管静水压基本一致，升高的原因为左心衰竭或输液过量。
4. 心排血量监测
心排血量（cardiac output，CO）是反映心泵功能的重要指标，通过CO测定，可判断心脏功能，诊断心力衰竭和低心排血量综合征，评估预后，指导治疗。临床上有无创和有创两种方法。无创法有心肌阻抗心动图、多普勒等；有创法有温度热稀释法、改良有创血流动力学监测、经肺热稀释法等。
三、动脉血压及其影响因素
（一）动脉血压
动脉血压（arterial blood pressure）是指血液对单位面积动脉血管壁的侧压力，即通常所说的血压。在一个心动周期中，动脉血压呈现周期性变化，心室收缩时，动脉血压升高所达到的最高值称为收缩压；心室舒张时，动脉血压下降所达到的最低值称舒张压，收缩压与舒张压之差称脉搏压，简称脉压，它可反映动脉血压波动的幅度。在一个心动周期中，动脉血压的平均值称为平均动脉血压，心舒期长于心缩期，因此平均动脉血压接近于舒张压，约等于舒张压加1/3脉压。在安静状态下，我国健康青年人的收缩压为100～120mmHg，舒张压为60～80mmHg，脉压为30～40mmHg。婴幼儿由于心肌纤维细弱，收缩能力差，加之血管壁弹性较小，故血压低于成人。
（二）影响动脉血压的因素
1. 每搏输出量
每搏输出量增加时，心缩期射入主动脉的血量增多，动脉管壁所承受的侧压力也增大，故收缩压明显升高。由于动脉血压升高，血流速度随之加快，在心舒末期存留在大动脉中的血量增加不多，故舒张压升高的幅度相对较小，脉压增大，平均动脉压也升高。反之，每搏输出量减少时，收缩压降低明显，脉压减小。通常情况下，收缩压的高低主要反映每搏输出量的多少。
2. 心率
如果心率加快，心动周期缩短，心舒期缩短更明显，流向外周血量减少，舒张末期动脉内存留血量增加，使舒张压升高。由于平均动脉血压升高，血流速率快，收缩压升高不明显，故脉压变小。但如果心率过快，则心舒期过短，使心室充盈不足，导致心排血量减少，动脉血压反而下降。反之，当心率减慢时，舒张压下降的幅度比收缩压显著，因而脉压增大。
3. 外周阻力
若心排血量不变，外周阻力增大时，可使血压升高。由于外周阻力增大，使血流速率减慢，导致心舒末期存留于大动脉内血量增多，所以舒张压升高明显；反之外周阻力减小，舒张压降低更明显。因此，舒张压的高低主要反映外周阻力的大小。原发性高血压患者主要是小动脉硬化，口径变小，外周阻力增大所致。
4. 主动脉和大动脉的弹性贮器作用
由于主动脉和大动脉的弹性贮器功能，使得动脉血压波动幅度明显小于心室内压的波动幅度。老年人由于动脉管壁硬化，血管顺应性降低，主动脉和大动脉的弹性贮器作用减弱，对血压波动的缓冲作用也就减弱，因而收缩压增高，舒张压降低，脉压明显加大。
5. 循环血量与血管系统容量的比例
正常情况下，循环血量是相对稳定的，血管系统的充盈程度变化不大。大失血后，循环血量减少，此时如果血管系统的容积变化不大，则体循环平均充盈压将降低，使动脉血压下降。如果循环血量不变而血管系统容积增大，则会导致动脉血压下降。
在不同的生理或病理情况下，上述各种因素可同时影响动脉血压，故实际所测得的动脉血压变化，往往是各种因素相互作用的综合结果。
四、静脉血压和静脉回心血量
（一）静脉血压
血液在血管内流动过程中，不断克服阻力而耗能，使血压逐渐下降，当流至小、微动脉时，血压明显降低，到达右心房时压力已接近于零。通常将右心房和胸腔大静脉血压称中心静脉压（CVP），而将各器官或肢体的静脉血压称外周静脉压。中心静脉压正常值为4～12cmH2O，其高低取决于心脏射血能力和静脉回心血量。如心脏射血能力强，能及时将回流入心脏的血液射入动脉，中心静脉压较低；反之，心脏射血能力减弱（如心力衰竭），右心房和上腔静脉淤血，中心静脉压就会升高。因此，在临床上常作为判断心血管功能的重要指标。另外，如果回心血量增加（如静脉输血、输液过快或者过多），中心静脉压也将升高。所以中心静脉压也可以作为静脉输液速度和补液量的监测指标。
（二）影响静脉回心血量的因素
单位时间内静脉回心血量的多少取决于外周静脉压与中心静脉压之差，以及静脉对血流的阻力。因此，凡能改变这个压力差及静脉阻力的因素，都可影响静脉回心血量。
1. 体循环平均充盈压
是反映血管系统充盈程度的指标。当血量增加或容量血管收缩时，体循环平均充盈压升高，静脉回心血量增多；反之，血量减少或容量血管舒张时，体循环平均充盈压降低，静脉回心血量减少。
2. 心肌收缩力
心肌收缩力是影响静脉回心血量最重要的因素。心肌收缩力越强，射血时心室排空越完全，在心舒期心室内压越低，对心房和静脉内血液的抽吸力量越大，静脉回心血量增多。反之，心肌收缩力减弱，静脉回心血量减少。如右心衰竭患者可因心肌收缩乏力而静脉血回流减少，产生肝、脾充血肿大，腹水和下肢水肿等体征。
3. 重力与体位变化
由于静脉管壁薄，易扩张，静脉内压力较低，因此，静脉血流回流易受重力和体位的影响。当身体平卧时，全身静脉与心脏基本处于同一水平，外周静脉压与中心静脉压之间的压差小，对静脉回流影响不大。当身体由卧位突然直立时，因重力作用，血液大量瘀滞于下肢，使静脉回心血量减少，导致心排血量减少，从而产生直立性低血压，出现眼前发黑甚至晕厥，严重者可致休克。所以对体弱多病、长期卧床患者不能突然改变体位，以免发生意外。
4. 骨骼肌的挤压作用
肌肉收缩时可挤压肌肉内和肌肉间的静脉，使静脉血回流加快；同时静脉内的瓣膜使血液只能单向流回心脏。肌肉舒张时，静脉扩张，静脉压下降，有利于毛细血管和微静脉的血液流入静脉。这样，骨骼肌和静脉瓣膜对静脉回流起着“泵”的作用，称为“肌肉泵”。所以，肌肉有节奏地收缩和舒张可使回心血量增加。正常人长期站立或处于坐位，可能出现下肢水肿，是由于下肢静脉缺乏肌肉挤压，血液淤积在下肢所致。
5. 呼吸运动
由于胸膜腔内负压的作用，胸腔内大静脉处于扩张状态。吸气时，胸腔容积增大，胸膜腔内负压值进一步增大，使胸腔内的大静脉和右心房更加扩张，中心静脉压降低，右心回心血量增多。反之，呼气时胸膜腔内负压值减小，右心回心血量减少。因此，呼吸运动对静脉回流也起着“呼吸泵”的作用。
五、血流量及血流速度对静脉输液治疗的影响
（一）成人中心静脉置管常用静脉直径及血液流速（表2-3）
表2-3 成人中心静脉导管常用静脉直径及血液流速
（二）血流量与静脉输液治疗
静脉输注刺激性强的药物、肠外营养或需要长期静脉输液时，应选择管径粗的血管，较大的血流量可使药物得到迅速地稀释，从而减轻药物对血管壁的刺激，减少化学性静脉炎的发生。临床在进行静脉置管时，必须在尽可能大的静脉内置入能满足治疗需要的最小管道，使被置管的静脉局部有足够的空间让血液通过，保证一定的血流速度和血流量，避免在管腔较小的静脉插入导管，防止堵管、静脉炎、血栓、外渗等并发症发生。
（徐亚吉）