§5．1 心脑血管疾病与血液动力学
人脑是人类智慧的物质基础，也是迄今所知的最复杂的生物器官．关于人类大脑是如何工作的这一问题，至今还没有一个完满的答案．但不管大脑如何工作，它时刻需要大量的营养与能量以维持神经细胞旺盛的工作能力．人类经过千万年的进化，将全身20%的血液供应给仅占身体总重2%的大脑．由于大脑神经细胞空间排列非常紧凑，以至它们自身不再储存多余的能量物质，神经细胞的营养与能量物质全靠血液循环不停地供给．所以对神经细胞，如果缺少氧气达6s就可致使代谢受损．对整个人脑，如果缺少氧气达5min便会使脑有不可逆性损伤，若大脑缺少氧气超过10—15min则必有神经细胞死亡．所以，人脑高度复杂，也非常娇嫩，以至人类专门发育一套血管系统来给它们供血，并有一个坚固的颅壳来保护它们．
人脑供血主要靠两根颈动脉和两根椎动脉，这4根动脉在颅内汇合相通，构成一个网络系统向颅内神经元供血，这就是有名的维利斯（Willis）环循环，如图5－1所示．由于种种原因，这个循环系统会发生一些障碍，如某根血管堵住了，某根血管破裂了，等等．这时人脑神经元的正常功能将受到影响，这类疾病称为脑血管病（亦称：中风、脑猝死、脑血栓、脑溢血……），它已成为危害人类生命的重要疾病之一，也是我国死亡率最高的疾病之一（我国脑血管病死亡率为116人/10万人口，2006年）．目前，我国每年新发脑中风120万—150万人，每年死于该病的有80万—100万人，患病人数高达500万人以上，他们一般都遗留有轻重不等的后遗症，如瘫痪、失语和痴呆等残疾，其中约3/4的患者丧失劳动力，生活不能自理，需要照顾．
临床上中风最大的特点为起病急剧，死亡率高．由于神经细胞受损死亡后不能再生，所以有幸生存下来的患者，往往具有终身神经功能不全及相应的机体功能障碍，如偏瘫、失语、耳聋等等．对这些症状，临床上药物及其他治疗手段往往束手无策，而后遗症带来的不仅是患者的痛苦，还有家庭与社会的沉重负担．因此，世界各国一直致力于开展脑血管疾病的预防、诊断与治疗工作，也取得了很大的进展，如近二三十年来CT（X线断层扫描）、MRI（核磁共振）和PET（正电子发射扫描）等一大批先进医疗仪器的发明，给脑血管疾病的诊断提供了非常有效的手段，但对疾病的治疗与早期预防，目前，人类能做的仍很有限．
图5－1 人体两个最重要的器官——大脑和心脏时刻都需要大量的血液供应
了解了脑血管疾病的危害以后，我们再来看另一种危害人类健康的元凶——冠心病．我们知道，心脏是人体血液循环的动力，它昼夜不停地收缩扩张，将血液送往全身．由于心脏本身也是一种器官，所以它在工作时，也需要营养与能量．心脏在向其他器官输送血液的同时，也为自身提供血液．向心脏供血的动脉称为冠状动脉，如图5－1所示．由于冠状动脉发生病变而引起的心肌缺血等疾病称为冠状动脉心脏病，简称冠心病．
冠心病在西方国家是发病率与死亡率最高的疾病，它占全部死亡率的50%，美国2亿人口中每年死于冠心病的人数超过60万．在我国，冠心病的死亡率位于第三位，仅次于肿瘤与脑血管疾病，但有增多的趋势．
由于心肌不停地高负荷地收缩扩张，心肌对血液给氧的需求要远远高于其他器官．为了高效率地工作，心肌细胞中也很少储存营养与能量物质，心脏物质代谢主要依靠从氧化分解过程获得的能量．因此，血流的突然中断（局部缺血）会在数分钟内引起心脏功能的严重丧失，甚至心脏停搏．在正常体温下，如缺血超过30min，则除了心肌的功能受损外，还出现不可逆的结构上的变化，而使得心脏复苏成为不可能．由于脑对缺氧的反应更敏感一些，所以心脏停搏后，第一损伤的是脑神经细胞（5—15min），之后再是心肌细胞（30min）．因此，有许多冠心病患者，经抢救后心脏复苏搏动，但在神经功能方面却留下终身残疾，如偏瘫、痴呆，甚至变成植物人．
综上所述，脑中风和冠心病这两个人类的第一杀手（占人类死亡率的70%以上）都有下述显著的特点：
（1）病情很隐蔽，多数患者平时没有明显症状；
（2）发病很突然，往往都是在数分钟甚至数秒钟内发病；
（3）发病后果严重，多数患者非死即残，侥幸存活下来的也容易经常复发．
这两种疾病的临床表现与发病机理存在很大差别，但从血液运动角度来考虑，它们都是血管内血液运动异常所致，其中最主要的就是供应给器官的血液不足，导致神经和心肌细胞缺血（分别称为脑梗塞与心肌梗死），这就诞生了一门专门研究血液运动规律的新学科——血液动力学．
同样，我们考虑最简单的血流运动．将人体复杂的动脉血管简化成如图5－2所示的刚性直管道，在管道的上下游有一个压力差，血液在压力差的驱动下流动．如果流动是层流的话，则流动所遇到的阻力有著名的泊肃叶（Poiseuille）公式，即血液的流量Q为
其中，R为血管的半径，L为血管的长度，η为血液的黏度．从这个表达式中可以看出，动脉中血液流量Q与压力差（即人的血压）成正比，与血液黏度成反比，与血管管径的4次方成正比．因此，如果患者的血液黏度较高（像高血脂、肥胖病人等），就容易得脑中风与冠心病．同样，对高血压病人，如果突然服用降压药物，血压骤降（即ΔP减少），脑与心脏的供血突然减少，也会极易引起心脑缺血．但是长期的高血压对心脑的小血管容易造成损害，所以高血压一定要降下来，但要有节奏地慢慢降．
图5－2 血液在直刚性管中的流动示意
在泊肃叶公式中，还有一个影响血流量的重要因素，就是血管的半径R．从公式中可看到，如果同样条件下血管管径减少10倍，则血流量将减少1万倍，它对血流量的影响特别显著．在人体血液中，由于低密度胆固醇、血脂及血流冲刷等作用，血管壁会发生病变，其中最典型的是使动脉失去弹性，管壁变硬，原先非常光滑的动脉内壁上隆起一块块斑块，这就是动脉粥样硬化．据研究，动脉粥样硬化从20岁就开始，且随着年龄的增加，发生的概率越大．动脉粥样硬化斑块将占据动脉管腔内的许多空间，严重影响着血液的供应．所以，动脉粥样硬化的病人非常容易患中风与冠心病．
动脉发生粥样硬化、管腔变得狭窄后，血流量将如何改变呢？我们再通过一个简单的模型来研究这个问题．如图5－3（a）所示，假如在一根直管中发生了一个正弦线形状的斑块，定义血管狭窄度δ为：δ＝λ/R，这里λ为斑块的最高度，R为管半径．
图5－3 血管狭窄程度与血流量减少的关系
不难看出当δ＝0时无狭窄，当δ＝1时表示全部堵塞．通过血液动力学分析计算发现，随着血管狭窄增加（即δ从0增大到1），血流量变化不是简单的线性关系，而是如图5－3（b）所示的S形．
当δ较小时，血流量Q随δ的增加而减少的值较小，而当δ较大时，流量Q将随δ的增加而急剧减小．例如，当δ＝0．4时，这相当于血管的截面积中已有64%被狭窄斑块所占据，而血流量仅比无狭窄时减少16%左右．但当δ＝0．8时（增加一倍），血流量已减少90%．这说明，对于像脑梗塞与心肌梗死这类由于血管狭窄所引起的器官供血不足的疾病，在初期虽然血管已有一定狭窄，但血流量没有明显减少，所以疾病的症状不明显，病人甚至毫无察觉；而当血流量减小到病人有感觉或有症状时，往往狭窄已发展到相当严重的程度．因此，这类疾病一旦发病往往比较突然，一有症状，病情往往又很严重．并且，由于动脉粥样硬化是不可逆的，因此一般斑块生成后不会消失，目前也没有什么药物或其他手段可使斑块减退，所以病症极易复发．因此对这类病人，我们只能按泊肃叶公式，尽量减低其血液黏度，不要引起患者的血压波动．在患者病情严重的时候可用导管疏通被堵塞的血管，或者通过动脉搭桥手术（如图5－4所示），使血液绕过被堵塞血管到达心肌等组织，这在临床治疗中起到重要的作用．
图5－4 冠状动脉搭桥手术原理示意
由于这类疾病的不可逆与发病突然等特性，早期诊断与预防成为控制这类疾病最主要的手段，因此，全国各地都成立了心脑血管疾病防治办公室．复旦大学力学与工程科学系近10年来与全国许多医疗机构广泛合作，应用血液动力学原理，研制了多种心脑循环诊断与分析仪器，为早期诊断与防治这类疾病做出了突出的贡献，多次获得教育部和上海市的科学进步奖．
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