把⼿轻轻放在⼿腕处、脖颈处、胸⼝处,我们都可以感受到微弱⽽坚定的跳动。那是⽣命的节拍。⼼脏跳动之间,⼈体的代谢得以完成,⼈们的⼀⾔⼀⾏也得以有了能量来源。这⼀切⾃然到让⼈习以为常。直到某⼀天,⼩编看到⼀个问题:⼼脏和⼿腕脉搏是同时的吗?⼩编第⼀反应是,肯定啊,那当然是同时啊。脉搏跳动的来源不就是⼼脏吗?是啊,脉搏来源于⼼脏,这说明⼼脏和脉搏的频率肯定是相同的!
但是,这也说明脉搏的跳动是由⼼脏的跳动传播⽽来,那总存在个先来后到,总存在个时间延迟!根据⼩学⼆年级学过的波动⽅程我们知道,⼒学扰动在物质中传播的速度上限是声速。
那么问题解决了,看来脉搏的跳动要落后于⼼脏⼀丢丢时间,⼤概是路程除以声速。粗略估计⼼脏距⼿腕⼤概有1m⻓的⾎管,⽔中的声速⼤概在1500m/s,这样来看延迟约莫1/1500 s, 也就是0.0006秒吧。不过总感觉哪⾥不太对。还是仔细研究⼀下!这⼀细想不要紧,不仅发现了这个估算错得离谱,还发现了⼼脏让⼩编⼤开眼界的⼀⾯。
聪明的你⼀定发现了是哪⾥不对了吧!
如果当作声波来处理,把⼈体当作⽔来处理,这个近似简直和真空中的球形鸡⼀样粗糙,结果就是,扰动应该沿着体液均匀地传向全身才对,也即,整个⼈都该随着⼼脏的节拍变⼤~缩⼩~变⼤缩⼩。想想还有点恐怖……这也意味着,我们应该在身体的每⼀处都能感受到⼼脏的跳动才对~但是这当然是不对的!我们只能在颈动脉、腕动脉这样⽐较浅表的动脉处,感受到这种跳动。
这才合理嘛,回归⼼脏的本质作⽤,⼼脏的作⽤是把⾎液送往全身,跳动的能量应该集中⽤来推动⾎液才对。
但是进⼀步的处理却让⼈犯难了。⼼脏的跳动到底是怎么传播开来的呢?这就要从⼼脏起作⽤的机理说起了。你相信⼼脏的⻆⾊是⾎液泵吗?为了更好地解决时间延迟的问题,我们来考虑这样⼀个问题:⾎液到底是怎样在⼼脏的推动下流向全身的呢?⾯对这样⼀个问题,⼩编脑海中的图像是这样的:⼼脏跳动时,扮演着挤压⾎液的⻆⾊,提供了⾎液流动的动⼒。在坚硬可靠的⾎管中,⾎液因此稳定地流淌着。这样的观点,⼜被称作⼼脏是“⾎液泵”。
直到我看到这样⼀个观点:⼼脏的作⽤更像⼀个脉搏波发⽣器⽽⾮⼀个⾎液泵[1]!这⾥的脉搏波,我们指动脉的搏动波,下同。如果带着⾎液稳恒流动的观点,将会出现⼀个⾃然的⽭盾。既然⼼跳是有周期性的,⾎液的流动怎么可能是定常的?那好,既然⼼跳是⼀下⼀下的,那我们考虑⾎液流动的速度也是周期性的总⾏了吧!也即,⾎液在⾎管中,在时域上以周期速度进⾏流动。
可是还有问题!⾎液是⼗分粘稠的,⽽⾎管是曲折复杂的,半径也从⼼脏到四肢不断缩⼩。如果⾎液不断地在⾥⾯加速减速,岂不是要有很多能量⽤来克服管阻和黏性耗散!问题出现在哪⾥呢?实际上,我们忽略了⼀个问题:⾎管并不能当作⼀个刚性管来处理,⾎管是有弹性的。⼼脏跳动的时候,⾎管会跟着联动。
破案了。⼼跳的结果,造成了⾎管膨胀-缩⼩变化的横波,也造成了沿⾎液⽅向传播的纵波。这⾥还有⼀个更让⼈惊讶的事实,⼼脏跳动的能量,绝⼤部分(⼏乎全部)都给了⾎管⽤于产⽣搏动,⽽⾮⽤于推动⾎液!⼼脏看来远不是“⾎液泵”那样简单,⽽更像⼀个动脉搏动的发⽣器!
到这⾥,我们已经有了⼼脏的跳动对⾎液—⾎管耦合系统的初步图像。有了具体的物理认识,追求数学上的具体描述就简单多啦。下⾯我们将进⾏具体的估算,来得到波速。我们会发现⾎管和⾎液的性质决定了波速。这⼀点,在医学、⽣物⼒学等⽅⾯有⾮常⼤的意义。
诸多启发公式记不住没关系,关键是我们发现了以下两个事实:1. ⼼脏跳动的能量以脉搏波的形式传输,脉搏波是⼀种流体-固体耦合的复杂波。2. 脉搏波的速度/波形等性质,受到⾎管、⾎液的性质的影响。⽽⾎液⾎管的⽣理状态,可以反映很多问题!这将导致对很多问题的新的理解!
在营养物质的传输⽅⾯:营养物质从⾎液进⼊组织,仅靠⾎液的流动是不⾏的。实际上,脉搏波在⼼脏的跳动下⼤概有这样的波形:每⼀次⼼脏跳动带来的脉搏波波⾯所到之处,都将有压⼒的⼀个上升⽀,随后迎来⼀个下降⽀。⼀升⼀降之间,完成了⾎液的流动和营养物质的传输。
以氧⽓为例,⾎红蛋⽩结合氧的百分⽐依赖于⾎液中的氧分压,⽽氧分压⼜正⽐于⾎压的总压。也即,氧⽓浓度随着脉搏波带来的压⼒变化⽽变化,氧⽓也随之送⼊各个组织之中。这与直观的氧⽓随着定常流动的⾎液⽽运输的观点有很⼤区别,这也导致了⼈体可以以相⽐⾎液质点流速(10-1m/s)快得多的脉搏波速度(101m/s)的速度来输运。
⼈们在⼈造⼼脏上的努⼒也可以深刻地反映⼼脏的实际⻆⾊。当⼼脏不能发挥其功能时,就有可能需要⼈⼯⼼脏来替代其功能。⼈们在设计⼈⼯⼼脏时,最初模仿⼼脏的搏动得到了第⼀代搏动泵,但是这样得到的器械体积⼤,极易损耗。后来从推动⾎液流动⻆度得到了第⼆代轴流泵,结果为了达到原来的⾎液流动效果,需要⾮常⼤的转速,这样容易在⼈⼯⼼脏处对⾎液有效成分带来很⼤的破坏。最终第三代磁悬浮离⼼泵解决了⾎液成分破坏的问题。
但是⼈们发现,单纯推动⾎液流动所需要的功率,远⼤于⼼脏本身的⼯作功率;⽽定常流推动的⽅式,不仅不能有效地将营养物质送达到各个组织器官,还将导致⼼⾎管组织因脉搏波的消失⽽逐渐失去弹性,最终产⽣严重的⼼⾎管疾病。⽬前的⼈⼯⼼脏设计,也需要通过周期性地改变,产⽣搏动⾎流,达到⼼脏原本的效果。
前边我们提到,脉搏波的速度、波形等信息,依赖于⾎管和⾎液的⼒学性质。那⼀个很⾃然的想法是,脉搏波的性质,岂不是可以很好地反映⼈体的健康情况!是这样!⼼脑⾎管疾病作为⼈类头号杀⼿(远超癌症),给⼈类健康造成了极⼤威胁。⽽脉搏波⼀定程度上可以反映⾎管的健康信息[2],⽐如:通过测量不同位置的脉搏波压⼒变化图,可以反映⾎管的健康状况。
此外,说到这⾥,⼤家是不是想起来点什么~没错,那就是中医传统脉诊!脉搏压⼒压⼒波脉图,可以与传统的28种脉象建⽴起联系,⽐如平脉、弦脉和滑脉对应于不同的压⼒脉图。
波动,原来离我们如此之近。⼼脏的每次跳动,都以脉搏波的形式随着超柔性的⾎管传播开来,使得营养得以⾼效传递,构成⽣命美妙的乐章,让我们不得不感叹⽣命的伟⼤!未来,也希望脉搏波相关的深⼊研究,可以为⼈类的健康事业带来更多帮助~