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心脏瓣膜关闭血液流动模拟实验


《生物力学》课程实验报告
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心脏瓣膜关闭血液流动模拟实验
[ 实验目的 ]
模拟心脏瓣膜关闭血液流动情况,了解心脏瓣膜关闭的动力学机制。

[ 仪器用具 ]
玻璃管、水盆、水槽、红墨水、注射器

[ 原理概述 ]
心脏的四个瓣膜中,主动脉瓣由三片半月形薄膜组成,位于主动脉根部,有三个凹坑,称为瓦耳萨耳瓦示 窦,在瓣膜关闭过程中起着重要作用,肺动脉瓣构造与主动脉辩相仿。 二尖瓣由两片略呈梯形的薄膜组成 ,它的底座为椭圆形,打开时膜形成锥形结构,膜缘有腱索连接于心室乳 突肌,以防翻转。三尖瓣有三个瓣膜。心脏的四个瓣膜在血液流动中起着单项阀门的作用,防止血液反流。 最早描述心脏瓣膜血液流动的是 Leonardo,在他的研究报告中指出,在心室收缩期,血液在瓦耳萨耳瓦氏窦 形成旋涡。Henderson 和 Johnson(1912 年)则首次阐明了心脏瓣膜关闭的流体力学机制。他们做了一系列实验, 第一个实验如下图所示 。用一根管子,上端连接装有色液体的容器,下端插入一杯清水中。当活塞开放时,可以 看到一股清晰的射流,如图 a 所示。 然后关闭活塞 ,以求阻止水流。 一旦水流被阻止,即如图 b 所示,当管流 突然中止时,射流继续向前,在管口中断,而清水却涌向管口。

第二个实验示意图如下所示,在直管旁加一曲管,成“D”形。D 形管进口处装上中心瓣膜。一开始流体从直 管流进水箱,弯管里无流动。一旦在直管下端将管关闭 ,在 D 形管内就可以看到回流。

第三个实验用一根直玻璃管,下端套一段很软的橡皮管,如图下图所示。管内液面是高于水面的,若将盖子 揭开,水柱就会下落,当管内液柱的水面低于水箱液面时,软椽皮管立即关闭。

上述三个实验原理与心瓣膜关闭相似,即:“ 减速度产生压力,梯度关闭瓣膜。” 以第二个实验图为例,设管内平均流速为 U。在实验开始之前,管内 A 到 B 之间流速 U 是均匀的(因为在 s 处 的瓣膜关闭了曲管 C),在实验进行时,设我们忽视重力及粘性力的作用,则液体在管内的运动方程式,可用以下 一维方程近似 :

?U ?U 1 ?p +U =? ?t ?x ρ ?x

式中 t 是时间,x 是流动方向,ρ 是流体密度,p 是流体压力。在 A-B 段,由于管的截面积是常数,根据质量 守恒定律,U 不因位置(x)改变而变化,因此上式中 ? x 为零,可简化为: ?U 1 ?p =? ?t ρ ?x 由上式可知,若管内液流减速,则 ? t 是负值,那么 ? x 一定是正值,即野柳减速时,B 点的压力比 A 点高,这两 点的压力差推动曲管 C 内的液体,引起回流,关闭瓣膜。 上述实验可用来说明通过心脏瓣膜前后血流减速引起逆向压力梯度使瓣膜关闭的机制。例如,在心室射血后 期,流动减速,它造成的逆压力梯度使主动脉瓣(或肺动脉瓣)关闭,二尖瓣和三尖瓣关闭原理也与此相同
?U ?U ?U

[ 实验步骤 ]
1、 2、 3、 4、 在水盆中加入足量的水,将玻璃管浸没其中,使玻璃管内充满水,用手指堵住玻璃管两端,防止水漏出; 放开玻璃管一端,放出少量水,使玻璃管内有一小段空气柱,再用手堵住; 用注射器吸取足量的红墨水注入玻璃管内,将玻璃管上下颠倒,重复多次,使管内墨水均匀; 将一端的手指放开,仅堵住一端,另一端竖直浸没于水盆内的水中,迅速放开上端手指再迅速堵住,观察 玻璃管内的水柱情况; 5、 重复上述步骤多次,对实验现象拍照。

[ 实验数据 ]

[ 实验数据处理及讨论 ]
从图片中可以观察到玻璃柱在松开上端端口后红墨水从管内流出,当再次堵住上端端口后观察玻璃柱内的红 墨水水柱,可以看到最下端端口有一小段明显清水水柱,显然在堵住玻璃管上端端口的瞬间红墨水继续以一定速 度从玻璃管内流出,而与此同时水槽中的水也流入玻璃管内,形成一明显的清水水柱。该实验验证了 HendersonJohnson 实验,证明了“减速度产生压力,梯度关闭瓣膜” 心瓣膜关闭的动力学机制。 实验中,所选取的玻璃管需要一定的长度与直径否则易造成实验失败,过短和过细的玻璃管可能使射流过快 流尽,导致无法形成清水水柱,过长和过粗的玻璃管不易操作。该实验中还需注意实验背景,所观察的环境不能 与有色液柱的颜色相近,例如红色的水盆等容易造成视觉误差,不易观察。理因选取色差较大的实验环境,例如 红墨水应选取白色背景。


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