簡述血行力學發展史(上)
文:台大名譽教授 張國柱(Chang,Kuo-Chu)
體循環的動脈系統是個非常複雜的網路,它由許多且分枝的彈性黏滯管(viscoelastic tubes)所組成,承接來自左心室收縮所壓送的脈態血流(pulsatile flow),並將穩態血流(steady flow)往周邊小動脈和細動脈方向輸送,以利物質(養分及代謝產物)在微循環進行交換。
1628年,William Harvey 在他的經典之作【De motu cordis et sanguinis in animalibus】一書中首次提到:動脈具有緩衝(cushion)和導流(conduit)兩大功能。Harvey被譽為『心血管生理學之父』。 他很詳細地描述了心臟收縮所造成動脈被動擴張(distending)的現象;動脈被動式地納血擴張和隨之而來的舒張反彈,可連續而不間竭地趨使血液往不同的組織、器官輸送。Harvey將動脈系統比喻為具有彈性的囊狀物,其擴張、反彈的特性是循環系統速續性血流的關鍵。1769年,英國牧師Stephen Hales展示了他所發明的血壓測量儀,並將之應用於狗和馬等實驗動物上。他測量了大動脈和大靜脈的血壓訊號,觀察到了動脈的脈態(arterial pulsation)現象。Hales首度以實際數據成功地計算了心輸出量(cardiac output),並駁斥了十七世紀Borelli所言「絕對不可能估算心室肌肉所產生之力」的論點。
從動脈之脈態血流(pulsatile flow)到靜脈之平穩血流(steady flow)的變化,使得Hales有了如下的推論:「心室收縮期間,彈性貯存器(elastic reservoir)所具有的擴張性質是動脈具有脈態血流的主要原因」。他將動脈的緩衝功能比喻為大而具有可擴張性之貯存器功能。Hales著有【Haemastaticks】一書,於1784年的德文首版翻譯裡,他將動脈的緩衝功能稱之為“Windkessel” 而延用至今。Hales也是首位引入周邊血管阻力(peripheral vascular resistance)這個觀念的學者。在小腸的灌流實驗中,他計算了周邊血管阻力,並推論「組織中的細小血管(minute vessels)就是產生血管阻力的主要所在」。因此Stephen Hales被譽為『血行力學之父』。
十八世紀是流體力學發展的重要年代,尤其是理論數學。Leonard Euler是這個領域中最偉大的學者之一。他最重要的貢獻便是發展流體運動(fluid motion)方程式,稱之為Euler方程式。Euler是Bernoulli家族最親近的朋友,尤其是Daniel Bernoulli 的摯友。他們兩位所共同探討的流體是“理想"液體,也就是不具黏滯性(viscosity)的流體。然而真正以實驗數據推導出「硬管內黏滯流體的流量(flow)和壓力梯度(pressure gradient)之間成正比關係」的學者,卻是法國專精物理學及生理學的醫師Jean Louis M. Poiseuille。同一時期,Stokes於1845年加入了流體黏滯性的考量而擴展了Euler運動方程式,成就了赫赫有名的Navier-Stokes方程式。
Thomas Young與Poiseuille具有相似的學術背景,但涉獵範圍更為廣泛。Young的衆多研究工作之一,便是動脈管壁彈性本質的探究,尤其著重在「動脈管壁彈性與動脈脈波傳播速度之間的關係」。隨之而來的是Weber家族中,Wilhelmina Eduardo和Ernst Heinrich兩兄弟所探討的脈波傳輸領域。之後的1878年,實驗家Moens發表了有關脈波傳輸特性的簡短論文。數學家Korteweg則根據Moens的實驗數據推導出Moens-Korteweg方程式。這一方程式的基本假設是:「完全彈性的薄壁管、而且流體不具黏滯性」。Moens-Korteweg方程式提供了非常有用的訊息,那便是「動脈管的硬化程度與波速成正向關係」。
背景發展至此,血行力學已經進入關鍵的重大時刻。早年Hales所使用的血壓測量儀及之後十九世紀Poiseuille、Ludwig和Faivre等人用來測量動脈管內壓(intra-arterial pressure)的儀器,都無法精準地測量動脈的脈態訊號。時至1903年,德國學者Otto Frank首度成功發展了測量脈態血壓的流體壓力計(fluid manometer)。1924年的Wiggers和1934年的Hamilton則在美國將精確的光學流體壓力計(optical manometer)公諸於世。根據Farady原理設計成功的電磁壓力計(electromagnetic manometer)則於1936年由Kolin獨立發展成功,並且趨於實用階段。因此在1950年代應用這些儀器於人類心導管檢查和病床監視系統的機會便與日遽增了。
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