血流篇：頭頸部靜脈血回流心臟的力學機制

台大張國柱


頭頸部的靜脈血如何在地心引力與相對負壓的環境下順利回流心臟，是一個有趣的問題，其中牽涉到淺層靜脈、深層靜脈的結構差異與血行力學機制的整合。


一、靜脈回流的力學基礎與物理條件

循環系統中，血液的流動依賴壓力梯度（pressure gradient），即由高壓處流向低壓處。

以心臟為參考點，當個體平躺於與地面平行的長凳上，右心房壓（中央靜脈壓，CVP）正常約 2 mmHg，頭部及腳踝處之靜脈壓約 6 mmHg，因此血液由頭部或腳踝回流心臟毫無疑義。然而將長凳轉為直立時，因重力的影響，此時腳踝處的靜脈壓約 90 mmHg，而頭頸部的靜脈壓卻為 -35 mmHg。那麼血液如何由低靜脈壓的頭頸部流回相對高壓的心臟呢？


要理解這個現象，我們將以 U 形管輔助解釋之。

（1）假設 U 形管為硬管（rigid tube）

首先，將 U 形管平放於板凳上，硬管任何一處所受重力的影響都相同，因此重力對液體流動的影響可以忽略不計。此時賦與壓力源（入口處之壓力為 100 mmHg，出口處為 0 mmHg）。根據 Poiseuille 定律，液體由高壓往低壓流動。由於血液黏滯性（blood viscosity）的作用導致壓力有所減損，吾人假設在 U 形管彎曲部位的壓力降為 50 mmHg。

其次，將 U 形管直立，開口朝上。在無壓力源的情況下，液體並不流動，此時 U 形管彎曲部位因重力的作用，假設其靜水壓為 80 mmHg。賦與壓力源後，液體的流動因黏滯性導致壓力損失，使得彎曲部位之壓力為 50 mmHg。將其疊加在重力靜水壓的 80 mmHg，結果 U 形管彎曲部位的壓力為 (80 mmHg + 50 mmHg =) 130 mmHg。相反地，若將 U 形管開口朝下，那麼 U 形管彎曲部位的壓力為 (-80 mmHg + 50 mmHg =) -30 mmHg。由於硬管的緣故，U 形管彎曲部位沒有變形的疑慮。


（2）假設 U 形管為硬管，但彎曲部為可擴張管（distensible tube）

將 U 形管直立，開口朝上，賦與壓力源，液體的流動導致因黏滯性壓力損失後為 50 mmHg，疊加在重力靜水壓的 80 mmHg，結果 U 形管彎曲部位的壓力為 130 mmHg。由於彎曲部位變形擴張，有液體積壓的情境，但不影響血液回流。若將 U 形管開口朝下，在壓力源的趨動下， U 形管彎曲部位的壓力為 -30 mmHg。由於低於大氣壓，彎曲部位產生塌陷（collapse），沒有血液流動。爾後 U 形管左半枝的壓力迅速回升至 100 mmHg，克服靜水壓 -80 mmHg 而重開彎曲部位，促使液體再度流動。但當液體開始流動，壓力迅速回落 -30 mmHg，再度塌陷。如此反覆動作而有週期性塌陷與重開，產生血流不連續的「fluttering（顫動）」現象。


***然而正常人在站立或坐姿時，頸部的表淺靜脈通常觀察不到 fluttering 的現象。***


二、血管結構與流體特性：淺層 vs 深層靜脈（附註一）

對頭頸部而言，淺層靜脈如外頸靜脈，可擴性高、容易塌陷，類似「輭管」；深層靜脈如內頸靜脈，結構穩定、不易塌陷，類似「硬管」。正常人在站立或坐姿的負壓環境下，大氣壓壓迫淺層靜脈，使得頸部的表層靜脈通常是部分塌陷（partial collapse），但没有血流中斷或 fluttering 現象。因為來自頭部的靜脈回流主要是經由較深層的頸靜脈進行，而這些深層靜脈受到支持組織的保護，不會發生塌陷。因此，U 形管可擴張的彎曲部分可以透過使用塌陷的表層靜脈並聯剛性深層靜脈加以模擬，用來解釋頭頸部靜脈血回流心臟的力學機制。


三、靜脈系統的並聯結構

深、淺靜脈之間透過交通支靜脈（communicating veins）相互連結，形成並聯式血流系統。顎內靜脈叢（pterygoid venous plexus）是一個深層與淺層系統交會的重要節點，調節血流方向與壓力傳遞。深層靜脈因受到肌肉與骨性結構的支撐，能有效避免 fluttering，並持續將腦部血液引導至內頸靜脈，最終流入鎖骨下靜脈與上腔靜脈，進入右心房。


四、結語

頭頸部靜脈回流的穩定性來自多重結構與力學機制的協作。雖然淺層靜脈容易因壓力變動而部分塌陷，但深層靜脈如內頸靜脈則提供了穩定的硬管式回流通道，兩者透過並聯結構與交通支靜脈達成互補，保證在不同姿勢與壓力條件下腦部血液能持續回流心臟。然而當中心靜脈壓（CVP）異常升高導致深層靜脈血流受阻時，血液會因「並聯結構」而流向表淺靜脈，造成頸靜脈擴張，即使受試者坐著或站立時也不會塌陷。這種頸靜脈擴張可說是充血性心衰竭的一個重要臨床表徵。


附註一

頭頸部靜脈依位置與結構可區分為：

  1. 淺層靜脈（superficial veins）：如外頸靜脈、顏面靜脈、頭皮靜脈等，位於皮下，管壁薄、可擴性高，容易塌陷，類似「輭管」。
  2. 深層靜脈（deep veins）：如內頸靜脈、椎靜脈叢等，位於肌肉與骨骼保護下，結構穩定、不易塌陷，類似「硬管」。

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