Гемодинамические закономерности движения крови по сосудам 1

Гемодинамические закономерности движения крови по сосудам

1. Гемодинамические закономерности движения крови по сосудам. 2. Методы исследования кровообращения. 3. Реография различных органов и тканей. 4. Понятие интегральные и регионарные реографий.

Гемодинамика - один из разделов биомеханики, изучающий законы движения крови по кровеносным сосудам. Задача – установить зависимость гемодинамических показателей от физических параметров крови и кровеносных сосудов.

Гемодинамические показатели кровотока определяются биофизическими параметрами всей сердечно- сосудистой системы, а именно собственными характеристиками сердечной деятельности (например, ударным объемом крови), структурными особенностями сосудов (их радиусом и эластичностью) и непосредственно свойствами самой крови (вязкостью).

• Так как жидкость несжимаема (плотность ее одинакова), то через любое сечение трубы и в единицу времени протекают одинаковые объемы жидкости: Q=VS = соnst. • Это называется условием неразрывности струи. • объемная скорость кровотока в любом сечении сосудистой системы также постоянна: Q= соnst.

для стационарного ламинарного течения реальной жидкости в цилиндрической трубе постоянного сечения справедлива формула (закон) Гагена-Пуазейля:

Величина называется гидравлическим сопротивлением сосуда. Выражение можно представить как

Так, уменьшение радиуса на 20% приводит к увеличению падения давления более чем в 2 раза. Даже небольшие изменения просветов кровеносных сосудов сильно сказываются на падении давления.

Гидравлическое сопротивление w в значительной степени зависит от радиуса сосуда. Отношения радиусов для различных участков сосудистого русла: R aopт : Rap : Rкап =3000: 500: 1. Поскольку гидравлическое сопротивление в сильной степени зависит от радиуса сосуда , то можно записать соотношение: wкап > w ap > wаорт

Линейная скорость кровотока. Площадь суммарного просвета всех капилляров в 500 - 600 раз больше поперечного сечения аорты. Это означает, что Vкап = 1/500 Vаорт. Именно в капиллярной сети при медленной скорости движения происходит обмен веществ между кровью и тканями.

распределения линейных скоростей вдоль сосудистой системы. Аорта Артерии Капилляры

Распределение среднего давления. По мере продвижения крови по сосудам среднее давление падает. Поскольку Q = соnst, а wкап > wаpт > w аоpт , то для средних значений давлений: В крупных сосудах среднее давление падает всего на 15%, а в мелких на 85%. Это означает, что большая часть энергии, затрачиваемой левым желудочком сердца на изгнание крови, расходуется на ее течение по мелким сосудам.

Распределение давления 1 - давление в аорте, 2 - в крупных артериях, 3 - в мелких артериях, 4 - в артериолах, 5 -в капиллярах 1 2 3 4 3 3 5

Распределение давления 1 - давление в аорте, 2 - в крупных артериях, 3 - в мелких артериях, 4 - в артериолах, 5 - в капиллярах

модель сосудистой системы • В 1628 г. английский врач В. Гарвей предложил модель сосудистой системы, где сердце служило насосом, прокачивающим кровь по сосудам • аорта • артерии • артериолы • капилляры • венулы • вены

• Основная функция сердечно-сосудистой системы обеспечение непрерывного движения крови по капиллярам, где происходит обмен веществ между кровью и тканями. • Артериолы - резистивные сосуды. Легко изменяя свой просвет, они регулируют гемодинамические показатели кровотока в капиллярах , т. е. Артериолы - "краны" сердечно-сосудистой системы. • При этом аорта и артерии выполняют роль проводников, позволяя подводить кровь к различным частям тела. • По венам кровь возвращается в сердце.

В системе одновременно протекают разнородные процессы, взаимосвязанные друг с другом: поступление крови из левого желудочка сердца в аорту и кровоток по сосудам; изменение давления крови и механических напряжений в стенках сосуда; изменение объема и формы элементов сердечно - сосудистой системы.

МОДЕЛЬ ФРАНКА. ПУЛЬСОВАЯ ВОЛНА • Во время систолы (сокращения сердца) кровь выбрасывается из левого желудочка в аорту и отходящие от нее крупные артерии. • Во время диастолы (расслабления) желудочков аортальный клапан закрывается и приток крови от сердца в крупные сосуды прекращается

В модели Франка предполагается, • что все крупные сосуды большого круга кровообращения объединены в одну камеру с эластичными стенками и пренебрежимо малым гидравлическим сопротивлением, • а все мелкие сосуды — в жесткую трубку с постоянным гидравлическим сопротивлением.

Объемная скорость кровотока через периферические сосуды, моделируемые жесткой трубкой, согласно уравнению Пуазейля , равна

Интеграл в правой части уравнения равен площади фигуры, ограниченной кривой р(t) и осью t. Интеграл в левой части уравнения представляет собой ударный объем крови в большом круге кровообращения, то есть объем крови, выталкиваемый левым желудочком в аорту за одно сокращение.

Временная зависимость объемной скорости тока крови в периферических сосудах для этой фазы ( в период диастолы) сердечного цикла: где — кровотока в диастолы). конце объемная скорость систолы (в начале

• Для моделирования процессов кровообращения очень часто используются аналоговые электрические схемы. • Источник переменного напряжения создает колебания тока в цепи, а выпрямитель пропускает ток, текущий только в одном направлении. Подобно ему, сердечный клапан пропускает кровь, вытекающую из желудочка в аорту, и не допускает обратного тока крови. • Конденсатор сглаживает колебания электрического тока, протекающего через резистор, подобно тому как эластичные артерии сглаживают колебания давления в мелких сосудах.

Выталкивание крови из желудочка в первый момент сопровождается растяжением только ближайшего к нему отдела аорты и возрастанием напряжения в ее стенках • процесс продолжается постепенно затухая , до области концевых разветвлений артерий и артериол , где пульсирующий поток постепенно сменяется непрерывным.

Таким образом, по сосудам распространяются колебания давления, которые называются пульсовой волной. Чем в большей степени эластична стенка и чем больше вязкость крови, тем быстрее ослабевает пульсовая волна. Также ее ослаблению способствует сужение артерий и ветвление артериального дерева.

Пульсовая волна - процесс распространения изменения объема вдоль эластичного сосуда в результате одновременного изменения в нем давления и массы жидкости. Скорость распространения пульсовой волны зависит от свойств сосуда и крови: • где Е - модуль Юнга материала стенки сосуда, h - ее толщина, г - радиус просвета, р - плотность крови

Таким образом, чем больше модуль упругости сосуда, тем выше скорость распространения пульсовой волны в нем. Так, скорость пульсовой волны в аорте составляет 4. . . 6 м/с, а в менее эластичных артериях мышечного типа — 8. . . 12 м/с. В венах, которые обладают большой эластичностью, скорость пульсовой волны меньше: например, в полой вене—около 1 м/с.

Скорость распространения пульсовой волны (6. . . 12 м/с) в 20— 40 раз больше скорости кровотока (0, 3… 0, 5 м/с). Так, пульсовая волна достигает артериол стопы за 0, 2 с, в то время как частицы выброшенной желудочком крови за это же время достигают только 1 нисходяшей аорты. Помимо пульсовых волн (колебаний давления), по кровеносным сосудам распространяются звуковые волны со скоростью 1500 м/с.

В 1899 г. немецкий физиолог О. Франк теоретически развил идею о том, что артерии "запасают" кровь во время систолы и выталкивают ее в мелкие сосуды во время диастолы. Выделим две фазы кровотока в системе «левый желудочек сердца - крупные сосуды – мелкие сосуды»

1 -я фаза – фаза притока крови в аорту из сердца с момента открытия аортального клапана до его закрытия. Во время поступления крови из сердца стенки крупных сосудов растягиваются благодаря их эластичности, часть крови резервируется в крупных сосудах, а часть проходит в мелкие сосуды

2 -я фаза – фаза изгнания крови из крупных сосудов в мелкие после закрытия аортального клапана. Во время этой фазы стенки крупных сосудов за счет упругости возвращаются в исходное положение, проталкивая кровь в микрососуды. В это время в левый желудочек поступает кровь из левого предсердия.

закон изменения давления в крупных сосудах с момента закрытия аортального клапана:

Через некоторое время (t 2) давление упадет до диастолического : после чего открывается клапан, тем самым заканчивается фаза 2 и начинается опять фаза 1.

Зависимость давления крови от времени в крупном сосуде после закрытия аортального клапана.

эквивалентная электрическая схема 1. Сужение крупного сосуда На участке bс произошло сужение сосуда.

можно оценить подъем давления крови в левом желудочке сердца при возникновении сужения в крупном сосуде. Если же кровь не будет выбрасываться под большим давлением из левого желудочка сердца при образовании тромба в крупном сосуде, то давление в конце этого сосуда (в точке d) станет ниже нормы. В результате гидростатическое капиллярное давление Рa понизится, что может привести к нарушению (фильтрационно-реабсорбционного) равновесия между объемами межклеточной жидкости и плазмы.

2. Сужение одного из мелких сосудов разветвленной системы. Сужение (образование тромба) одного из мелких сосудов разветвленной системы

Изменился характер падения давления вдоль поврежденного сосуда: в связи с увеличением гидравлического сопротивления увеличилось Р вдоль суженного участка и уменьшилось Р до и после него из-за уменьшения кровотока в поврежденном сосуде. Рассчитаем падение давления и объемную скорость кровотока.

Образование тромба приводит к нарушению линейной зависимости падения давления вдоль капилляра. Изменяется и градиент гидростатического давления вдоль капилляра по сравнению со стандартным значением: уменьшается на участках аb и cd и резко увеличивается на bс.

Объемная скорость кровотока: Уменьшение просвета сосуда приводит к резкому падению кровотока в сосуде. Причем зависимость q' от d нелинейная Когда сужение отсутствует (d=0), то кровоток в сосуде не изменяется: q' / q 0 = 1 Когда просвет уменьшается до нуля (тромб полностью перекрывает сосуд, d = D), то в этот сосуд кровь не идет: q' = 0.

• Образование тромбов в капиллярах может происходить в результате действия ионизирующего излучения на организм. • Уменьшение скорости кровотока в поврежденном сосуде может привести к снижению интенсивности обмена веществ между кровью и тканями, вызвать гипоксию близлежащих участков тканей и возможно даже их некроз (инфаркт, инсульт).

вследствие неравномерного сужения просвета сосудов (или локального расширения) может возникнуть турбулентное (вихревое) движение кровотока. Турбулентное движение создает условия для оседания тромбоцитов и образования агрегатов ( формирование тромба). если тромб слабо связан со стенкой сосуда, то под действием резкого перепада давления вдоль него он может начать двигаться.

3. Изменение вязкости крови. • Перепад давления (а следовательно - grad р) в сосуде изменяется, если изменяется вязкость крови; • с увеличением вязкости он линейно растет: • На рис. приведено распределение давления вдоль сосуда в норме и при некоторых заболеваниях.

Распределение давления вдоль сосуда для различных вязкостей крови Р 1<Р 2, Р 3>Р 2,

Таким образом, чисто резистивная модель позволяет качественно проанализировать изменение гемодинамических параметров системы при локальных сужениях крупных и мелких сосудов и сделать качественные выводы о влиянии этих нарушений на протекание фильтрационнореабсорбционных процессов в капиллярах.

модель фильтрационно-реабсорбционных процессов в капиллярах показала, что гемодинамические величины Р, Q и q в общем виде являются нелинейными функциями расстояния х вдоль капилляра. Модель позволяет количественно проанализировать механизмы ряда патологий, в частности отеков.

Локализация и протяженность области динамического равновесия, а также доля жидкости, остающейся в межклеточном пространстве, существенно зависят от гидростатических давлений в межклеточной жидкости на артериальном и венозном концах капилляра, от онкотических давлений в плазме и в межклеточной жидкости, от ультраструктуры капилляра: радиуса и количества пор в его стенке, от радиуса просвета капилляра.

Сердечно-сосудистая система - нелинейная система со сложными взаимно-обратными связями, анализ которой необходимо проводить исходя из системного подхода к разнообразным процессам, протекающим в ней.

В результате на выходе из данного сосуда давление изменится: Р 1<Р 2, Р 3>Р 2 что может привести к изменению гемодинамических параметров вдоль последующих сосудов. Изменение гидростатического давления в связи с уменьшением или увеличением вязкости крови вызовет изменение капиллярного давления, что может явиться причиной нарушения фильтрационно-реабсорбционного равновесия.

Реография. Регистрация электрического сопротивления тканей , которое уменьшается при увеличении наполнения их сосудов кровью (кровь проводит электричество лучше других тканей). Регистрация изменений полного электрического сопротивления- импеданса (сумма емкостного и омического сопротивлений) позволяет судить о кровенаполнении отдельных органов во время систолы.

Диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности, называют реографией (импеданс- плетизмография). С помощью этого метода получают реограммы головного мозга (реоэнцофалограмма), сердца (реокардиограмма), магистральных сосудов, легких, печени и конечностей(30 к. Гц).

Импеданс тканей организма Живые ткани состоят из клеток, омываемых тканевой жидкостью. Такая схема обладает электроемкостью. Живые ткани не обладают индуктивностью и сопротивление их имеет только емкостную и активную составляющие. Импедансом Z называется полное сопротивление. В общем случае он равен:

Одновременно на теле располагаются и потенциальные (или потенциометрические) электроды, которые регистрируют проходящий ток. Чем выше сопротивление участка тела , на котором расположены электроды, тем меньше будет волна. При наполнении данного участка кровью его сопротивление снижается, и это вызывает повышение проводимости, т. е. рост регистрируемого тока.

Различают: 1. центральную реографию (прекардильная реография, реография аорты, легочной артерии), т. е. кровенаполнение в левом и правом сердце, в малом круге кровообращения. 2. органную реографию (реоэнцефалография, реогепатография, реовазография (регистрации кровенаполнения конечностей), реорентгенография).

Амплитуда систолической волны реовазограммы в норме составляет на предплечье 0, 07 -0, 10; на кисти – 0, 11 -0, 15; на бедре – 0, 05 -0, 06; на голени – 0, 08 -0, 12; на стопе 0, 10 -0, 13 Ом.

Реоплетизмография – бескровный метод исследования общего и органного кровообращения, основанный на регистрации колебаний сопротивления ткани организма переменному току высокой частоты (40 - 500 к. Гц) и малой силы (не более 10 м. А).

Для определения систолического (минутного объема сердца) используется так называемая интегральная реография.

Интегральная реография Основана на изменении базового импеданса. Измеряют базовый импеданс всего тела или в каком – нибудь регионе.

Применение: в хирургии (для диагностики проходимости сосудов), в терапии (для определения СО, МОК и других показателей) , в акушерстве.

Литература 1. Самойлов В. О. Медицинская биофизика, С-П, 2007 г. 2. Тиманюк В. А. , Животова Е. Н. Биофизика, Киев, 2004 г. с. 231 -255 3. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика, М. , 2004 г.

Контрольные вопросы (обратная связь): 1. Какие основные гидродинамические закономерности движения крови по сосудам. 2. Какие имеются общие физикоматематические закономерности движения крови по кровеносному руслу 3. Как происходит распространение пульсовых волн.