Физические основы гемодинамики

Гемодинамика ‑ раздел биомеханики, в котором исследуется движение крови по сосудистой системе. Физической основой гемодинамики является гидродинамика. Течение крови зависит как от свойств крови, так и от свойств кровеносных сосудов.

Кровь. Ее количество 5,2 л у мужчин; 3,9 л у женщин. Состав: в 1 мм³ находится до 5 млн. эритроцитов; 4–9 тыс. лейкоцитов (0,2 %); 18‑320 тыс. тромбоцитов (6,4 %); 13‑16 г гемоглобина в 100 мл. В состав крови входит плазма.

Гемоглобин придает красный цвет, переносит кислород и углекислый газ, доставляет питательные вещества из органов пищеварения к тканям, а продукты обмена к органам выделения, участвует в регуляции водно-солевого обмена и кислотно-щелочного равновесия в организме. Поддерживает постоянной температуру тела.

Благодаря наличию в крови антител, антитоксинов и лизинов, а также способности лейкоцитов поглощать микроорганизмы и инородные тела, кровь выполняет защитную функцию.

а) Пульсовая волна. Одним из важных гемодинамических процессов является распространение пульсовой волны (рис. 29).

Рис. 29. Профиль артерии при прохождении пульсовой волны

Пульсовая волна распространяющаяся по аорте и артериям ‑ волна увеличения объема сосуда в результате одновременного увеличения в нем давления (повышенного над атмосферным) и массы жидкости, вызванного выбросом крови из левого желудочка сердца в период систолы.

При распространении вдоль сосудов происходит затухание амплитуды пульсовой волны.

Скорость распространения пульсовой волны () можно найти из выражения, полученного Т. Юнгом.

– диаметр сосуда; h – толщина стенки сосуда, ρ – плотность вещества сосуда, E – модуль упругости.

Наряду с пульсовой волной в системе «сосуд-кровь» могут распространяться и звуковые волны.

Выделяют обычно три процесса движения.

1. Перемещение частиц крови. Скорость 0,3‑0,5 м/с

2. Распространение пульсовой волны. Скорость 6‑8 м/с

3. Распространение звуковых волн. Скорость ~ 1500 м/с.

За время систолы ~ 0,3 с пульсовая волна успевает распространиться на расстояние ~ 2 м, т.е. охватить все крупные сосуды.

 

Измерение давления крови

 

Метод предложен Н.С. Коротковым (1905 г.). Манжету накладывают в области плечевой артерии. Плечевая артерия в опущенной руке находится на уровне сердца. На рис. 30 дана схема процессов, последовательно проявляющихся при измерении давления.

а) P_и – избыточное давление в манжете. Р_и = 0. Кровь свободно течет по артерии.

б) P_и > Р_с. В манжету накачивается воздух. Манжета пережимает артерию. Кровотока нет. Р_с – систолическое давление.

в) Р_д < Р_и < Р_с. Давление в манжете постепенно понижается и когда давление на артерию станет равным систолическому, кровь начинает проходить через сдавленную артерию в момент систолы. Возникает турбулентность и слышен шум. Шум фиксируется фонендоскокопом. Р_д – диастолическое давление. Шум обусловлен вибрацией стенок артерии непосредственно за манжетой. В момент появления шумов по манометру региустрируют систолическое (верхнее) давление.

г) Р_д > Р_и. Избыточное давление равно 0. Кровоток восстановлен. Шум от турбулентности исчез. В момент прекращения шумов по манометру регистрируют диастолическое давление (нижнее).

Рис. 30. Схема измерения давления крови

Метод занижает «верхнее» и завышает «нижнее» давление. Это зависит от скорости стравливания давления (рис. 31).

 

Рис. 31. Погрешности, возникающие при измерении

артериального давления при медленном (а) и быстром (б)

«стравливании» давления в манжете

 

Тромбоэмболия – закупорка сосудов тромбами.

 

Сердце как насос

 

В 1628 году английский врач В. Гарвей подсчитал массу крови, выбрасываемой сердцем в артерии в течение нескольких часов. Оказалось, что она значительно превышает массу человеческого тела. Отсюда вывод: в сердце многократно поступает одна и та же кровь, то есть сердце работает как насос.

При нормальной работе сердца объем желудочка меняется от 85 до 25 см³ (в конце систолы).

Моделируя объем желудочка сферой, можно рассчитать, что сила, развиваемая сердцем в начале систолического выброса равна 87 Н, а в конце 66 Н (соответственно давление (9,3 кПа и 16 кПа). Это означает, что сердце развивает меньшую силу при наибольшем давлении. Время систолы t_с = 0,3 с; время диастолы равно 0,7 с.

Выделим две фазы кровотока в системе «левый желудочек сердца – крупные сосуды – мелкие сосуды». Крупные сосуды рассматриваются как упругий резервуар. Это артериальная часть системы кровообращения.

Периферическая часть системы кровообращения (артериолы, капилляры) рассматривается как жесткая труба.

1-я фаза – приток крови в аорту из сердца с момента открытия аортального клапана до его закрытия. Стенки крупных сосудов растягиваются благодаря их эластичности. Часть крови резервируется в крупных сосудах, а часть проходит в мелкие сосуды (рис. 32). Ударный объем крови – объем крови, выбрасываемый желудочком сердца за одну систолу.

 

Рис. 32. Схематическое изображение кровотока

в крупных и микрососудах при открытом (а) и закрытом (б)

аортальном клапане

 

2-я фаза – это изгнание крови из крупных сосудов в мелкие после закрытия аортального клапана. Стенки крупных сосудов за счет упругости возвращаются в исходное состояние, проталкивая кровь в микрососуды. В это время в левый желудочек поступает кровь из левого предсердия. dV / dt на рисунке ‑ это скорость изменения объема сосудов.

 

ЛЕКЦИЯ 8

 

Электрография