Гемодинамика (движение крови) определяется двумя факторами[V.G.14] : 1. давлением, которое оказывает влияние на жидкость, и 2. сопротивлением, которое она испытывает при трении о стенки сосудов и вихревых движениях.
|
| Все факторы, влияющие на кровоток, в конечном счете могут быть приближенно сведены к уравнению, сходному с законом Ома и носящему название уравнение Франка.
Согласно законам гидродинамики (уравнение Франка), количество жидкости ( Q), протекающее через любую трубу, прямо пропорционально разности давлений в начале (P1) и в конце (Р2) трубы и обратно пропорционально сопротивлению ( R) току жидкости:
Q = (P1 – Р2.) / R .
Другими словами можно сказать, что движущей силой крови служат разность давлений, возникающая в начале и конце трубки.
Если применить это уравнение к системе кровообращения системе в целом она может быть представлена в следующем виде:
МОК = ( АД ср. – ВД ср.) / ОПСС,
где МОК - минутный объем, АД ср. и ВД ср. - соответственно средние артериальное и венозное давление, а ОПСС – общее периферическое сопротивление сосудов.
Поскольку давление в конце данной системы, т.е. в месте впадения полых вен в сердце, близко к нулю формулу можно записать так:
МОК = АДср. / ОПСС.
|
Органом, создающим давление в сосудистой системе, является сердце.
Подробнее Учебник, I том C.363-364.
Закон Бернулли [A15]
Закон Бернулли является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости:
Здесь
ρ — плотность жидкости,
v — скорость потока,
h — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,
p — давление.
Константа в правой части обычно называется напором, или полным давлением, а также интегралом Бернулли. Размерность всех слагаемых — единица энергии, приходящейся на единицу объёма жидкости.
Это соотношение, выведенное Даниилом Бернулли в 1738 г., было названо в его честь уравнением Бернулли. (Не путать с дифференциальным уравнением Бернулли.)
Для горизонтальной трубы h = 0 и уравнение Бернулли принимает вид:
.
Полное давление состоит из весового (ρgh), статического (p) и динамического ( 
) давлений.
Согласно закону Бернулли полное давление в установившемся потоке жидкости остается постоянным вдоль этого потока.
|
Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока возрастает скорость (то есть динамическое давление) и падает статическое давление (рис. 810300855).
|
Рис. 810300855. Эффект Д.Бернулли. Объяснение в тексте.
|
С помощью уравнения Д.Бернулли в клинике при допплерографическом исследовании оценивают градиент давления в сердечно‑сосудистой системе.
|
| Даниил Бернулли (Daniel Bernoulli, 1700–1782). Швейцарский математик, физик и физиолог. Первоначально получил медицинское образование, и в 1725 году принял приглашение Петербургской академии наук и занял пост профессора кафедры физиологии. | 
|
| Обнаружив в этой области множество нерешенных задач из области теоретической физики и, в частности, динамики движения жидкости (крови) в сосудах, вернулся к математическому описанию физических процессов и в 1730 году возглавил кафедру чистой математики Петербургской академии. В 1733 году вернулся на родину в Базель, где возглавил кафедру анатомии и ботаники местного университета, а с 1750 года — кафедру экспериментальной физики, которой и руководил до своей смерти. | |
[A16]
[A17] Режимы течения крови
| [10] |
Режимы течения жидкости разделяют на ламинарное и турбулентное.
Хорошая иллюстрация ламинарного течения воды – тихие равнинные реки (рис. 810301247), а турбулентного течения воды – шумящие горные реки (рис. 810301250).
Рис. 810301247. Ламинарного течения воды в тихой равнинной реке.
Рис. 810301250. Турбулентное течение воды в шумящей горной реке.
Ламинарное течение - это упорядоченное течение жидкости, при котором она перемещается как бы слоями, параллельными направлению течения (рис. 810301235).
Рис. 810301235. Профиль скоростей при ламинарном течении.
Для ламинарного течения характерны гладкие квазипараллельные траектории. При ламинарном течении скорость в сечении трубы изменяется по параболическому закону:
где R - радиус трубы, Z - расстояние от оси, Vo - осевая (максимальная) скорость течения.
С увеличением скорости движения жидкости, например, за счет сужения потока (трубки) ламинарное течение переходит в турбулентное течение (рис. 810311346), при котором происходит интенсивное перемешивание между слоями жидкости, в потоке возникают многочисленные вихри различных размеров.
Рис. 810311346. Переход ламинарного течения реки в турбулентное при сужении русла.
Для турбулентного течения характерно чрезвычайно нерегулярное, беспорядочное изменение скорости со временем в каждой точке потока.
Можно ввести понятие об осредненной скорости движения, получающейся в результате усреднения по большим промежуткам времени истинной скорости в каждой точке пространства. При этом существенно изменяются свойства течения, в частности, структура потока, профиль скоростей, закон сопротивления.
Профиль осредненной скорости турбулентного течения в трубах отличается от параболического профиля ламинарного течения более быстрым возрастанием скорости у стенок и меньшей кривизной в центральной части течения (рис. 9.2, б).
Рис. 810301301. Профиль осредненных скоростей при турбулентном течении.
За исключением тонкого слоя около стенки, профиль скорости описывается логарифмическим законом. Режим течения жидкости характеризуется числом Рейнольдса Re. Для течения жидкости в круглой трубе:
где V - скорость течения, средняя по поперечному сечению, R -радиус трубы.
Когда значение Re меньше критического ReKp ~ 2300, имеет место ламинарное течение жидкости, если Re > ReKp, то течение становится турбулентным.
| [A18] Reynolds (Osborne) : (Belfast, 1842- Watchet/Somerset, 1912) ingénieur-physicien irlandais. | 
|
Как правило, движение крови по сосудам является ламинарным. Однако в ряде случаев возможно возникновение турбулентности. Турбулентное движение крови в аорте может быть вызвано прежде всего турбулентностью кровотока у входа в нее: вихри потока уже изначально существуют, когда кровь выталкивается из желудочка в аорту, что хорошо наблюдается при доплерокардиографии.
У мест разветвления сосудов, а также при возрастании скорости кровотока (например, при мышечной работе) течение может стать турбулентным и в артериях.
Турбулентное течение может возникнуть в сосуде в области его локального сужения, например, при образовании тромба.
Турбулентное течение связано с допонительной затратой энергии при движении жидкости, поэтому в кровеносной системе это может привести к дополнительной нагрузке на сердце.
Шум, возникающий при турбулентном течении крови, может быть использован для диагностики заболеваний. При поражении клапанов сердца возникают так называемые сердечные шумы, вызванные турбулентным движением крови.
[A19] Сопротивление кровотоку
Реология крови (от греческого слова rheos – течение, поток) – текучесть крови, определяемая совокупностью функционального состояния форменных элементов крови (подвижность, деформируемость, агрегационная активность эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов), вязкости крови (концентрация белков и липидов), осмолярности крови (концентрация глюкозы).
Ключевая роль в формировании реологических параметров крови принадлежит форменным элементам крови, прежде всего эритроцитам, которые составляют 98% от общего объема форменных элементов крови[A20] .
Сопротивление потоку жидкости (гидравлическое сопротивление) зависит от размеров трубки (сосуда) и характеристик жидкости (крови):
R = 8Lh/ pr4
где R – гидравлическое сопротивление, h - вязкость жидкости, l – длина трубки, r – радиус трубки.
Общее сопротивление последовательно соединённых трубок:
R общ. = R1 + R2 + R3+ … + Rn
Общее сопротивление параллельно соединённых трубок:
1/R общ. = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3+ … + 1/Rn
ОПСС = АДср / МОК
Подробнее Учебник, I том C.363-364.
4. Сосудистый тонус[Б21]
Сосудистый тонус — некоторое постоянное напряжение сосудистых стенок
Тонус от греч. Tonos – натяжение, напряжение.
А о каком напряжении идет речь? Характеристикой напряжения, испытываемою структурами сосудистой стенки могут быть две величины – тангенциальное напряжение стенки сосуда и трансмуральное давление (рис. 411251631).
Рис. 411251631. Схема соотношения трансмурального давления и тангенциального напряжения в кровеносном сосуде цилиндрической формы. Рв - внутрисосудистое давление; Рн – давление снаружи сосуда; Т — тангенциальное напряжение в стенке сосуда.
|
Когда говорят о сосудистом тонусе имеют ввиду тангенциальное напряжение. Различайте понятия «нормотония», «гипертония», «гипотония» с одной стороны от «нормотензия», «гипертензия», «гипотензия» с другой.
|
| [11] | 
|
Часто используемый термин «артериальная гипертония», следует заменить на термин «артериальная гипертензия», если речь идёт о повышении системного артериального давления. При сосудистой гипертонии повышения артериального давления может и не быть, если наполнение сосудов кровью при этом недостаточное[V.G.22] .
Если в стенке сосуда производится продольный разрез, то края этого разреза расходятся под действием тангенциального напряжения (рис. 710290715).
Рис. 710290715. Расхождение краёв продольного разреза стенки сосуда под действием тангенциального напряжения (Т).
Трансмуральным давлением называют разность давлений между внутренней и наружной поверхностями стенки сосуда (Рt = Рв — Pн).
Термин «трансмуральный, -ая, -ое» происходит от латинского trans — через, за и muralis — стенной). Соответственно существуют и термины «экстрамуральный» (лат. extra- вне-, снаружи) и «интрамуральный» (лат. intra- в-, внутри).
Поскольку сосудистая стенка эластична, изменения трансмурального давления сопровождаются соответствующими изменениями диаметра и степени растяжения сосуда.
В большинстве органов внешнее давление (т.е. давление на сосуды со стороны окружающих тканей) невелико, поэтому трансмуральное давление фактически равно внутрисосудистому. Однако в некоторых особых случаях внутрисосудистое давление может оставаться постоянным, а трансмуральное — претерпевать значительные изменения из-за местных колебаний экстрамурального давления (это касается в особенности вен с их легко деформируемыми стенками). В таких ситуациях просвет сосудов меняется, и это влияет на их емкость и скорость кровотока.
Растягивающее давление, действующее на стенки сосуда, создает в них противоположно направленное тангенциальное напряжение (Т). Это напряжение зависит не только от трансмурального давления, но также от внутреннего радиуса (rв) и толщины стенок (h). Напряжение, проинтегрированное для всей толщины стенки (Тh), можно рассчитать исходя из видоизмененного уравнения Лапласа:
Тh = Pt ∙ (rв / h) (Н/м2[Б23] ).
При данном давлении напряжение будет тем больше, чем больше радиус сосуда и меньше толщина его стенки.
В табл. 710290720 приведены значения напряжения в стенках различных сосудов. Эти значения рассчитаны для более простых, чем реальные, условий: 1) не учтены градиенты давлений (приняты средние давления для сосудов каждого типа с различным радиусом), 2) в некоторых случаях соотношение между внутренним радиусом и толщиной стенки широко варьирует.
Таблица 710290720.
Значения трансмурального давления (Р) и тангенциального напряжения (Т) в различных сосудах
| Сосуды | rв, мкм | r / h | Р, кПа | Т, кПа |
| Аорта | 12000 | 8 | 13,3 | 106 |
| Артерии | 500 – 3000 | 3 – 7 | 11,0 | 33 – 77 |
| Артериолы | 10 – 100 | 1 – 5 | 7,0 | 7 – 35 |
| Капилляры | 3 | 5 – 8 | 3,3 | 17-26 |
| Венулы | 10 – 250 | 7 – 10 | 1,6 | 11-16 |
| Вены | 750 – 7500 | 7 –10 | 1,3 | 9 – 13 |
| Полые вены | 17 | 10 – 15 | 1,0 | 10 –15 |
Из таблицы видно, что по мере удаления от аорты и крупных артерий к артериолам и более дистальным сосудам напряжение в стенке значительно снижается. Благодаря этой закономерности низкому напряжению в стенке сосудов с малым радиусом капилляры, состоящие всего из одного слоя клеток, не разрываются под действием растягивающей силы, обусловленной давлением крови.
Мелкие сосуды обладают еще одной особенностью: когда в результате сокращения гладких мышц их радиус уменьшается, напряжение в их стенке, будучи небольшим уже в состоянии покоя, еще сильнее снижается. Это связано не только с уменьшением радиуса сосуда, но и с одновременным утолщением ею стенки. В связи с этим неудивительно, что при любых физиологических значениях давления сокращение гладкой мускулатуры артериол легко приводит к уменьшению их диаметра.
Тонус сосудов определяют следующие элементы сосудистой стенки:
· эластические волокна;
· коллагеновые волокна;
· гладкомышечные волокна.
Количество этих волокон в разных сосудах различно.
Эластические волокна, особенно волокна внутренней оболочки (интимы), образуют относительно густую сеть. Они легко могут быть растянуты в несколько раз. Эти волокна создают эластическое напряжение, противодействующее кровяному давлению, растягивающему сосуд. На создание такого напряжения не расходуется энергия биохимических процессов.
Коллагеновые волокна средней и наружной оболочек образуют сеть, оказывающую растяжению сосуда гораздо большее сопротивление, чем эластические волокна. Коллагеновые волокна относительно свободно располагаются в стенке сосуда и иногда образуют складки. В связи с этим они противодействуют давлению только тогда, когда сосуд растянут до определенной степени.
Веретенообразные гладкомышечные клетки (диаметром около 4,7 мкм, длиной около 20 мкм) соединены друг с другом и с эластическими и коллагеновыми волокнами. Главная функция гладкомышечных клеток и состоит в создании активного напряжения сосудистой стенки (сосудистого тонуса) и в изменении величины просвета сосудов в соответствии с физиологическими потребностями. Гладкие мышцы кровеносных сосудов иннервируются волокнами автономной вегетативной нервной системы.
Соотношение между давлением и скоростью кровотока в сосудах разного типа (Пассивное растяжение и ауторегуляция сосудистого тонуса)
При исследовании зависимости между кровотоком и обуславливающим его давлением выяснилось, что характер её существенно зависит от типа сосуда и заметно отличается от характера зависимости для жёсткой трубки.
При повышении давления в сосуде он либо пассивно растягивается (легочный сосуд), либо сокращается в результате ауторегуляторных реакций (почечный сосуд). Следовательно, в сосудах типа легочных повышение давления приводит к большему увеличению кровотока, чем в жестких трубках, а в сосудах типа почечных к меньшему. В жестких же трубках (прямые) кровоток прямо пропорционален давлению, причем при увеличении радиуса трубки от 1 до 1,2 и 2 коэффициент пропорциональности возрастает соответственно в 2 и 16 раз.
Кривые давление кровоток часто пересекают горизонтальную ось не в области нуля, а в точке, соответствующей некой положительной величине так называемому критическому давлению закрытия.
Критическое давление закрытия – это [Б24] давление ниже которого кровоток в сосудах прекращается.
При перфузии сосуда кровью критическое давление закрытия составляет около 20 мм рт. cm., а при высоком сосудистом тонусе оно может достигать 60 мм рт.ст. В отсутствие тонуса критическое давление закрытия может снижаться до 1 мм рт. ст.
В скелетной мышце в состоянии покоя функционирует только сотая часть капилляров, остальные капилляры находятся в спавшемся состоянии. Считается, что спадение сосуда при критическом давлении характерно для артериол. Это связано с тем, что по мере снижения их радиуса, наступающего в результате уменьшения давления, растягивающая сила убывает быстрее, чем она уменьшалась бы только в соответствии со снижением давления.
Кроме того, к остановке кровотока может приводить увеличение вязкости крови, наблюдающееся при низких скоростях кровотока.
В тех участках сосудистой системы, где наружное давление достаточно велико по сравнению с внутрисосудистым, кровоток может прекращаться даже при наличии артериовенозного градиента давления. Это может быть обусловлено либо спадением сосудов (легочные сосуды, вены), либо их сдавлением (коронарные сосуды при систоле). В условиях значительного критического давления при снижении чрезмерно высокого кровяного давления до нормы кровообращение в той или иной сосудистой области может прекратиться. Таким образом, для определения эффективной артериовенозной разницы давлений в сосудистой системе из полученной при измерении величины следует вычитать критическое давление закрытия
Релаксация напряжения, обратная релаксация напряжения[Б25]
Если внезапно увеличить объем изолированного участка сосуда, то давление в нем сначала резко повысится, а затем будет постепенно снижаться при том же объеме. Через несколько минут давление может стать лишь немногим больше, чем до увеличения объема (рис. ).
2. Рис. . Кривая изменения давления при ступенчатом изменении объема в изолированном участке вены.
Это медленное снижение давления связано с тем, что после первоначального растяжения эластических волокон развивается приспособление [Б26] тонуса гладких мышц к увеличенному растяжению. Этот процесс называется релаксацией напряжения.
Возможно, такое вязкоэластичное поведение сосудистой стенки обусловлено перестройкой актомиозиновых мостиков в растянутых мышечных волокнах, в результате которой миофиламенты медленно скользят относительно друг друга, что и приводит к уменьшению напряжения.
При внезапном снижении объема в сосуде происходят обратные процессы (рис. ). Напряжение в гладкомышечных волокнах сначала резко снижается, а в последующие минуты постепенно повышается; вместе с напряжением возрастает и внутрисосудистое давление. Это так называемая обратная релаксация напряжения.
Рис. . Кривая изменения давления при ступенчатом изменении объема в изолированном участке вены.
Прямую и обратную релаксацию напряжения можно наблюдать как в артериях, так и в венах, но гораздо более выражены эти явления в венах. Благодаря этому, а также вследствие большой емкости вены могут задерживать и выбрасывать значительный объем крови без длительных изменений внутрисосудистого давления. Возможно, релаксация напряжения и обратная релаксация служат важными механизмами поддержания давления наполнения кровеносной системы [V.G.27] в соответствии с различными физиологическими потребностями организма [V.G.28] .
Скорость движения крови
К основным гемодинамическим показателям относится скорость кровотока.
Различают линейную и объёмную скорость.
Линейная скорость кровотока представляет путь, проходимый частицами крови в единицу времени и измеряется в единицах см/с.
Объемная скорость кровотока равна объему крови, протекающему через поперечное сечение сосудов и измеряется в единицах мл/с.
Ее можно вычислить, исходя из линейной скорости кровотока ( v) через поперечное сечение сосуда и площади этого сечения (S):
Q= v ´ S
Объемная скорость - тот объём крови, что протекает через сосуды в единицу времени. Vлин. - скорость движения любой частицы крови в сосудах. Самая большая линейная скорость в аорте, самая малая - в капиллярах (соответственно 0,5 м/с и 0,5 мм/с). Линейная скорость зависит от общей площади сечения сосудов. За счёт низкой линейной скорости в капиллярах условия для транскапиллярного обмена. Эта скорость в центре сосуда больше, чем на периферии. [A29]
Подробнее Учебник, I том C.365.
Время кругооборота крови
Время кругооборота крови - время, в течение которого коровь проходит оба круга кровообращения. При частоте сердечных сокращений 70 в минуту, время равно 20 - 23 с, из них 1/5 времени - на малый круг; 4/5 времени - на большой круг. Определяется время с помощью контрольных веществ и изотопов. - они вводятся внутривенно в v.venaris правой руки и определяется через сколько секунд, это вещество появится в v.venaris левой руки. На время влияют - объёмная и линейная скорости. [A30]
СВТ = ОЦК / МОК
КЭЦ = МОК / ОЦК
Подробно Учебник, I том C.377-378.
Дата: 2019-02-02, просмотров: 280.
