Работа кровеносных сосудов при систоле.

        Систола – сокращение желудочков и выброс крови в аорту из левого желудочка и в легочный ствол из правого желудочка. Ограничимся анализом работы левого желудочка и кровеносных сосудов большого круга кровообращения.

 

        Прежде всего примем к сведению, что резкий выброс ударного объема крови при сокращении желудочка производится не в свободное пространство, а в аорту, заполненную кровью и находящуюся при диастолическом давлении. Так что 50 – 90 мл крови изгоняются из желудочка, а свободного места для нее нет. Происходит гидравлический удар, давление в аорте резко возрастает. Поскольку кровеносная система заполнена кровью, то нарастающее давление распространяется в ней со скоростью звука, а это – 1540 – 1600 м/с. Повсеместно нарастающее давление на стенки всех сосудов приводит к их расширению, к появлению в них сил упругости. В этом состоянии они – аккумуляторы давления крови.

       Благодаря их расширению, вдоль всей системы сосудов происходят подвижки крови, и на входе в аорту высвобождается некоторый объем для ударного выброса при систоле, а развивающийся гидравлический удар смягчается.

      Но не всему ударному выбросу нашлось место, и гидравлический удар не до конца погашен. Все, что не уместилось и не до конца погашено, реализуется как пульсовая волна. Вот как это происходит. 

 

     6.5. Артериальная пульсовая волна – распространяющаяся по артериям волна повышенного давления, вызванная мощным выбросом крови из левого желудочка сердца в период систолы. Процессы, происходящие при ее возникновении, будем обсуждать с использованием сфигмограммы рис.7.

 

         Под действием высокого давления крови эластичная аорта локально увеличивается в диаметре, предоставляя во временное пользование некоторый объем для той части ударного выброса, которому еще не нашлось места. Возникает вздутие, характерное для пульсовой волны. Все это происходит за 0,08с, и точка d на графике отражает достигнутое систолическое давление.

      После момента достижения точки d желудочек еще продолжает свое постепенно слабеющее сокращение; створки полулунного  клапана остаются открытыми. Давление на входе в аорту плавно снижается.

      Как только давление в желудочке станет меньше, чем в аорте, возникает обратный отток крови; вызванное этим падение давления крови в аорте отражает участок ef сфигмограммы.

      Обратный ток крови оттесняет створки полулунного клапана от стенок аорты, что приводит к резкому закрытию клапана и новому, менее сильному гидравлическому удару: обратный ток крови вынужден резко остановиться перед им же закрытым клапаном. При этом динамическое давление остановленного тока крови уменьшается до нуля, зато на столько же возрастает статическое давление (участок fg сфигмограммы). Появление второго максимума на кривой давления можно комментировать как эффект отражения волны от резко закрывшегося клапана и наложение ее отраженной компоненты на первичную. 

      Упругие силы растянутого при систоле начального участка аорты стремятся возвратить его к первоначальному диаметру, выдавливая кровь в соседний участок и создавая теперь уже в нем повышенное давление и соответствующее вздутие. Но это сможет обнаружить какой-то другой датчик  -  датчик № 2, если он установлен в зоне этого нового участка. Ну. а наш датчик демонстрирует на участке gh уменьшение давления крови до диастолического уровня и возврат артерии к первоначальному диаметру. Вздутие артерии на втором участке наш датчик не фиксирует.

      Таким образом, волна повышенного давления – артериальная пульсовая волна - возникает и начинает свое распространение в направлении кровотока. В ходе распространения волны ее профиль в основном сохраняется; но постепенно уменьшается амплитуда колебаний давления.

          

      6.6. Скорость распространения пульсовой волны определяется упругими и инерционными свойствами системы «кровь – аорта». Приводим результат, полученный теоретически и известный как формула Моенса-Кортевега;                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

                  (9)

Здесь V – скорость распространения пульсовой волны;   

      Е – модуль упругости материала стенки артерии;

      b - толщина  стенки артерии;

      r - плотность крови;

      r – внутренний радиус артерии.

 

С возрастом, по мере уменьшения эластичности сосудов, растет модуль упругости Е, что отслеживается ростом скорости распространения пульсовой волны.

Измерить скорость пульсовой волны можно следующим образом. Можно установить два датчика пульсовых колебаний на некотором расстоянии Dl друг от друга, и записать две кривые артериального пульса. По двум таким записям определяется временной сдвиг Dt одной из них по отношению к другой. Скорость пульсовой волны:

                                                                     (10)

Измерив V, можно с помощью формулы (9) вычислить модуль упругости Е как показатель состояния сосудистой стенки. А можно ограничиться сравнением измеренных значений V со значениями, характерными для нормы.

В таблице 1 приведены данные о скорости течения крови и скорости пульсовой волны в различных кровеносных сосудах.

    

Таблица 1. Скорость крови и пульсовой волны в различных сосудах.

Типы кровеносных сосудов	Скорость движения крови, м/с	Скорость пульсовой волны, м/с
Аорта	до 0,5	4 – 6
Артерии эластического типа	0,3 – 0,4	6 – 8
Артерии мышечного типа	0,3 – 0,4	8 – 12

 

Обратите внимание: скорость распространения пульсовой волны многократно больше, чем скорость кровотока. Это создает определенные трудности при измерениях скорости волны.

       Для более детального изучения вопроса об измерениях скорости пульсовой волны определимся с длиной этой волны.   

       Длина волны, по определению, это расстояние λ, на которое распространяется волна за время Т, равное периоду колебаний в этой волне:

λ = VT. При Т = 0,7 с, как на рис. 7, и при V = 10 м/с получаем λ = 7 метров. Это означает, что в данной пульсовой волне пульсовые колебания в одинаковой фазе будут происходить в участках артерии, отстоящих друг от друга на расстояние λ = 7 м. Но мы не настолько велики.

      Реальна установка двух датчиков, по-разному удаленных от сердца; например, датчик № 1 можно установить на лучевой артерии левой руки, а датчик  №  2 – на  сонной  артерии. Разность   расстояний «сердце – датчик

№ 1» и «сердце – датчик № 2» составит величину порядка Dl = 0,7 м; знатоки анатомии могут определить это расстояние с большей точностью.

      Теперь, зная, что измеряемая скорость пульсовой волны – это величина порядка V = 10 м/с и зная эффективное расстояние между датчиками Dl = 0,7 м, мы можем оценить с помощью формулы(10) порядок величины временного сдвига Dt двух сфигмограмм:  Dt =  Dl / V = 0,07с.

      Чтобы относительная погрешность измерений скорости пульсовой волны была на уровне , надо обеспечить измерение временного сдвига   Dt с точностью до 0,07·0,05 = 0,0035 с. А лучше бы обеспечивать измерения величины Dt с точностью до 1мс = 0,001с, поскольку с возрастом и при патологиях скорость пульсовой волны может превосходить показатели нормы в 2 – 4 раза.

 

6.7. Артерии мышечного типа – большинство средних и мелких кровеносных сосудов организма. Самые мелкие из них – артериолы – непосредственно предшествуют капиллярам.

В стенках таких артерий содержится большое количество гладких мышечных клеток. Меняя мышечный тонус, эти артерии меняют свое гидравлическое сопротивление, и тем самым регулируют распределение давления крови по органам и тканям.

В системе кровообращения нет кранов и задвижек, но есть артериолы. Их численность – несколько сот тысяч; суммарная площадь сосудистого русла получается весьма внушительной, а потому перепад давлений на системе артериол достаточно велик, несмотря на параллельную работу их ветвей. Так, если давление в аорте во время систолы достигает 115-130 мм рт. ст., то у начала артериол оно составляет 70-80 мм, а у начала капилляров – 20-40 мм рт. столба.

Природная логика столь широкого диапазона давлений примерно такова: артериола должна иметь заметное гидравлическое сопротивление, и тогда она может, меняя мышечный тонус, менять это сопротивление в обе стороны: как в сторону понижения, так и повышения гидравлического сопротивления. Будь у нее очень малое сопротивление, она могла бы работать только на его повышение, что было бы менее эффективно.

Изменения тонуса в отдельных звеньях системы артериол обеспечивают повышенный кровоток в тех органах, которые в данный момент в этом нуждаются; например, в связи с физическими нагрузками, или при регулировании теплообмена организма с окружающей средой.

 

Скорость пульсовой волны в артериях мышечного типа заметно выше, чем в эластических артериях (см. табл. 1). что вполне соответствует формуле Моенса-Кортевега (8).

 

Вопрос на засыпку: какие гипотезы о причинах повышенной скорости пульсовой волны в артериях мышечного типа соответствуют формуле (8)?

Метод пульсоксиметрии.

Амплитуда пульсового давления, постепенно уменьшаясь,  на входе в капилляры становится очень близкой к нулю. Но полного затухания пульсаций давления не происходит и в капиллярах. Метод пульсоксиметрии основан на регистрации и анализе этих чрезвычайно слабых пульсаций.

Суть этого неинвазивного, весьма перспективного метода состоит в следующем. Два оптических датчика фиксируют пульсации давления свежей артериальной крови в капиллярах на двух значениях длины волны оптического спектра. На одной длине волны преобладает поглощение в насыщенном кислородом гемоглобине, а на другой – наоборот, больше поглощение в ненасыщенном кислородом гемоглобине.

Отношение амплитуд сигналов, полученных с помощью этих двух датчиков содержит (в неявном виде) информацию о степени насыщения кислородом гемоглобина эритроцитов.

Подробнее о методе пульсоксиметрии – в материалах лабораторной работы № 52.