Физическая модель сосудистой системы. Работа сердца

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ г. СЕМЕЙ

 

 

Методическое пособие по теме:

 

 

Физические основы гемодинамики.

Закономерности движения крови в артериальном и венозном русле.

 

Составитель: Преподаватель

Ковалева Л.В.

 

 

Основные вопросы темы:

1. Понятие гемодинамики.

2. Физическая модель сосудистой системы. Работа сердца.

3. Физические основы клинического метода измерения давления крови.

4. Движение крови по сосудам. Непрерывность кровотока.

5. Систолическое и диастолическое давление, пульсовое давление крови.

6. Систолический и минутный объем кровотока.

7. Биофизические особенности аорты. Распространение пульсовой волны по стенке

артерий. Венный пульс.

8. Биофизические особенности артериол большого круга кровообращения.

 

Гемодинамика.

Гемодинамика один из разделов биомеханики, изучающий законы движения крови по кровеносным сосудам. Задача гемодинамики – установить взаимосвязь между основными гемодинамическими показателями, а также их зависимость от физических параметров крови и кровеносных сосудов. К основным гемодинамическим показателям относятся давление и скорость кровотока. Давление – это сила, действующая со стороны крови на сосуды, приходящаяся на единицу площади. Различаю объемную и линейную скорость кровотока. Объемной скоростью кровотока Q называют величину, численно равную объему жидкости, протекающему в единицу времени через данное сечение трубы: Q=V/t

Линейная скорость представляет путь, проходимый частицами крови в единицу времени: v=l/t. Поскольку скорость крови неодинакова по сечению сосудов, то речь пойдет о средней скорости. Линейная и объемная скорости связаны простым соотношением Q=vS, где S площадь поперечного сечения потока жидкости.

Для сплошного течения несжимаемой жидкости выполняется условие неразрывности струи: через любое сечение струи в единицу времени протекают одинаковые объемы жидкости: Q=vS=const. Для гемодинамики этот закон можно сформулировать так: в любом сечении сердечно-сосудистой системы объемная скорость кровотока одинакова.

Физическая модель сосудистой системы. Работа сердца.

Физическую модель сердечно-сосудистой системы можно представить в виде замкнутой (не имеющей сообщения с атмосферой), мно­гократно разветвленной и заполненной жидкостью системы трубок с эластичными стенками, движение жидкости в которой происходит под действием ритмически работающего нагнетательного насо­са (на рис. в виде резиновой груши). При сжатии груши содержа­щийся в ней объем жидкости проталкивается через отверстие клапана К₁ в систему трубок состороны Л,вызывая в них продвижение жидко­сти в сторону Б, затем клапан К₁ запирается, груша расширяется и через клапан К₂ в нее поступает соответствующий объем жидкости со стороны Б системы.

Особенностьюданной системы является, прежде всего, постепенное и множественное разветвление трубок, особенно в ее средней части. Последняя состоит из весьма большого числа коротких параллельных трубок малого сечения, общий просвет которых имеет настолько боль­шое сечение, что скорость жидкости здесь снижается почти до нуля. Од­нако внутреннее трение в пристеночных слоях этих трубок настолько велико, что именноэта средняя часть системы представляет наибольшее сопротивление течению жидкости и обусловливает максимальное падение давления.

Другой особенностью системы является эластичность стенок трубок, благодаря которой при ритмической работе насоса ток жидкости в ней принимает равномерный характер. Допустим, что при сжатии груши некоторое количество жидкости поступает в трубку А, уже заполненную жидкостью под некоторым давлением. Давление в трубке А повышается, эластичные стенки ее растягиваются и вмещают избыток жидкости. Затем стенки трубки А постепенно сокращаются и прогоняют избыток жидкости в следующее звено системы, стенки ко­торого также сначала растягиваются затем сокращаются и таким образом проталкивают жидкость в последующие звенья систе­мы трубок. В результате течение жидкости постепенно принимает рав­номерный характер. Иллюстрацией подобного явления может служить следующий опыт. Две трубки {Б — жесткая и А — с эластичными стенками) с помощью тройника Т присоединены к насосу-груше Г {В — резервуар с водой). На конце трубок имеются пробки Я с небольшими отверстиями, препятствующие свободному вы­теканию воды. При работе грушей можно наблюдать, как из трубы Б вытекает прерывистая струя, а из трубы А, стенки которой при этом периодически растя­гиваются и сокращаются — непрерывная.

Переходим к сосудистой системе. Начальное давление, необходимое для продвижения крови по всей сосудистой системе, создается работой сердца.

Рассмотрим схематически явления, происходящие в большом круге кровообращения. При каждом сокращении левого желудочка сердца в аорту, уже заполненную кровью под соответствующим давлением, выталкивается так называемый ударный объем крови, в среднем раз­ный 65—70 мл. Затем клапаны аорты закрываются.

Поступивший в аорту дополнительный объем крови повышает дав­ление в ней и соответственно растягивает ее стенки. Волна повышенно­го давления, которое называется систолическим, вызывает колебания сосудистых стенок, распространяющиеся вдоль более крупных арте­рий в виде упругой волны. Эта волна давления называется пульсовой волной, скорость ее распространения зависит от упругости сосудистых стенок и имеет порядок 6—8 м/с.

Затем в, период расслабления сердечной мышцы (диастола, давление крови в этот момент называется диастолическим) стенки аорты постепенно, сокращаются до исходного положения и проталки­вают поступивший объем крови в более отдаленные крупные артерии. Стенки последних в свою очередь растягиваются и затем, сокращаясь, проталкивают кровьв последующие звенья сосудистой системы. В ре­зультате ток крови принимает непрерывный характер со скоростью в крупных сосудах порядка.0,3—0,5 м/с.

При таком механизме продвижения крови только часть энергии, развеваемой сердечной мышцей при сокращении, передается непосредственно массе крови в аорте и переходит в ее кинетическую энергию. Остальная часть энергии переходит в потенциальную энергию деформации растяжения эластичных стенок крупных сосудов (преиму­щественно аорты) и затем уже постепенно по мере возвращения их в исходное положение передается массе крови в период расслабления сердечной мышцы. Существует также такое понятие как пульсовое давление крови, равное разности систолического и диастолического давления, составляющее в большом круге кровообращения примерно 40 мм рт. ст.

Количество Q крови, протекающее через поперечное сечение участка сосудистой системы в единицу времени и называемое объемной скоростью кровотока, зависит от разности давлений в начале и конце участка и его сопротивления току крови. При расчетах объемной скорости на отдельных участках сосудистой системы в первом приближе­нии пользуются формулой Гагена — Пуазейля, хотя сопротивление току крови в сосудистой системе выше, чем следует по формуле, вслед­ствие потерь энергии при деформации ее эластичных стенок, а также неизбежных завихрений в местах разветвления. Точный расчет с уче­том этих условий весьма сложен.

Сопротивление току крови, следовательно, и падение давления на различных участках сосудистой системы весьма различны. Оно зави­сит от общего просвета и числа сосудов в разветвлении. Наибольшее падение давления крови — не менее 50% от начального давления — происходит в артериолах. Число артериол в сотни раз больше числа крупных артерий при сравнительно небольшом увеличении общего просвета сосудов. Поэтому потери давления от пристеночного трения в них весьма велики. Общее число капилляров еще больше, однако дли­на их настолько мала, что падение давления крови в них хотя и сущест­венно, но меньше, чем в артериолах.

В сети венозных сосудов, площадь сечения которых в среднем в два раза больше площади сечения соответствующих артерий, скорость тече­ния крови невысока и падения давления незначительны. В крупных венах около сердца давление становится на несколько миллиметров ртутного столба ниже атмосферного. Кровь в этих условиях движется под влиянием присасывающего действия грудной клетки при вдохе.

На рис. схематически показано распределение давления крови в отдельных частях системы сосудов большого круга кровообращения. На рис. приведены графики изменения давления и скорости движе­ния крови в основных частях сосудистой системы. Движение крови по сосудам, особенно распределение ее между раз­личными частями самой сосудистой системы, зависит не только от ра­боты сердца, но и от общего просвета сосудов, обусловленного тону­сом сосудистых стенок. В эластичных стенках сосуда имеются гладкие мышечные волокна, от степени сокращения которых зависит просвет сосуда. Имеют значение также общее количество циркулирующей крови, ее вязкость и т. п. Все эти факторы находятся под регулирующим влиянием центральной нервной системы. Таким образом, физио­логические факторы, накладываясь на физические закономерности, ре­гулируют кровообращение в различных частях организма.

В норме сосудистая система замкнута и не имеет сообщения с атмосферой. Сосуды располагаются в различных направлениях, причем артериальные и венозные сосуды, по которым кровь движется в про­тивоположных направлениях, большей частью параллельны.

Эти сосуды сообщаются между собой через капилляры, поэтому в первом приближении можно считать, что гидростатическое давление крови в них, как в сообщающихся сосудах, взаимно уравновешивается, и в ка­честве модели можно рассматривать систему горизонтальных трубок.

В случае повреждения сосудистой стенки может образоваться сообщение сосуда с атмосферой, и тогда проявляется действие гидроста­тического давления крови. Общеизвестно, например, что для ослаб­ления кровотечения из пораненного сосуда конечности ей следует придать возвышенное положение.

Течение крови в сосудистой системе в нормальных условиях имеет ламинарный характер. Оно может переходить в турбулентное при нарушении этих условий, например при резком сужении просвета сосу­да. Подобные явления могут иметь место при неполном открытии или, наоборот, при неполном закрытии сердечных или аортальных клапанов. При этом появляются звуки, называемые сердечными шумами, кото­рые являются одним из характерных признаков этого явления.

Работа, совершаемая сердцем, в основном складывается из работы при сокращении желудочков, главным образом левого. (Работа право­го желудочка принимается равной 0,2—0,15 от работы левого.)

Работа сердечной мышцы при каждом сокращении левого желудоч­ка затрачивается на сообщение объему выталкиваемой крови энергии, необходимой для его продвижения по всему кругу кровообращения. Эта энергия состоит из потенциальной энергии давления, которое долж­но быть создано вначале для преодоления сопротивления движению крови по всему ее пути, и кинетической энергии для сообщения массе крови необходимой скорости движения. На основании данных эта энергия может быть представлена формулой

где р — среднее давление, под которым кровь выбрасывается в аорту, р = 100 мм рт. ст=10⁵ 100/760 =1,3·10⁴ Па; ρ = 1,05· 10³ кг/м³ — плотность крови; — скорость крови в аорте, в состоянии покоя ; ударный объем крови в покое в среднем , А_ж= 0,95 Дж

Учитывая работу правого желудочка, для сердца в целом найдем А_с=1,2∙А_ж=1,14 Дж

Время сокращения желудочков Тогда мощность, развиваемая сердцем при сокращении, будет N_C= А_с/t_ж= 3,4 Вт

Считая в среднем 60 сокращений сердца в 1 мин, получим, что за 1 мин оно совершает работу .

При расчете работы сердца можно вместо ударного учитывать минутный Vмин объем крови, равный произведению ударного объема на число N сокращений сердца в 1 мин:

. В нашем при­мере мл/мин, или 4,2 л/мин.

При мышечной работе средней интенсивности минутный объем кро­ви увеличивается примерно в пять раз, т. е. 20 л/мин. При этом соответственно возрастает скорость течения крови в аорте: . Тогда работа, совершаемая сердцем в 1 мин, будет А_с≈360 Дж.

Измерение давления крови

Измерение давления в кровеносном сосуде может быть сделано не­посредственно путем введения в сосуд полой иглы, соединенной рези­новой трубкой с манометром. Подобный способ используется в экспе­рименте на животных.

В хирургической практике непосредственное измерение давления в полостях сердца производится методом катетеризации, т. е. введе­ния через один из крупных сосудов тонкого полиэтиленового зон­да, на конце которого находится миниатюрный электроманометр.

В клинике применяется косвенный бескровный способ измерения кровяного давления. Он заключается в том, что измеряют давление, которое необходимо приложить снаружи, чтобы сжать артерию до прекращения в ней тока крови. Это давление весьма близко к давлению крови в артерии. Наиболее распространен метод измерения артериального давления по Н. П. Короткову,основанный на выслушивании звуков, возникаю­щих припрохождении крови через сжатую манжетой артерию. Укре­пив манжету па плече исследуемого, про­щупывают пульс плечевой артерии несколько выше локтевого сгиба и внутриот двуглавой мышцы, при­ставляютк этому месту фонендо­скоп Ф. Закрывают выпускнойкран нагнетателя. Ритмически сжимаяи отпуская грушу, нагне­тают воздух в манжету до давления на 10—20 мм рт. ст. выше того, при котором перестает прощупываться пульс на лучевой артерии около лучезапястного сустава. Затем, медленно вращая выпускной винт нагнетателя, постепенно снижают давление в манжете, прислуши­ваясь к звукам, появляющимся в фонендоскопе. Соотношение между изменением давления р в манжете и «тонами Короткова» показано схематически на рис. р_с — систолическое (в норме 100—120 мм рт. ст.), р_Д - диастолическое (70—80 мм рт, ст.) давление.

Пока артерия сжата полностью, никаких звуков не прослушивается.
При снижении в манжете давления начинают прослушиваться отчетливые­ тоны, называемые начальными. Появляется пульс на лучевой артерии. Эти тоны обусловлены вибрацией стенок артерии непосредственно за манжетой под действием толчков от порций крови,
которые прорываются сквозь сжатый манжетой участок сосуда только в моменты систолы сердца (максимальное давление). Показания мано­метра, при первом появлении тонов соответствуют максимальному, или систолическому давлению. При дальнейшим снижении давления в манжете тоны дополняются шумами, которые иногда становятся сильнее тонов.

Эти шумы обусловлены турбулентным течением крови:через частично сдавленныйманжетой участок артерии. Затем шумыстихают и в фонендоскопе вновь прослушиваются только тоны называемые последовательными. Эти тоны быстро ослабевают, и звуковые явленияпрекращаются. Это происходит при полном вос­становлении просвета артерии и установлении нормального ламинар­ного течения крови. Показания манометра в момент резкого ослабле­ния последовательных тонов соответствуют минимальному, или диастолическому давлению. Прибор для измерения артериального давления состоит из трех основных частей:­ манжеты М, нагнетателя Н и манометра Р. Прибор с ртутным манометром называется сфигмоманометром:прибор с мембранным манометром сфигмотонометром.