ГЕМОДИНАМИКА. Гемодинамика материалы к семинару Общая характеристика системы кровообращения
 Скачать 0.61 Mb.
|
|
4.11. Скорость пульсовой волны определяется упругими и инерционными свойствами системы «кровь – аорта». Приводим результат, полученный теоретически и известный как формула Моенса - Кортевега;  (4.15)Здесь V – скорость распространения пульсовой волны; Е – модуль упругости материала стенки артерии; b - толщина стенки артерии; ρ - 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 Δl друг от друга, и записать две кривые артериального пульса. По двум таким записям определяется временной сдвиг Δt одной из них по отношению к другой. Скорость пульсовой волны:  (4.16)Измерив скорость пульсовой волны V, можно с помощью формулы (4.15) вычислить модуль упругости Е как показатель состояния сосудистой стенки. А можно ограничиться сравнением измеренных значений V со значениями, характерными для нормы. В целом, чем больше V, тем больше и Е, тем хуже состояние стенок сосудов. 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.
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 Δl = 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 расстояние между датчиками Δl = 0,7 м, мы можем оценить с помощью формулы (4.16) порядок величины временного сдвига Δt двух сфигмограмм: Δt = Δl / V = 0,07с. Чтобы относительная погрешность измерений скорости пульсовой волны была на уровне  , надо обеспечить измерение временного сдвига Δt с точностью до 0,07·0,05 = 0,0035 с. А лучше бы обеспечивать измерения величины Δt с точностью до 1мс = 0,001с, поскольку с возрастом и при патологиях скорость пульсовой волны может превосходить показатели нормы в 2 – 4 раза. 4.12. 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 на артериолах 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 (4.15). 4.13. Системные нарушения в работе артерий. Основные системные нарушения в работе артерий – гипертония и гипотония. Гипертония (артериальная гипертензия) – стойкое повышение артериального давления выше уровня 140 / 90 мм рт. столба. По тем или иным причинам сердце вынуждено работать в форсированном режиме, на износ. Причины могут быть различные: • Гипертония может быть следствием плохого состояния сосудов: отложение холестерина → уменьшение просвета сосудов → рост их гидрав-лического сопротивления → рост АД; • Избыточный вес → рост потребности в кислороде → рост АД; Или, параллельно: избыточный вес → нарушение холестеринового обмена → рост АД; • Стресс → избыток адреналина → рост общей активности → рост ЧСС → рост АД. Гипотония (артериальная гипотензия) – стойкое понижение артериального давления ниже уровня нормальных индивидуальных показателей более чем на 20 %. Первопричины могут быть разнообразные, но во всех случаях возникает некоторый дефицит кислорода, и как следствие – быстрая утомляемость, ощущение подавленности. Гипотонии боятся меньше, чем гипертонии, и ее симптомы обычно недооценивают. А зря. Считается предельно-допустимым уровнем АД для хронического гипотоника уровень 90/60. Если он ниже – пора принимать экстренные меры. 4.14. Капилляры – это та часть системы кровообращения, ради которой данная система существует. Капилляры (от лат. capillaris – волосяной) - самые тонкие сосуды в организме. Их диаметр составляет 5 – 10 мкм, то есть они примерно в 50 раз тоньше волоса. Стенки капилляров чрезвычайно тонки: представляют собой однослойный пласт плоских клеток, плюс тонкую бесклеточную мембрану. Через поры в стенках происходит газообмен, обмен воды и питательных веществ. Общая площадь поверхности стенок капилляров превосходит 1000 м2. Капилляры пронизывают все ткани и органы. В среднем, в 1 мм3 тканей человека содержится 600 капилляров; в миокарде, головном мозге, печени и почках этот показатель достигает 3000, в скелетных мышцах – 300 – 400.  Рис. 9. Фрагмент системы капилляров (схема). Венулы - мелкие кровеносные сосуды, обеспечивающие отток обедненной кислородом крови из капилляров в вены. На рис. 9 представлена схема участка капиллярной системы большого круга кровообращения. Капилляры, находясь в межклеточном пространстве, тесно прилегают к клеткам тканей (на схеме не показаны). Общее направление кровотока на схеме – слева направо; при этом артериальная кровь постепенно становится венозной. Скорость кровотока в капиллярах – от 0,05 до 2 мм/с, то есть в среднем около 1 мм/с. Если скорость падает до 0,1 – 0,2 мм/с, эритроциты начинают образовывать «монетные столбики» - агрегаты численностью до 50 штук. В таком виде, столбиком, они протискиваются сквозь капилляры. Но слипшись в столбик, они частично теряют способность к пластической деформации, вследствие чего могут закупорить микрососуды. Иногда это – во благо. Гидравлическое сопротивление всей системы капилляров невелико: на входе в капилляры давление крови 20-40 мм рт. ст., а на выходе – 8-15 мм рт. ст., и это - несмотря на впечатляющую суммарную их протяженность. Объяснение тому – очень малая скорость движения крови в этих сосудах. В капиллярах легких венозная кровь превращается в артериальную. Система из 600 – 700 млн. альвеол опутана густой сетью капилляров. За промежуток времени 0,8 – 1 с каждая порция крови, пройдя свой капилляр, успевает насытить гемоглобин своих эритроцитов кислородом. Общая площадь поверхности всех альвеол – порядка 120 м2 при вдохе и 40 м2 при выдохе. 4.15. Декомпрессионная болезнь. Система капилляров – та часть кровеносной системы, которая подвергается серьезным негативным воздействиям при декомпрессии – быстром понижении давления воздуха или дыхательной смеси. Возникающее при подобных обстоятельствах заболевание – декомпрессионная болезнь (ДКБ) – может быть различной степени тяжести, вплоть до очень тяжелой. Если водолаз, в нарушение инструкций, будет быстро всплывать с больших глубин на поверхность, то давление воздуха в его скафандре будет автоматически уменьшаться вслед за уменьшением внешнего гидростатического давления, и при этом воздух, растворившийся в его крови при больших давлениях в скафандре, начинает выделяться в виде пузырьков как в самих капиллярах, так и в потоке крови, поступающей к ним. Если всплытие происходит достаточно медленно, то образующиеся микропузырьки успевают доходить с током крови до альвеол, пройти сквозь их стенки и выйти на выдохе из легких, не создав никаких проблем. Скорость всплытия не должна превышать 18 м/мин. Кроме того, подводник при всплытии должен делать остановки с задержкой на несколько минут. Современным подводникам временной график всплытия, глубину и длительность промежуточных остановок задает подводный компьютер. Он же ведет контроль выполнения и корректировку этого графика. Но если всплытие – слишком быстрое, то микропузырьки, объединяясь, становятся пузырьками, а там, глядишь, и пузырями. Пузырьки способны закупоривать капилляры. Пузыри и их скопления могут вызвать газовую эмболию. Негативное действие газовых пузырьков обусловлено явлением поверхностного натяжения: под изогнутой поверхностью жидкости возникает избыточное давление (давление Лапласа), величина которого:  (4.17)Здесь σ - коэффициент поверхностного натяжения; он зависит от рода жидкости. r – радиус пузырька или капилляра, в котором он находится. При радиусе капилляра r = 5 мкм = 5∙10-6м и при σ = 0,05 Н/м давление в пузырьке: p = 20 кПа = 150 мм рт. ст., т.е. превосходит давление крови в капиллярах и вполне годится в качестве пробки для них. Ситуация с пузырьком иллюстрируется на рис. 10:  Рис. 10. Пузырек воздуха в капилляре. При отсутствии кровотока левая и правая поверхности пузырька были бы одинаковыми полусферами. Но кровоток есть, и он деформирует левую поверхность, делая ее более плоской; ее радиус кривизны увеличивается. Из-за этого правая поверхность принимает несколько вытянутую форму; ее радиус кривизны уменьшается. Различие радиусов кривизны приводит к различию значений давления Лапласа (11): р1 > р2 . Следствием этого является указанное на рис. 9 неравенство сил, вызванных давлением Лапласа: F2˂F1. У пузырька обнаруживается нечто вроде активного противодействия выталкиванию: чем сильнее его деформирует теснящий его поток крови, тем сильнее он упирается. Движение крови в этом капилляре либо сильно замедлилось, либо вообще оказалось заблокированным. Газовые пузырьки возникают при декомпрессии не только в кровеносных сосудах, но и вообще всюду, где есть жидкая фаза, содержащая избыток растворенных газов. Это большая отдельная тема, и мы ограничимся здесь упоминанием, что существует и внесосудистая форма декомпрессионной болезни. Лучшее, что можно предпринять в подобной ситуации, это поместить пострадавшего в барокамеру с повышенным давлением воздуха на несколько долгих часов: газовые пузырьки должны снова раствориться в крови, затем последует медленное поэтапное снижение давления в барокамере до нормального атмосферного давления. Чем раньше начинается такая восстановительная процедура, тем меньше остаточные явления. Доставка пострадавших от ДКБ в центры, оснащенные декомпрессионными барокамерами, с помощью авиации не рекомендуется. Дело в том, что при полете на больших высотах газовые пузырьки в теле пострадавшего увеличиваются в объеме и становятся еще более опасными. 4.16. Гипербарическая оксигенотерапия. В медицинской практике нашел применение метод гипербарической оксигенотерапии. Пациента помещают в герметичную камеру, в которой воздух полностью или частично заменен кислородом повышенного давления. Это предпринимается для эффективного насыщения крови кислородом в случаях, когда обычное легочное дыхание плохо справляется с этой задачей. Организм при таких процедурах запускает процессы регенерации во всех тканях, имевших длительное недостаточное обеспечение кислородом, в том числе и в тех, в которых дефицит кислорода накопился постепенно, незаметно для пациента. В крупных городах за умеренную плату услуга гипербарической оксигенации предоставляется на коммерческой основе в качестве общеукрепляющей оздоровительной меры. Барокамера гипербарической оксигенотерапии вполне может быть использована в качестве декомпрессионной камеры при ДКБ. 4.17. Вены – сложная разветвленная сеть сосудов, замыкающая выход капилляров с предсердиями. Эта система работает в условиях низкого давления; оно достигает нулевой отметки, и даже, как уже говорилось, может быть отрицательным в правом предсердии. Кровоток в венозной части системы кровообращения поддерживается также через механику легочных сокращений, движений диафрагмы; движение крови в венах рук и ног стимулируется сократительной деятельностью мышц. Чтобы такие «подкачивающие насосы» работали эффективно, вены имеют систему клапанов, пропускающих кровь только в сторону предсердий. Вены имеют тонкие стенки и слабую мышечную структуру. Тем не менее, в венах возникает и по ним распространяется своя пульсовая волна. Флебография (от греч. phleps – вена) – регистрация венозного пульса. Методики регистрации артериального и венозного пульса аналогичны. Флебограмма – график зависимости p(t) - давление крови как функция времени – схематически представлена на рис 10. Общий уровень давления в венах и амплитуды венного пульса малы, что вызывает трудности при получении и интерпретации флебограмм. Прогресс в этой области можно ожидать в разработке оптических методов регистрации венного пульса. Давление крови в венах столь невелико, что для его измерения долее подходящими оказались миллиметры водяного столба. Плотность ртути и воды отличаются в 13,6 раза. Поэтому: 1 мм ртутного столба = 133 Па; 1 мм водяного столба = 133/13,6 = 9,78 Па, то есть, практически, 10 Па.  Рис. 11. Схема флебограммы яремной вены. На рис. 11 выделены пять особых точек на кривой р(t) флебограммы, характерных для каждого цикла пульсаций в венной пульсовой волне. Венные пульсовые волны распространяются в направлении, противоположном току крови. • Точка А. Давление в вене достигло максимума, потому что вход крови в правое предсердие временно заблокирован: началось сокращение этого предсердия. Рост давления в вене слева от точки А вызван постепенным заполнением предсердия, вплоть до его полного наполнения и прекращения оттока крови из вены в это предсердие. Динамическое давление движущейся венозной крови перешло в точке А в статическое давление. • Точка С. Дополнительный всплеск давления после точки А напоминает вечеринку в квартире соседей: он вызван передачей пульсацией давления расположенной поблизости сонной артерии, находящейся в начале своей систолы. • Точка Х соответствует систоле желудочков, поскольку в это же время правое предсердие открывается для заполнения кровью. Давление в вене резко уменьшается, достигает минимума, может оказаться отрицательным: опустевшее правое предсердие оказывает на застоявшуюся при входе кровь всасывающее действие. • Волна V: Давление несколько возросло, поскольку предсердие уже почти заполнено кровью. • Точка Y: завершение периода относительно медленного периода заполнения правого предсердия перед подъемом волны А. Флебограмма венного пульса содержит ценную информацию о состоянии клапанов и перегородок «правого сердца». В заключение отметим, что флебография и флебограмма - термины неоднозначные. Рентгенограмма участка вены, в которую предварительно было введено рентгеноконтрастное вещество, тоже называется флебограммой. Но об этом узнают лишь те, кто, начав чтение данного пособия, пройдет этот путь до этого места. Контрольные вопросы 1. Общая характеристика системы кровообращения. Давление крови в большом и малом круге. 2. Уравнение неразрывности. Скорость движения крови в различных частях кровеносной системы. 3. Статическое, гидростатическое, динамическое и полное давление. 4. Уравнение Бернулли. его следствия для работы кровеносной системы. 5. Давление крови на входе в правое предсердие. 6. Гидростатическое давление при перегрузках. 7. Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкостей. Число Рейнольдса. 8. Формула Пуазейля. Гидравлическое сопротивление. Общее периферическое сопротивление сосудов. 9. Артерии эластического типа. Пульсовое давление. Сфигмография. 10. Работа кровеносной системы при систоле. 11. Артериальная пульсовая волна. Ее происхождение и скорость. 12. Формула Моенса-Кортевега. Ее диагностические возможности. 13.Системные нарушения в работе артерий. Гипертония. Гипотония. 14. Движение крови в капиллярах. 15. Метод пульсоксиметрии. 16. Работа кровеносной системы при использовании дыхательных смесей высокого давления. 17. Гипербарическая оксигенотерапия. 18. Движение крови в венах. Венная пульсовая волна. Флебография |