8 Определение вязкости биологических жидкостей с помощью капилля. Определение вязкости биологических жидкостей с помощью капиллярного вискозиметра
 Скачать 0.51 Mb.
|
|
МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ .Тема: Определение вязкости биологических жидкостей с помощью капиллярного вискозиметра Цель: Выяснить гемодинамику кровообращения, функции малого и большого круга кровообращения, модель пульсовой волны Франка. Выяснить используемые в медицине методы исследования кровообращения. Задачи обучения: Понять механизм кровообращения. Выяснить закономерности прохождения высокочастотного тока по тканям организма. Понять диагностическое значение реографии. Основные вопросы темы: 1. Кровеносная система (артерии, вены). Механизм кровообращения. Функции малого и большого круга кровообращения. Регионарное кровообращение. 2. Систола. Диастола. 3. Гидродинамическая модель Франка. Пульсовая волна. Скорость распространения пульсовой волны в сосудах. 4. Уравнение неразрывности. Уравнение Рейнольдса. 5. Уравнение Пуазейля. Уравнение Ньютона. 6. Моделирование процесса кровообращения с помощью аналоговых электрических схем. 7. Понятие объемной скорости кровотока. Методы обучения - работа в малых группах Информационно-дидактический блок. Гемодинамика - движение крови по сосудам, возникающее вследствие разности гидростатического давления в различных участках кровеносной системы (кровь движется из области высокого давления в область низкого). Зависит от сопротивления току крови стенок сосудов и вязкости самой крови. О гемодинамике судят по минутному объему крови. При течении реальной жидкости (или газа) отдельные слои воздействуют друг на друга с силами, касательными к слоям. Это явление называют внутренним трением, или вязкостью. Рассмотрим течение вязкой жидкости между пластинками (рисунок), из которых нижняя неподвижна, а верхняя движется со скоростью В . Слои воздействуют друг на друга. Например, слой 3 стремится ускорить движение слоя 2, но сам испытывает торможение с его стороны, а ускоряется слоем 4 и т.д. X V 6 V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 V Сила внутреннего трения пропорциональна площади S взаимодействующих слоев и тем больше, чем больше их относительная скорость. МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ S dх d F ) ( Это уравнение Ньютона. Здесь - коэффициент внутреннего трения или вязкость. Единицей вязкости является паскаль∙секунда (Па∙с). Для многих жидкостей, например для воды, вязкость не зависит от dx d , такие жидкости подчиняются уравнению Ньютона и их называют ньютоновскими. Жидкости, не подчиняющиеся уравнению, относят к неньютоновским. Ламинарное и турбулентное течения. Число Рейнольдса Рассмотрение ранее течение жидкости является слоистым, или ламинарным. Для него справедливы уравнения Бернулли и Пуазейля. Увеличение скорости течения вязкой жидкости (газа) вследствие неоднородности давления по поперечному сечению трубы создает завихрение, и движение становится вихревым, или турбулентным. При турбулентном течении жидкости или газа скорость частиц в каждом месте беспрерывно и хаотически изменяется, движение является нестационарным. Характер течения жидкости в трубе зависит от свойств жидкости, скорости ее течения, размеров трубы и определяется так называемым числом Рейнольдса: D ж Re где ж - плотность жидкости (газа); - средняя по сечению трубы скорость жидкости (газа); D- диаметр трубы. Если число Рейнольдса больше некоторого критического (Re›Re кр ), то движение жидкости турбулентное. Например, для гладких цилиндрических труб Re кр =2300. Условие неразрывности струи Sv = const. При описании физических законов течения крови по сосудам вводится допущение, что количество циркулирующей крови в организме постоянно. Отсюда следует формулировка условия неразрывности струи для реальной гемодинамики: В любом сечении сердечно-сосудистой системы объемная скорость кровотока постоянна: Q = const. Под площадью сечения сосудистой системы понимают суммарную площадь сечения кровеносных сосудов одного уровня ветвления. Например, в большом круге кровообращения первое (наименьшее по площади) сечение проходит через аорту, второе - через все артерии, на которые непосредственно разветвляется аорта, и т.д. Наибольшую площадь имеет сечение, соответствующее капиллярной сети. Условие неразрывности струи утверждает, что при ламинарном течении жидкости произведение площади сечения участка, через который она протекает, на ее скорость является постоянной величиной для данной трубки тока. МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Из условия неразрывности струи следует, что с увеличением площади сечения сосудистой системы скорость кровотока в ее соответствующих участках уменьшается. Распределение давления и скорости кровотока в сосудистой системе. В любой точке сосудистой системы давление крови зависит от: атмосферного давления гидростатического давления, обусловленного весом кровяного столба давления, обеспечиваемого насосной функцией сердца. Распределение кровяного давления в сосудистой системе показано на рисунке(верхняя кривая). Видно, что в аорте и крупных артериях падение давления (разница средних давлений в начале и в конце сосуда) невелика. В артериолах наблюдается максимальное падение давления, поскольку для совокупности артериол происходит большое увеличение гидравлического сопротивления. В венах, впадающих в сердце, давление ниже атмосферного. В крупных кровеносных сосудах проявляются пульсовые колебания давления, амплитуда которых уменьшается с увеличением степени разветвленности сосудистого русла и уменьшением диаметра отдельных сосудов. Сосудистая система обладает минимальной площадью сечения в области аорты, где наблюдается максимальная амплитуда пульсовых колебаний и наибольшая линейная скорость крови порядка 0,5 м/с (см.рис., нижняя кривая). По мере перехода к более мелким кровеносным сосудам суммарная площадь их сечения увеличивается и, в соответствии с условиями неразрывности струи, скорость кровотока в них уменьшается, составляя в капиллярах около 0,5 мм/с. В венозной части сосудистой системы суммарная площадь сечения сосудов уменьшается, что приводит к возрастанию скорости кровотока. Система кровообращения - сердце – сосуды осуществляет постоянный приток и отток крови к тканям, обеспечивая тем самым процессы метаболизма. Во время систолы (сокращения сердца) кровь выбрасывается из левого желудочка в аорту и отходящие от неё крупные артерии. При этом часть кинетической энергии крови расходуется на растяжение эластичных стенок сосудов и запасание её в виде потенциальной энергии упругой деформации. Во время диастолы (расслабления) желудочков аортальный клапан закрывается и приток крови от сердца в крупные сосуды прекращается. Растянутые стенки артерии при этом сокращаются, обеспечивая приток крови в капилляры во время диастолы. Впервые идея о таком способе продвижения крови сельским священником Хейлсом в 1733г, а в 1899г немецкий физиолог О.Франк создал гидродинамическую модель, описывающую временные изменения давления и объемной скорости кровотока в артериях. Модель сосудистой системы, предложенная О.Франком, позволяет установить связь между давлением и объемной скоростью кровотока в крупном сосуде с учетом их эластичности. Модель позволяет рассчитать изменение во времени гемодинамических показателей в крупном сосуде в течение сердечного цикла. В основном рассчитывают изменение давления в некоторой точке крупного сосуда. Для удобства моделирования МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ выделяют две фазы кровотока в системе «левый желудочек сердца – крупные сосуды – мелкие сосуды». 1Фаза – фаза притока крови в аорту из сердца в момент открытия аортального клапана до его закрытия. Во время поступления крови из сердца стенки крупных сосудов растягиваются благодаря их эластичности, часть крови резервируется в крупных сосудах, а часть прох2одит в мелкие сосуды. 2Фаза – фаза изгнания крови из крупных сосудов в мелкие во время закрытия аортального клапана. Во время этой фазы стенки крупных сосудов за счет упругости возвращаются в исходное положение, проталкивая кровь в микрососуды. В это время в левый желудочек поступает кровь из левого предсердия. Движение крови по кровеносным сосудам в физиологии объясняется на основе известных в физике законов гидродинамики, согласно которым количество жидкости Q, протекающей через любой сосуд пропорционально разности давлений и обратно пропорционально гидравлическому сопротивлению: l р р R Q 2 1 4 8 Это уравнение Пуазейля. Здесь 4 8 R l Х - гидравлическое сопротивление. Реография (реоплетизмография) – бескровный метод исследования общего и органного кровообращения, основанный на регистрации колебаний сопротивления ткани организма переменному току высокой частоты(40- 500кГц) и малой силы (не более 10мА). С помощью специального генератора в реографе создаются безвредные для организма токи, которые подаются через токовые электроды. Одновременно на теле располагаются и потенциальные (или потенциометрические) электроды, которые регистрируют проходящий ток. Чем выше сопротивление участка тела, на котором расположены электроды, тем меньше будет волна. При наполнении данного участка кровью его сопротивление снижается, и это вызывает повышение проводимости, т.е. рост регистрируемого тока. Импеданс зависит от омического и емкостного сопротивлений. Емкостное сопротивление зависит от поляризации клетки. При высокой частоте тока (40-1000Гц) величина емкостного сопротивления приближается к нулю, поэтому импеданс ткани в основном зависит от Ом. сопротивления и от кровенаполнения в том числе. По своей форме реограмма напоминает сфигмограмму— анакрота, катакрота, инцизура, дикротический подъем. Это вполне объяснимо, так как реограмма отражает кровенаполнение данной области. При анализе реграммы рассчитывают амплитудные характеристики систолической волны, которая отражает величину кровенаполнения, амплитуду диастолической волны, уровень инцизуры(он характеризует величину периферического сопротивления),а также различные временные интервалы, которые отражают в целом тонус и эластичность сосудов. МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В зависимости от расположения электродов различают: центральную реографию (прекардильная реография, реография аорты, легочной артерии); - органную реографию (реоэнцефалография, реогепатография, реовазография, реоренография). Первый вид позволяет оценить кровенаполнение в, левом и правом сердце, в малом круге кровообращения. При реовазографии (регистрации кровенаполнения конечностей) используют прямоугольные или циркулярные электроды, располагаемых на областях подвергаемых исследованию. Для определения систолического (а, следовательно, и минутного объема сердца) используется так называемая интегральная тетраполярная реография. Для этого два токовых электрода располагают следующим образом: первый ленточный электрод на голове, второй на 2 см ниже прикрепления мечевидного отростка к грудине. Потенциометрические электроды располагаются на 2 см от соответствующих токовых электродов, один на голове(или на шее), второй на грудной клетке. Регистрируют реограмму и дифференциальную реограмму, т.е. производную объемной. В дальнейшем производят расчет, позволяющий с большой степенью точности определить величину систолического объема (СО). В частности, одна из формул выглядит так: СО=( 2 2 ) изгн дифф Т А , где: - удельное сопротивление крови = 135 Ом c м расстояние между потенциометрическими электродами, см базовое сопротивление между электродами,Ом А дифф. - амплитуда дифференциальной реограммы Т изгн. – время изгнания крови, с.; оно определяется по дифференциальной реограмме ( от ее начала до вершины отрицательного зубца) В целом реография нашла широкое применение во многих областях клинической медицины в хирургии (для диагностики проходимости сосудов), в терапии (для определения СО, МОК и других показателей), в акушерстве для оценки маточно – плацентарного кровотока при беременности.... Живые ткани состоят из клеток, омываемых тканевой жидкостью. Цитоплазма клеток и тканевая жидкость представляют собой электролиты, разделенные плохо проводящей клеточной оболочкой. Такая схема обладает статистической и поляризационной емкостью. Поляризационная емкость - результат электрохимической поляризации, возникающей при прохождении постоянного электрического тока через электролит. Она зависит от силы тока и времени его протекания. По современным представлениям, живые ткани не обладают индуктивностью и сопротивление их имеет только емкостную и активную составляющие. Импедансом Z называется полное сопротивление. В наиболее общем случае он равен: (1) 2 2 2 2 ) 1 ( ) ( C L R X X R Z C L МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 2 2 2 2 ) ( 1 C L X X R C L R Z Здесь R - активное сопротивление, а разность индуктивного и емкостного сопративлений ) ( C L X X называют реактивным сопротивлением. При прохождении переменного тока через живые ткани наблюдается дисперсия электропроводимости: полное сопротивление ткани увеличивается с уменьшением частоты тока до некоторой максимальной величины Z max и стремится к некоторому минимальному значению Z min при увеличении частоты. На рис. 1 изображен график зависимости импеданса мышцы от частоты переменного тока. Переменным называют ток, мгновенные значения которого периодически изменяются по величине и по направлению. В общем случае переменный ток может иметь любую сложную форму колебания; в технике наиболее распространен синусоидальный ток, который обычно и понимают под названием “ переменный ток”. В этом случае мгновенные значения напряжения u тока I определяются следующими выражениями: U=U m sin( t) и I=I m sin( t),где U m и I m - максимальные (амплитудные ) значения напряжения и тока, - круговая частота. Сопротивление R в виде металлических проводников (или растворов электролита) в цепи переменного тока называется активным, так как в нем происходит необратимая потеря энергии. В цепи с активным сопротивлением выполняется закон Ома и колебания тока I происходят в фазе с колебаниями напряжения U. (рис 1.) Минутный объем крови -МОК. МОК- объем крови, выбрасываемой сердцем в аорту за 1 мин. Количество крови, выбрасываемое левым желудочком в аорту за одно сокращение, называют «ударным объемом» или «систолическим объемом». Правый желудочек выбрасывает такое же количество крови в легочную артерию, как и левый в аорту. Малейшие отклонения от этого соответствия привели бы к нарушению кровообращения, поскольку большой и малый круги кровообращения не отделены друг от друга. Для определения МВ применимы: радионуклеидный метод, термодилюции, метод Фика и др. Принцип единый: в кровь вводят какое-то количество вещества с последующим определением концентрации и скорости распространения индикатора по кровеносному руслу. Объемная скорость кровотока в сердечно сосудистой системе составляет 4-6л./мин Она распределяется по регионам и органам в зависимости от интенсивности их метаболизма. В состоянии функционального покоя и при деятельности кровоток в тканях может возрастать в 2-20 раз. Рис.1. МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ На 100г. Ткани объем кровотока в покое равен: в мозге -55, в сердце -80, в печени -85,в почках -400. Наиболее распространенные методы определения объемной скорости у человека: окклюзионная плетизмография и реография. Окклюзионная плетизмография основана на регистрации увеличения объема сегмента конечности в ответ на прекращение венозного оттока, при сохранении артериального притока крови и орган. Это достигается сдавливанием сосуда с помощью манжеты(например, наложенной на плечо) и накачиванием в манжету воздуха, под давлением выше венозного, но ниже артериального. Конечность помещают в камеру, заполненную жидкостью. Лабораторная работа: Приборы: Капиллярный вискозиметр, секундомер, резинка, вода (этолонная жидкость), экспериментальный жидкость (раствор глицерина разного % -та). Порядок выполнение работ: 1. Эталонную жидкость (вода) следует наливать в толстую пробирку. 2. С помощью резиновых груш,надо поднять воду выше отметки А-В в резервуаре вискозиметра. 3. С помощью секундомера надо засекать время течение воды от точки А до точки В. 4. Повторить эксперимента 5 раз по пункту 2 и 3. 5. Повторить эксперимент по пункту 2-4 для разного % -та раствора глицерина. 6. Результат эксперимента занести таблицу-1. 1-таблица № H 2 O C= 15 % C= 30 % C= 50 % C= 70 % C= X% 1 24.36 36.12 55.40 72.58 92.83 63.61 2 25.08 36.33 55.18 72.49 92.68 63.85 3 25.06 36.35 55.44 72.16 92.20 63.82 4 25.02 36.3 55.40 72.66 92.83 63.10 4-рис 5-рис МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 5 25.04 36.24 55.37 72.37 92.96 63.82 t 1000 1033 1071 1110 1115 1091 0.001 Па*с 2-таблица № H 2 O C= 15 % C= 30 % C= 50 % C= 70 % C= X% 1 23.36 34.12 58.40 70.58 91.83 62.61 2 24.08 34.33 58.18 70.49 91.68 62.85 3 24.06 34.35 58.44 70.16 91.20 62.82 4 24.02 34.3 58.40 70.66 91.83 62.10 5 24.04 34.24 58.37 70.37 91.96 62.82 t 1000 1033 1071 1110 1115 1091 0.001 Па*с 3-таблица № H 2 O C= 15 % C= 30 % C= 50 % C= 70 % C= X% 1 22.36 33.12 50.40 75.58 95.83 64.61 2 23.08 33.33 50.18 75.49 95.68 64.85 3 23.06 33.35 50.44 75.16 95.20 64.82 4 23.02 33.3 50.40 75.66 95.83 64.10 5 23.04 33.24 50.37 75.37 95.96 64.82 t 1000 1033 1071 1110 1115 1091 0.001 Па*с 4-таблица № H 2 O C= 15 % C= 30 % C= 50 % C= 70 % C= X% 1 25.36 37.12 57.40 70.58 93.83 61.61 2 26.08 37.33 57.18 70.49 93.68 61.85 3 26.06 37.35 57.44 70.16 93.20 61.82 4 26.02 37.3 57.40 70.66 93.83 61.10 5 26.04 37.24 57.37 70.37 93.96 61.82 t 1000 1033 1071 1110 1115 1091 0.001 Па*с 5-таблица № H 2 O C= 15 % C= 30 % C= 50 % C= 70 % C= X% МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 1 22.36 31.12 51.40 73.58 90.83 67.61 2 23.08 31.33 51.18 73.49 90.68 67.85 3 23.06 31.35 51.44 73.16 90.20 67.82 4 23.02 31.3 51.40 73.66 90.83 67.10 5 23.04 31.24 51.37 73.37 90.96 67.82 t 1000 1033 1071 1110 1115 1091 0.001 Па*с 6-таблица № H 2 O C= 15 % C= 30 % C= 50 % C= 70 % C= X% 1 20.36 33.12 58.40 74.58 89.83 68.61 2 21.08 33.33 58.18 74.49 89.68 68.85 3 21.06 33.35 58.44 74.16 89.20 68.82 4 21.02 33.3 58.40 74.66 89.83 68.10 5 21.04 33.24 58.37 74.37 89.96 68.82 t 1000 1033 1071 1110 1115 1091 0.001 Па*с 1. Вычислить 0 0 0 t K где 0 -коэффициента вязкости воды при комнатной температуре, 1 0 -плотность исследуемой жидкости и воды соответственно. Числовые значения взять из таблиц. 2. Вычислить значение вязкости исследуемой жидкости по формуле: 3. Построить график зависимости %) C ( f и найти неизвестную концентрацию жидкости. 4. Сделать выводы. Литература: 1. Көшенов Б.К., Сайбеков Т.С. Медицинская биофизика2014 г. 2. Сайбеков Т.С. Медицинская биофизика для Вузов и колледжей, А.: 2014 г. 3. Ремизов А.Н. Медициналық және биологиялық физика: оқулық / жауапты редактор Байдуллаева Г.Е., Мәскеу ГЭОТАР-Медиа 2019. 4. Антонов В.Ф., Козлова Е.К., Черныш А.М. Физика и биофизика: для студентов медицинских ВУЗов 2-ое изд., Москва ГЭОТАР-Медиа 2019. 5. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник 4-ое изд., Москва ГЭОТАР-Медиа 2018. t k ж |