Лекция No7 ОСНОВИ НА ХЕМОДИНАМИКАТА
1. Движението на течност и кръв през тръби с еластични стени. Кръвоносната система като клон на тръбите.
Кръвообращението е един от най-важните процеси в живите организми. Разделът на биофизиката, който изучава законите на кръвния поток през съдовата система, се нарича хемодинамика (гръцки haima - кръв). Общите закони на потока на течностите, изучавани от хидродинамиката, са установени в рамките на класическата физика и са основата за описване на сложни хемодинамични процеси в живия организъм. Свойствата на кръвта обаче в много отношения се различават от свойствата на течностите, използвани в технологията, а кръвоносните съдове с еластични стени и множество разклоняващи се кръвоносни съдове са значително различни, например, от система от водопроводи. Следователно биофизиката разглежда само опростен модел на кръвообращение.
За да се разберат много физиологични явления, е необходимо да се знае връзката между налягането и скоростта на движение на кръвта, както и зависимостта на тези стойности от свойствата на кръвта, кръвоносните съдове и от работата на сърцето. Въз основа на тези количествени модели е възможно да се разработят методи за диагностика и лечение на редица заболявания.
Една от характеристиките на физическия модел на сърдечно-съдовата система е еластичността на нейните стени. Под еластичност се разбира способността на материал или продукт да изпитва повече или по-малко значими еластични обратими деформации с относително малки сили.
Стените на кръвоносните съдове не са еднакви по своята структура. Аортата и големите артерии имат стени, които освен мускулни влакна се състоят от еластин и колаген. Еластинът позволява деформация до 200-300%, колаген до 10%. Артериолите се състоят изцяло от мускулна тъкан, чиято разтегливост е много по-малка. Стените на капилярите не са покрити нито с еластична, нито с мускулна тъкан.
Потокът на течност през тръби (съдове) с еластични стени има определена специфичност. При постоянно налягане еластичността на стените на тръбата не е значителна. Например можете да наблюдавате едно и също непрекъснато неподвижно изтичане на течност от стъклени (твърди) и гумени (еластични) тръби.
Ако пулсиращ поток се премине през тръбите с помощта на периодично работеща помпа за тази цел, тогава естеството на потока на течността ще бъде различно: от твърда тръба - прекъсваща, от еластична - непрекъсната. Когато такава помпа изтласква течност в тръба с еластични стени, която вече е пълна с течност, налягането в тръбата се увеличава, стената й се разширява и съдържа излишна течност. Тогава,
когато налягането от страната на помпата падне, стената на тръбата се свива и потенциалната енергия на стената се преобразува в кинетична енергия на течността,
в резултат на което преминава излишната течност от началния участък на тръбата
в следващия си участък, чиято стена отначало също се простира, а след това, свивайки се, дестилира течността в останалата част на тръбата и т.н. Разтягането и постепенното компресиране на стените на еластичната тръба осигурява по-равномерен поток на течност в нея с пулсираща помпа.
Друга особеност на сърдечно-съдовата система е, че тя е затворена, многоразклонена и пълна с течност система от тръби, движението на течност в която се извършва под действието на ритмично работеща помпа за налягане (сърце). Фигура 1 показва серийната връзка на аортата (1-2), артериите и артероила (2-3), капилярите (3-4), венулите (4-5) и вените (5-6), както и
Фиг. 1 Паралелно свързване на артерии и артериоли, капиляри и венули. Общото хидравлично съпротивление на тези връзки може да се определи по аналогия със законите за свързване на резистори: за последователно свързване - Z = Z 1 + Z 2 + ... + Z n; за паралелно -
Помислете за хемодинамичните параметри в различни части на съдовата система. Хидравличното съпротивление Z е значително
градуса зависи от радиуса на съда Z
R 1 4. Съотношение на радиус за
различни части на съдовата система: R aorta: R ap: R cap ≈ 3000: 500: 1, следователно може да се напише съотношението Z cap> Z ap> Z аорта. Площта на общия лумен на всички капиляри е 500-600 пъти по-голяма от напречното сечение на аортата.
Според закона за непрекъснатостта на потока това означава, че капачката е 500 1 аорта. И ако в
в аортата средната скорост е приблизително 0,5 m/s, докато в капилярите е 0,3-0,5 mm/s. Именно в капилярната мрежа при бавна скорост на движение се получава обменът на вещества между кръвта и тъканите. Фигура 2 показва кривата (1) на разпределението на линейните скорости по съдовата система.
Когато сърцето се свие, кръвното налягане в аортата варира. Помислете за средното налягане през периода. Спадът на средното налягане по съдовете може да бъде описан от закона на Поазей
p QZ. Сърцето изхвърля кръв при средно налягане p cf. Като
движейки се през съдовете, средното налягане спада. Тъй като Q = const, и
Z cap> Z ap> Z аорта, след това за средни стойности на спада на налягането: p cap> p ap> p аорта. В големите съдове средното налягане спада само с 15%, а в малките съдове с 85%.
Това означава, че по-голямата част от енергията, изразходвана от лявата камера на сърцето за изтласкване на кръвта, се изразходва за нейния поток през малки съдове. Разпределението на налягането (излишък над атмосферното) в различни части на съдовото легло е показано на фиг. 2 (крива 2). Отчитането на отрицателното налягане означава, че е под атмосферното налягане. Засенчената област съответства на колебанията на налягането: p с - систолично налягане ≈ 120 mm Hg; p d - диастолично налягане ≈ 80 mm.tr.st.