Биофизика сердца сосудов крови

Содержание

• Строение системы кровообращения
  • Сердце
  • Сосуды
  • Кровь
  • Круги кровообращения
• Функции
• Особенности системы в разные периоды жизни

Сердечно-сосудистая система человека (кровеносная – устаревшее название) – это комплекс органов, обеспечивающих снабжение всех участков организма (за небольшим исключением) необходимыми веществами и удаляющих продукты жизнедеятельности. Именно сердечно-сосудистая система обеспечивает все участки тела необходимым кислородом, а потому является основой жизни. Нет кровообращения только в некоторых органах: хрусталик глаза, волос, ноготь, эмаль и дентин зуба. В сердечно-сосудистой системе выделяют две составные части: это собственно комплекс органов кровообращения и лимфатическая система. Традиционно они рассматриваются отдельно. Но, несмотря на их разность, они выполняют ряд совместных функций, а также имеют общее происхождение и план строения.

Строение системы кровообращения

Анатомия системы кровообращения подразумевает ее разделение на 3 компонента. Они значительно различаются по строению, но в функциональном отношении представляют собой единое целое. Это следующие органы:

• сердце;
• сосуды;
• кровь.

Сердце

Своеобразный насос, перекачивающий кровь по сосудам. Это мышечно-фиброзный полый орган. Находится в полости грудной клетки. Гистология органа различает несколько тканей. Самая главная и значительная по размерам – мышечная. Внутри и снаружи орган покрыт фиброзной тканью. Полости сердца разделены перегородками на 4 камеры: предсердия и желудочки.

У здорового человека частота сердечных сокращений составляет от 55 до 85 ударов в минуту. Это происходит на протяжении всей жизни. Так, за 70 лет происходит 2,6 млрд сокращений. При этом сердце перекачивает около 155 млн литров крови. Вес органа колеблется от 250 до 350 г. Сокращение камер сердца называется систолой, а расслабление – диастолой.

Сосуды

Это длинные полые трубки. Они отходят от сердца и, многократно разветвляясь, идут во все участки организма. Сразу по выходу из его полостей сосуды имеют максимальный диаметр, который по мере удаления становится меньше. Различают несколько типов сосудов:

• Артерии. Они несут кровь от сердца к периферии. Сама крупная из них – аорта. Выходит из левого желудочка и несет кровь ко всем сосудам, кроме легких. Ветви аорты делятся многократно и проникают во все ткани. Легочная артерия несет кровь к легким. Она идет из правого желудочка.
• Сосуды микроциркуляторного русла. Это артериолы, капилляры и венулы – самые маленькие сосуды. Кровь по артериолам идет в толще тканей внутренних органов и кожи. Они ветвятся на капилляры, которые осуществляют обмен газами и другими веществами. После чего кровь собирается в венулы и течет дальше.
• Вены – сосуды, несущие кровь к сердцу. Они образуются при увеличении диаметра венул и их многократном слиянии. Самые крупные сосуды данного типа – нижняя и верхняя полые вены. Именно они непосредственно впадают в сердце.

Кровь

Своеобразная ткань организма, жидкая, состоит из двух главных компонентов:

• плазма;
• форменные элементы.

Плазма – жидкая часть крови, в которой находятся все форменные элементы. Процентное соотношение – 1:1. Плазма представляет собой мутную желтоватую жидкость. В ней содержится большое количество белковых молекул, углеводов, липидов, различных органических соединений и электролитов.

К форменным элементам крови относят: эритроциты, лейкоциты и тромбоциты. Они образуются в красном костном мозге и циркулируют по сосудам всю жизнь человека. Только лейкоциты при некоторых обстоятельствах (воспаление, внедрение чужеродного организма или материи) могут проходить через сосудистую стенку в межклеточное пространство.

У взрослого человека содержится 2,5-7,5 (зависит от массы) мл крови. У новорожденного – от 200 до 450 мл. Сосуды и работа сердца обеспечивают важнейший показатель кровеносной системы – артериальное давление. Оно колеблется от 90 мм рт.ст. до 139 мм рт.ст. для систолического и 60-90 – для диастолического.

Круги кровообращения

Все сосуды образуют два замкнутых круга: большой и малый. Это обеспечивает бесперебойное одновременное снабжение кислородом организма, а также газообмен в легких. Каждый круг кровообращения начинается из сердца и там же заканчивается.

Малый идет от правого желудочка по легочной артерии в легкие. Здесь она несколько раз ветвится. Кровеносные сосуды образуют густую капиллярную сеть вокруг всех бронхов и альвеол. Через них происходит газообмен. Кровь, богатая углекислым газом, отдает его в полость альвеол, а взамен получает кислород. После чего капилляры последовательно собираются в две вены и идут в левое предсердие. Малый круг кровообращения заканчивается. Кровь идет в левый желудочек.

Большой круг кровообращения начинается от левого желудочка. Во время систолы кровь идет в аорту, от которой ответвляются множество сосудов (артерий). Они делятся несколько раз, пока не превратятся в капилляры, снабжающие кровью весь организм – от кожи до нервной системы. Здесь происходит обмен газов и питательных веществ. После чего кровь последовательно собирается в две крупные вены, идущие в правое предсердие. Большой круг заканчивается. Кровь из правого предсердия попадает в левый желудочек, и все начинается заново.

Функции

Сердечно-сосудистая система выполняет в организме ряд важнейших функций:

• Питание и снабжение кислородом.
• Поддержание гомеостаза (постоянства условий внутри всего организма).
• Защита.

Снабжение кислородом и питательными веществами заключается в следующем: кровь и ее компоненты (эритроциты, белки и плазма) доставляют кислород, углеводы, жиры, витамины и микроэлементы до любой клетки. При этом из нее они забирают углекислый газ и вредные отходы (продуты жизнедеятельности).

Постоянные условия в организме обеспечиваются самой кровью и ее компонентами (эритроциты, плазма и белки). Они не только выступают переносчиками, но и регулируют важнейшие показатели гомеостаза: ph, температуру тела, уровень влажности, количество воды в клетках и межклеточном пространстве.

Непосредственную защитную функцию играют лимфоциты. Эти клетки способны обезвреживать и уничтожать чужеродную материю (микроорганизмы и органические вещества). Сердечно-сосудистая система обеспечивает их быструю доставку в любой уголок организма.

Особенности системы в разные периоды жизни

Во время внутриутробного развития сердечно-сосудистая система имеет ряд особенностей.

• Установлено сообщение между предсердиями (“овальное окно”). Оно обеспечивает прямой переход крови между ними.
• Малый круг кровообращения не функционирует.
• Кровь из легочной вены переходит в аорту по специальному открытому протоку (Баталов проток).

Кровь обогащается кислородом и питательными веществами в плаценте. Оттуда по пупочной вене она идет в полость живота через одноименное отверстие. Затем сосуд впадает в печеночную вену. Откуда, проходя через орган, кровь поступает в нижнюю полую вену, к оторая впадает в правое предсердие. Оттуда почти вся кровь идет в левое. Только ее малая часть выбрасывается в правый желудочек, а затем в легочную вену. Кровь от органов собирается в пупочные артерии, которые идут к плаценте. Здесь она вновь обогащается кислородом, получает питательные вещества. При этом углекислый газ и продукты обмена малыша переходят в кровь матери, организм который их и выводит.

Сердечно-сосудистая система у детей после рождения претерпевает ряд изменений. Баталов проток и овальное отверстие зарастают. Пупочные сосуды запустевают и превращаются в круглую связку печени. Начинает функционировать малый круг кровообращения. К 5-7 дням (максимум – 14) сердечно-сосудистая система приобретает те черты, которые сохраняются у человека на протяжении всей жизни. Изменяется только количество циркулирующей крови в разные периоды. Вначале оно увеличивается и к 25-27 годам достигает максимума. Только после 40 лет объем крови начинает несколько снижаться, и после 60-65 лет остается в пределах 6-7% от массы тела.

В некоторые периоды жизни количество циркулирующей крови увеличивается или уменьшается временно. Так, при беременности объем плазмы становится больше исходного на 10%. После родов он снижается до нормы за 3-4 недели. Во время голодания и непредвиденных физических нагрузок количество плазмы становится меньше на 5-7%.

Гемодинамикой
называют область биомеханики, в которой исследуется движение крови по
сосудистой системе. Физической основой гемодинамики является
гидродинамика. Течение крови зависит как от свойств крови, так и от
свойств кровеносных сосудов.

В главе рассматриваются также физические основы работы некоторых технических устройств, используемых в связи с кровообращением.

11.1. МОДЕЛИ КРОВООБРАЩЕНИЯ

Рассмотрим гидродинамическую модель кровеносной системы, предложенную О. Франком.

Несмотря
на достаточную простоту, она позволяет установить связь между ударным
объемом крови (объем крови, выбрасываемый желудочком сердца за одну
систолу), гидравлическим сопротивлением периферической части системы
кровообращения Х0и изменением давления в артериях.

Артериальная часть системы кровообращения моделируется упругим (эластичным) резервуаром (рис. 11.1, обозначено УР).

Так как кровь находится в упругом резервуаре, то ее объем в любой момент времени зависит от давления р по следующему соотношению:

В упругий резервуар (артерии) поступает кровь из сердца, объемная скорость кровотока равна Q. От упругого резервуара кровь оттекает с

она
чрезвычайно проста и верно отражает процесс к концу диастолы. Вместе с
тем изменения давления в начале диастолы с помощью этой модели не
описываются.

На основе механической модели по аналогии может быть построена электрическая модель (рис. 11.3).

Здесь источник U, дающий несинусоидальное переменное электрическое напряжение, служит аналогом сердца, выпрямитель В – сердечного клапана. Конденсатор С в течение полупериода накапливает заряд, а затем разряжается на резистор R, таким
образом происходит сглаживание силы тока, протекающего через резистор.
Действие конденсатора аналогично действию упругого резервуара (аорты,
артерии), который сглаживает колебание давления крови в артериолах и
капиллярах. Резистор является электрическим аналогом периферической
сосудистой системы.

В
более точной модели сосудистого русла использовалось большее количество
эластичных резервуаров для учета того факта, что сосудистое русло
является системой, распределенной в пространстве. Для учета инерционных
свойств крови при построении модели предполагалось, что эластичные
резервуары, моделирующие восходящую и нисходящую ветви аорты, обладают
различной упругостью. На рис. 11.4 приведено изображение модели Ростона,
состоящей из двух резервуаров с различными эластичностями (упругостями)
и неупругими звеньями разного гидравлического сопротивления между
резервуарами. Этой модели соответствует электрическая схема,
изображенная на рис. 11.5. Здесь источник тока задает пульсирующее
напряжение U(t), являющееся аналогом давленияp(t): емкости С1 и С2 соответствуют упругостям k1 и k2; электрические сопротивления R1, R2и R3– гидравлическим сопротивлениям Х1, Х2и Х3; силы тока I1и I2– скоростям оттока крови Q1 и Q2.

Такая
модель описывается системой двух дифференциальных уравнений первого
порядка, их решение дает две кривые, соответствующие первой и второй
камерам.

Двухкамерная модель
лучше описывает процессы, происходящие в сосудистом русле, но и она не
объясняет колебания давления в начале диастолы.

Модели, содержащие несколько сотен элементов, называют моделями с распределенньми параметрами.

11.2. ПУЛЬСОВАЯ ВОЛНА

При
сокращении сердечной мышцы (систола) кровь выбрасывается из сердца в
аорту и отходящие от нее артерии. Если бы стенки этих сосудов были
жесткими, то давление, возникающее в крови на выходе из сердца, со
скоростью звука передалось бы к периферии. Упругость стенок сосудов
приводит к тому, что во время систолы кровь, выталкиваемая сердцем,
растягивает аорту, артерии и артериолы, т.е. крупные сосуды воспринимают
за время систолы больше крови, чем ее оттекает к периферии.
Систолическое давление человека в норме равно приблизительно 16 кПа. Во
время расслабления сердца (диастола) растянутые кровеносные сосуды
спадают и потенциальная энергия, сообщенная им сердцем через кровь,
переходит в кинетическую энергию тока крови, при этом поддерживается
диастолическое давление, приблизительно равное 11 кПа.

Распространяющуюся
по аорте и артериям волну повышенного давления, вызванную выбросом
крови из левого желудочка в период систолы, называют пульсовой волной.

Пульсовая
волна распространяется со скоростью 5-10 м/с и даже более.
Следовательно, за время систолы (около 0,3 с) она должна
распространиться на расстояние 1,5-3 м, что больше расстояния от сердца к
конечностям. Это означает, что фронт пульсовой волны достигнет
конечностей раньше, чем начнется спад давления в аорте. Профиль артерии
схематически показан на рис. 11.6: а – после прохождения пульсовой
волны; б – через артерию проходит фронт пульсовой волны; в – в артерии
пульсовая волна; г – начинается спад повышенного давления.

Пульсовой
волне будет соответствовать пульсирование скорости кровотока в крупных
артериях, однако скорость крови (максимальное значение – 0,3-0,5 м/с)
существенно меньше скорости распространения пульсовой волны.

11.3. РАБОТА И МОЩНОСТЬ СЕРДЦА. АППАРАТ ИСКУССТВЕННОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ

Работа, совершаемая сердцем, затрачивается на преодоление сил давления и сообщение крови кинетической энергии.

Рассчитаем работу, совершаемую при однократном сокращении левого желудочка. Изобразим Vy – ударный объем крови – в виде цилиндра (рис. 11.9). Можно считать, что сердце продавливает этот объем по аорте сечением S на расстоянии l при среднем давлении р. Совершаемая при этом работа:

Если учесть, что продолжительность систолы около t« 0,3 с, то средняя мощность сердца за время одного сокращения <W> – A1 / t = = 3,3 Вт.

При
операциях на сердце, которые требуют временного выключения его из
системы кровообращения, пользуются специальными аппаратами
искусственного кровообращения (рис. 11.10). По существу, этот аппарат
является сочетанием искусственного сердца (насосная система) с
искусственными легкими (оксигенатор – система, обеспечивающая насыщение
крови кислородом).

11.4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КЛИНИЧЕСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ КРОВИ

Физический
параметр – давление крови – играет большую роль в диагностике многих
заболеваний. Систолическое и диастолическое давления в какой-либо
артерии могут быть измерены непосредственно с помощью иглы, соединенной с
манометром. Однако в медицине широко используется бескровный метод,
предложенный Н.С. Коротковым. Рассмотрим физические основы этого метода
на примере измерения давления крови в плечевой артерии.

Вокруг руки между плечом и локтем накладывают манжету. Сечения манжеты М, части руки Р, плечевой кости Пи плечевой артерии А показаны на рис. 11.11, а-11.13, а. При накачивании воздуха через шланг В в манжету рука сжимается. Затем через этот же шланг воздух выпускают и с помощью манометра Б измеряют
давление воздуха в манжете. На поз. б тех же рисунков изображены
продольные сечения плечевой артерии, соответствующие каждому случаю.
Сначала избыточное над атмосферным давление воздуха в манжете равно нулю
(рис. 11.11), манжета не сжимает руку и артерию. По мере накачивания
воздуха в манжету последняя сдавливает плечевую артерию и прекращает ток
крови (рис. 11.12). Если мускулатура расслаблена, то давление воздуха
внутри манжеты, состоящей из эластичных стенок, приблизительно равно
давлению в мягких тканях, соприкасающихся с манжетой. В этом заключается
основная физическая идея бескровного метода измерения давления.

Выпуская
воздух, уменьшают давление в манжете и в мягких тканях, с которыми она
соприкасается. Когда давление станет равным систолическому, кровь будет
способна пробиться через сдавленную артерию – возникает турбулентное
течение (рис. 11.13).

Характерные тоны и шумы1,
сопровождающие этот процесс, прослушивает врач при измерении давления,
располагая фонендоскоп на артерии дистальнее манжеты (т.е. на большем
расстоянии от сердца). Продолжая уменьшать давление в манжете, можно
восстановить ламинарное течение крови, что заметно по резкому ослаблению
прослушиваемых тонов. Давление в манжете, соответствующее
восстановлению ламинарного течения в артерии, регистрируют как
диастолическое.

Для
измерения артериального давления применяют приборы, показанные на рис.
11.14: а – сфигмоманометр с ртутным манометром, б – сфигмотонометр с
металлическим мембранным манометром; здесь М– манжета; Г – груша для накачивания воздуха; Р – манометр.

11.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ КРОВОТОКА

Существует несколько методов определения скорости кровотока. Рассмотрим физические основы двух из них.

Ультразвуковой метод (ультразвуковая расходометрия) основан на эффекте Доплера (см. 7.11). От генератора 1 электрических колебаний УЗ-частоты (рис. 11.15) сигнал поступает на излучатель УЗ 2 и на устройство сравнения частот 3. УЗ-волна 4 проникает в кровеносный сосуд 5 и отражается от движущихся эритроцитов 6. Отраженная
УЗ-волна 7 попадает в приемник 8, где преобразуется в электрическое
колебание и усиливается. Усиленное электрическое колебание попадает в
устройство 3. Здесь сравниваются колебания, соответствующие
падающей и отраженной волнам, и выделяется доплеровский сдвиг частоты в
виде электрического колебания:

В
крупных сосудах скорость эритроцитов различна в зависимости от их
расположения относительно оси: «приосевые» эритроциты движутся с большей
скоростью, а «пристеночные» – с меньшей. УЗ-волна может отражаться от
разных эритроцитов, поэтому доплеровский сдвиг получается не в виде
одной частоты, а как интервал частот.

Таким
образом, эффект Доп-плера позволяет определять не только среднюю
скорость кровотока, но и скорость движения различных слоев крови.

Электромагнитный метод (электромагнитная расходоме-трия) измерения
скорости кровотока основан на отклонении движущихся зарядов в магнитном
поле. Дело в том, что кровь, будучи электрически нейтральной системой,
состоит из поло-