Физические основы измерение крови в сосудах
Глава 11. Физические вопросы гемодинамики
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-
Источник
Физические основы клинического метода измерения давления крови
Содержание
Введение. 3
1 Тонометры… 3
1.1 Прибор для измерения артериального давления AND UA-200.. 3
1.1.1 Основные части прибора.. 3
1.2 Прибор для измерения артериального давления и частоты пульса цифровой WS-820. 3
1.2.1 Основные части прибора.. 3
2 Измерение артериального давления.. 3
2.1 Методика измерения артериального давления (АД) методом Короткова.. 3
2.2 Измерение артериального давления (АД) осциллометрическим методом.. 3
3 Кровяное давление в различных участках кровеносной системы.. 3
Введение
Тонометры – приборы для измерения давления крови на стенки кровеносных сосудов. В человеческом организме данный вид давления обеспечивает продвижение крови по кровеносным сосудам от сердца к различным органам и участкам тела. На изменение кровеносного давления влияют такие факторы, как вязкость крови, сила сопротивления стенок сосудов, частота сердечных сокращений.
Впервые в истории измерил артериальное давление англичанин Стефан Холес. Однако его метод измерения распространения не получил ввиду необходимости прокалывания артерии. Бескровный метод и способ измерения давления был разработан в конце 19 века итальянским ученым Рива-Роччи, который предложил использовать для достижения цели специальную манжету, обеспечивающую сжатие конечности. В начале 20 века русский врач Н. С. Коротков предложил методику, суть которой состояла в прослушивании фонендоскопом артериальных сосудов в локтевом сгибе.
Прошло столетие, но любой современный самый лучший тонометр работает на основе все того же принципа сжатия сосудов посредством нагнетания воздуха в манжету.
Для чего же необходимо знать и измерять уровень артериального давления человеческого организма? Прежде всего, потому, что его повышение, или гипертония, постепенно повреждает кровеносные сосуды. Как следствие – развитие различного рода дисфункций и прогрессирующая форма серьезных заболеваний, в числе которых инфаркт, глаукома, потеря зрения, инсульт и так далее. Пониженное артериальное давление, или гипотония, также негативно сказывается на здоровье и приводит к снижению доставки кислорода к органам, в том числе и головного мозга.
1 Тонометры
UA-200 – высококачественный прибор, предназначенный для измерения артериального давления методом Короткова.
Этот метод разработан русским хирургом Н.С. Коротковым в 1905 году. Для измерения давления предусмотрен очень простой прибор, состоящий из механического манометра, манжеты с грушей и фонендоскопа. Метод основан на полном пережатии манжетой плечевой артерии и выслушивании тонов, возникающих при медленном выпускании воздуха из манжеты.
К преимуществам относится тот факт, что метод Короткова признан официальным эталоном не инвазивного измерения артериального давления для диагностических целей и при проведении верификации автоматических измерителей артериального давления. Также для метода Короткова характерна высокая устойчивость к движениям руки.
К недостаткам метода Короткова можно отнести зависимость от индивидуальных особенностей человека, производящего измерение (хорошее зрение, слух, координация системы “руки-зрение-слух”). Метод Короткова чувствителен к шумам в помещении, точности расположения головки фонендоскопа относительно артерии. Для измерения давления по методу Короткова требуется непосредственный контакт манжеты и головки фонендоскопа с кожей пациента. Однако, метод измерения Короткова технически не сложен и обучение можно провести самостоятельно, следуя инструкции, приложенной к тонометру.
1.1.1 Основные части прибора
- Манометр
- Манжета на плечо
- “Левая” соединительная трубка с выпускным клапаном
- “Правая” соединительная трубка с манометром
- Нагнетатель
- Регулируемый выпускной клапан
- Y-образная соединительная трубка
- Бинауральные трубки стетоскопа
- Головка стетоскопа
Прибор предназначен для измерения систолического и диастолического артериального давления и определения частоты пульса у пациентов в возрасте от 15 лет и старше, с расположением манжеты на запястье. Прибор рекомендуется для использования пациентами с неустойчивым (непостоянным) артериальным давлением или известной артериальной гипертензией в домашних условиях как дополнение к медицинскому наблюдению. Манжета подходит для запястья с длиной окружности от 12,5 до 21,5 см. Давление измеряется в диапазоне от 40 до 250 мм рт.ст., а частота пульса в диапазоне от 40 до 160 ударов в минуту.
2 Измерение артериального давления
Классификация всемирной организации здравоохранения
Категория артериального давления | Систолическое (верхнее) мм рт. ст. | Диастолическое (нижнее) мм рт. ст. |
Оптимальное | Менее 120 | Менее 80 |
Нормальное | Менее 130 | Менее 85 |
Высокое нормальное | 130-139 | 85-89 |
Артериальная гипертония 1-й степени | 140-159 | 90-99 |
Артериальная гипертония 2-й степени | 160-179 | 100-109 |
Артериальная гипертония 3-й степени | Более 180 | Более 110 |
Манжета накладывается на плечо достаточно плотно, при этом её нижний край должен быть примерно на 2 см выше внутренней складки локтевого сгиба. Центр резинового мешка манжеты должен находиться над плечевой артерией. Резиновая трубка, соединяющая манжету со сфигмоманометром и нагнетателем, должна располагаться латерально по отношению к обследуемому. При накачивании воздуха в манжету измеряющий пальпирует пульс обследуемого на артерии в складке локтевого сгиба (радиальной) и одновременно наблюдает за показателем сфигмоманометра.
При определенном давлении в манжете пульс исчезает, тогда необходимо поднять давление в манжете еще примерно на 20 мм. Далее, слегка открыв запирающий винт выпускного клапана и поддерживая постоянную скорость выпускания воздуха (примерно 2 мм в секунду), выслушиваются тоны Короткова в артерии, пока показания сфигмоманометра не окажутся примерно на 15-20 мм ниже уровня диастолического давления. Систолическое давление определяется по появлению первых тонов Короткова (1 фаза), а диастолическое по моменту их полного исчезновения (5 фаза). Отсчёт уровня производится до ближайшей чётной цифры, что обеспечивает точность измерения до 2-х мм.
Артериальное давление на правой руке:
1) Систола – 128 мм рт. ст.
2) Диастола – 83 мм рт. ст.
Артериальное давление на левой руке:
1) Систола – 132 мм рт. ст.
2) Диастола – 85 мм рт. ст.
Подготовка манжеты:
- Держа кисть левой руки ладонью вверх, поместите манжету на запястье так, чтобы дисплей прибора был на стороне ладони.
- Расположите манжету на руке таким образом, чтобы ее край находился в 5-10 мм от края ладони. Поместите прибор по центру вашего запястья.
- Закрепите манжету на запястье так, чтобы между манжетой и запястьем не было свободного пространства. Манжета должна сидеть удобно.
Порядок измерения давления:
- Нажмите кнопку START. Прибор автоматически начнет нагнетать воздух в манжету. Когда давление в манжете достигнет начального значения, прибор прекратит нагнетание воздуха. Давление (показываемое на дисплее значение) начинает снижаться, и пульс отображается в виде значка ♥ (сердечка). Когда измерение заканчивается, воздух автоматически выпускается из манжеты. На дисплее отображается систолическое, диастолическое артериальное давление и частота пульса.
- Нажмите одну из кнопок М1 или М2, и результат сохранится в выбранной памяти. Номер выбранной ячейки памяти показывается на дисплее. Результат сохраняется в памяти, определяемой в момент выключения прибора.
- Нажмите кнопку START для отключения питания. Если вы забудете выключить прибор, то он автоматически выключится через 3 минуты.
Артериальное давление на правой руке:
1) Систола – 125 мм рт. ст.
2) Диастола – 80 мм рт. ст.
Артериальное давление на левой руке:
1) Систола – 127 мм рт. ст.
2) Диастола – 82 мм рт. ст.
Разное артериальное давление на правой и левой руках связано с различным отхождением магистральных сосудов от аорты: левая подключичная артерия отходит самостоятельно от аорты и потом переходит в левую плечевую артерию, на которой и измеряют АД. Справа ход сосудов иной – от аорты отходит плечеголовной ствол, который затем делится на правую общую сонную и подключичную артерии. Поэтому АД на правой руке, как правило, на 5-10 мм. рт. ст. ниже, чем на левой
3 Кровяное давление в различных участках кровеносной системы.
Давление крови на стенки сосудов создается силой сокращения желудочков сердца. В разных сосудах оно неодинаково. Кровяное давление наиболее высоко в аорте. По мере продвижения крови по сосудам оно постепенно уменьшается, достигая наименьшей величины в верхней и нижней полых венах.
Существует градиент давления, направленный от артерий к артериолам и капиллярам и от периферических вен к центральным.Таким образом кровяное давление уменьшается в следующем направлении: аорта — артериолы — капилляры — венулы — крупные вены — полые вены. Благодаря этому градиенту кровь течет от сердца к артериолам, затем к капиллярам, венулам, венам и обратно к сердцу. Максимальное давление, достигаемое в момент выброса крови из сердца в аорту, называется систолическим (СД). Kогда после выталкивания крови из сердца аортальные клапаны захлопываются, давление падает до величины, соответствующей так называемому диастолическому давлению (ДД). Разница между систолическим и диастолическим давлением называется пульсовым давлением. Среднее давление (Ср. Д) можно определить, измерив, площадь, ограниченную кривой давления, и разделив ее на длину этой кривой.
Среднее давление в различных областях сосудистого русла
В состоянии покоя (I), при расширении (II) и сужении (III) сосудов. В крупных венах, расположенных около сердца (полые вены), давление при вдохе может быть несколько ниже атмосферного.
Ср. Д = (площадь под кривой) / (длина кривой)
Kолебания кровяного давления обусловлены пульсирующим характером кровотока и высокой эластичностью и растяжимостью кровеносных сосудов. В отличие от изменчивых систолического и диастолического давлений среднее давление относительно постоянно. В большинстве случаев его можно считать равным сумме диастолического и 1/3 пульсового:
Pcp. = Pдиаст. + [(Рсист. — Pдиаст.) / 3]
Скорость распространения пульсовой волны зависит от размера и упругости сосуда. В аорте она составляет 3—5 м/с, в средних артериях (подключичной и бедренной) — 7—9 м/с, в мелких артериях конечностей — 15—40 м/с.
Уровень артериального давления зависит от ряда факторов: количества и вязкости крови, поступающей в сосудистую систему в единицу времени, емкости сосудистой системы, интенсивности оттока через прекапиллярное русло, напряжения стенок артериальных сосудов, физической нагрузки, внешней среды и. др.
При исследовании АД представляет интерес измерение следующих показателей: минимального артериального давления, среднего динамического, максимального ударного и пульсового.
Под минимальным или диастолическим давлением понимают наименьшую величину, которой достигает давление крови к концу диастолического периода.
Минимальное давление зависит от степени проходимости или величины оттока крови через систему прекапилляров, ЧСС и упруговязких свойств артериальных сосудов.
Среднее динамическое давление — это та средняя величина давления, которое было бы способно при отсутствии пульсовых колебаний давления дать такой же гемодинамический эффект, какой наблюдается при естественном, колеблющемся давлении крови, то есть среднее давление выражает энергию непрерывного движения крови. Среднее динамическое давление определяют по следующим формулам:
- Формула Хикэма:
Рm = A/3 + Pd
где Рm — среднее динамическое артериальное давление (мм рт. ст.); А — пульсовое давление (мм рт. ст.); Рd — минимальное или диастолическое артериальное давление (мм рт. ст.)
- Формула Вецлера и Рогера:
Pm = 0,42Рs + 0,58Рd
где Рs — систолическое, или максимальное давление, Рd — диастолическое, или минимальное, артериальное давление (мм рт. ст.).
- Довольно распространена формула:
Рm = 0,42А + Рd
где А — пульсовое давление; Рd — диастолическое давление (мм рт. ст.).
Максимальное, или систолическое давление — величина, отражающая весь запас потенциальной и кинетической энергии, которым обладает движущаяся масса крови на данном участке сосудистой системы. Максимальное давление складывается из бокового систолического давления и ударного (гемодинамический удар). Боковое систолическое давление действует на боковую стенку артерии в период систолы желудочков. Гемодинамический удар создается при внезапном появлении препятствия перед движущимся в сосуде потоком крови, при этом кинетическая энергия на короткий момент превращается в давление. Гемодинамический удар является результатом действия инерционных сил, определяемых как прирост давления при каждой пульсации, когда сосуд сжат. Величина гемодинамического удара у здоровых людей равна 10—20 мм. рт. ст.
Истинное пульсовое давление представляет собой разницу между боковым и минимальным артериальным давлением.
Для измерения АД пользуются сфигмоманометром Рива-Роччи и фонендоскопом.
На рис. Cистолическое и диастолическое давление приведены значения артериального давления у здоровых людей в возрасте от 15 до 60 лет и старше. С возрастом у мужчин систолическое и диастолическое давления растут равномерно, у женщин же зависимость давления от возраста сложнее: от 20 до 40 лет давление у них увеличивается незначительно, и величина его меньше, чем у мужчин; после 40 лет с наступлением менопаузы показатели давления быстро возрастают и становятся выше, чем у мужчин.
Систолическое и диастолическое давление в зависимости от пола и возраста.
У страдающих ожирением АД выше, чем у людей с нормальной массой тела.
При физической нагрузке систолическое и диастолическое АД, сердечный выброс и частота сердечных сокращений повышаются, равно как при ходьбе в умеренном темпе АД возрастает.
При курении систолическое давление может возрасти на 10—20 мм рт. ст. В покое и во время сна АД существенно снижается, особенно если оно было повышенным.
Артериальное давление повышается у спортсменов перед стартом, иногда уже за несколько дней до соревнований.
На артериальное давление влияют главным образом три фактора: а) частота сердечных сокращений (ЧСС); б) изменение периферического сопротивления сосудистого русла и в) изменение ударного объема или сердечного выброса крови.
Скачать:
У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ
Источник