9.5.3. Основные законы гемодинамики
Гемодинамика — раздел физиологии кровообращения, использующий законы гидродинамики
(физические явления движения жидкости в замкнутых сосудах) для исследования
причин, условий и механизмов движения крови в сердечно—сосудистой системе.
Гемодинамика определяется двумя силами: давлением, которое оказывает
влияние на жидкость, и сопротивлением, которое она испытывает при трении
о стенки сосудов и вихревых движениях.
Силой, создающей давление в сосудистой системе,
является сердце. У человека среднего возраста при каждом сокращении сердца в
сосудистую систему выталкивается 60—70 мл крови (систолический объем)
или 4—5 л/мин (минутный объем). Движущей силой крови служат разность
давлений, возникающая в начале и конце трубки.
Почти во всех отделах сосудистой системы кровоток
носит ламинарный характер — кровь движется отдельными слоями параллельно
оси сосуда. При этом слой, прилежащий к стенке сосуда, остается практически неподвижным,
по этому слою скользит второй, а по нему, в свою очередь, третий и т. д.
Форменные элементы крови составляют центральный, осевой поток, плазма движется
ближе к стенке сосуда. Следовательно, чем меньше диаметр сосуда, тем ближе
располагаются центральные слои к стенке и больше тормозится скорость их
движения из—за вязкого взаимодействия со стенкой. В целом это означает, что в
мелких сосудах скорость кровотока ниже, чем в крупных. В правильности этого
положения легко убедиться, сопоставив скорости кровотока в разных участках
сосудистого русла. В аорте она составляет 50—70 см/с, в артериях — от 40 до 10,
артериолах — 10—0,1, капиллярах — меньше 0.1, венулах — меньше 0,3, венах — 0,3—5,0,
полой вене — 5—20 см/с.
Наряду с ламинарным в сосудистой системе существует турбулентное
движение с характерным завихрением крови. Частицы крови перемещаются не
только , параллельно оси сосуда, как при ламинарном кровотоке, но и
перпендикулярно ей. Результатом такого сложного перемещения является
значительное увеличение внутреннего трения жидкости. В этом случае объемная
скорость тока крови будет уже не пропорциональной градиенту давления, а
примерно равной квадратному корню из него. Турбулентное движение обычно
возникает в местах разветвлений и сужений артерий, в участках крутых изгибов
сосудов.
Кровь представляет собой взвесь форменных элементов в
коллоидно—солевом растворе, она обладает определенной вязкостью, не
являющейся величиной постоянной. При протекании крови через капилляр, диаметр
которого меньше 1 мм, вязкость уменьшается. Последующее уменьшение диаметра
капилляра еще более уменьшает вязкость протекающей крови. Этот гемодинамический
парадокс объясняется тем, что во время движения крови эритроциты
сосредоточиваются в центре потока. Пристеночный же слой состоит из чистой
плазмы с гораздо меньшей вязкостью, по которому легко скользят форменные
элементы. В итоге улучшаются условия тока крови и происходит снижение перепадов
давления, что, в общем, компенсирует увеличение вязкости крови и снижение
скорости ее тока в мелких артериях. Переход от ламинарного движения крови к
турбулентному сопровождается значительным ростом сопротивления течению крови.
Соотношение между характером течения
жидкости в жестких трубках и давлением обычно определяют по формуле
Пуазейля. Используя эту формулу, можно вычислить сопротивление R току крови в зависимости от ее вязкости ή, длины
l и
радиуса r сосуда:
R=8lή/πr2
Сосудистую систему в целом можно представить в виде
последовательно и параллельно соединенных трубок разной длины и диаметра. В
случае последовательного соединения общее сопротивление составляет сумму
сопротивлений отдельных сосудов: R = R1+ R2
+ … + Rn.При параллельном соединении величину
сопротивления вычисляют по другой формуле: 1/R = 1/R1 + 1/R2 + ... + + 1/Rn. Учитывая
сложность геометрии сосудов целого организма, ее непостоянство, зависящее от
открытия и закрытия шунтов, коллатералей, степени сокращения гладких мышц,
эластичности стенок, изменения вязкости крови и других причин, в реальных
условиях рассчитать величину сосудистого сопротивления трудно. Поэтому его
принято определять как частное от деления кровяного давления Р на
минутный объем крови Q:
R = P/Q.
Для всей сосудистой системы организма в целом эта
формула применима лишь при том условии, если в конце системы, т. е. в полых
венах вблизи места их впадения в сердце, давление будет близким к нулю.
Соответственно при необходимости вычисления сопротивления отдельного участка
сосудистой системы формула приобретает вид
R=Р1—Р2/Q
Значения P1 и P2 отражают давление в начале и конце определяемого
участка.
Основная кинетическая энергия, необходимая для движения крови, сообщается ей
сердцем во время систолы. Одна часть этой энергии расходуется на проталкивание крови,
другая — превращается в потенциальную энергию растягиваемой во время систолы
эластичной стенки аорты, крупных и средних артерий. Их свойства зависят от
наличия эластических и коллагеновых волокон, растяжимость которых примерно в
шесть раз выше, чем, например, резиновых нитей той же толщины. Во время
диастолы энергия стенки аорты и сосудов переходит в кинетическую энергию
движения крови.
Кроме эластичности и растяжимости, т. е. пассивных
свойств, сосуды обладают еще способностью активно реагировать на изменение в
них кровяного давления. При повышении давления гладкие мышцы стенок сокращаются
и диаметр сосуда уменьшается. Таким образом, пульсирующий ток крови,
создаваемый функцией сердца, благодаря особенностям аорты и крупных сосудов
выравнивается и становится относительно непрерывным.
Основными показателями гемодинамики являются объемная скорость, скорость кругооборота
крови, давление в разных областях сосудистой системы.
Объемная скорость движения крови характеризует ее количество (в миллилитрах), протекающее
через поперечное сечение сосуда за единицу времени (1 мин). Объемная скорость
кровотока прямо пропорциональна перепаду давления в начале и конце сосуда и
обратно пропорциональна его сопротивлению току крови. В организме отток крови
от сердца соответствует ее притоку к нему. Это означает, что объем крови,
протекающей за единицу времени через всю артериальную и всю венозную систему
большого и малого круга кровообращения, одинаков.
Линейная скорость движения крови (v)
характеризует скорость перемещения ее частиц вдоль сосуда при ламинарном
потоке. Она выражается в сантиметрах в секунду и определяется как отношение
объемной скорости кровотока Q к площади
поперечного сечения сосуда πr2:
v=Q/πr2
Полученная таким образом величина является сугубо средним
показателем, так как, согласно законам ламинарного движения, скорость
перемещения крови в центре сосуда является максимальной и падает в слоях,
прилежащих к сосудистой стенке.
Линейная скорость кровотока различна и в отдельных
участках сосудистого русла по ходу сосудистого дерева. Она зависит от общей
суммы площади просветов сосудов этого калибра в рассматриваемом участке.
Наименьшим поперечным сечением характеризуется аорта, в связи с чем и скорость
движения крови в ней самая большая — 50—70 см/с. Наибольшей суммарной площадью
поперечного сечения обладают капилляры, у млекопитающих она приблизительно в
600—800 раз больше площади поперечного сечения аорты. Соответственно и скорость
крови здесь около 0,05 см/с. В артериях она составляет 20—40 см/с, в артериолах
— 0,5 см/с. В силу того, что при слиянии вен их суммарный просвет уменьшается,
линейная скорость кровотока снова возрастает, достигая в полой вене 20 см/с
(рис. 9.30).
Кровь выталкивается отдельными порциями, поэтому
кровоток в аорте и артериях пульсирует. При этом его линейная скорость
возрастает в фазе систолы и снижается во время диастолы. В капиллярной сети в
силу особенностей строения предшествующих ей артерий пульсовые толчки исчезают
и линейная скорость кровотока приобретает постоянный характер.
|
Рис. 9.30 Соотношение
объемной и линейной скоростей кровотока в разных отделах сосудистого русла А —
линейная скорость кровотока по ходу сосудистого русла; Б — различные по высоте, но равные по
объему цилиндры, изображающие суммарную объемную скорость кровотока; В — суммарный просвет сосудов: 1 — артерии, 2 — капилляры, 3 — вены
(капиллярный просвет должен превышать просвет аорты в 600—800 раз); hi,
h2, h3 — высота цилиндра (длина отрезка сосуда); SI, S2, S3 —
суммарный просвет сосудов в разных отделах русла. |
Скорость кругооборота крови отражает время, за которое частица крови проходит
большой и малый круг кровообращения. Для определения скорости кругооборота обычно
используют введение радиоактивной метки с последующим контролем ее появления в
соответствующей области. У различных насекомых время кругооборота равно 20—30
мин, у крабов — 37—65 с, у кролика — 7 с, у собаки — 16 с. У человека
минимальное время полного кругооборота составляет 20—23 с. При этом на
прохождение малого круга кровообращения приходится около 1/5 времени, а на
прохождение большого — нередко 4/5.