6. Задания для самоподготовки

1 – Представить эквивалентную электрическую схему ССС

2 – Построить и объяснить график распределения давления в ССС

3 – Построить и объяснить график распределения скорости в ССС

4 – Объяснить механизм распространения пульсовой волны

5 – Объяснить причины возрастания скорости пульсовой волны с возрастом

Литература, рекомендуемая для самоподготовки:

Основная

1 – «Медицинская и биологическая физика» 7-е изд., Ремизов А.Н. и др. Издательство Дрофа. 2007 (можно более ранние издания)

2 – «Биофизика» - Антонов В. Ф., и другие. Издательство: Владос. 2006

3 – « Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитации: Лекции и семинары.» - Федорова В.Н., Степанова Л.А. Издательство: ФИЗМАТЛИТ. 2005

4 – «Медицинская биофизика» Самойлов В.О. СПб: Издательство: СпецЛит Учебник для вузов - 2004.

Дополнительная

1 Биофизика. Учебник для студентов фармацевтических и медицинских Вузов; Рыбари; 2004 г.

Интернет - Электронная библиотека (можно скачать бесплатно):

1 - Медицинская биофизика В книге рассмотрены основные вопросы медицинской биофизики в соответствии с учебной программой с изучением системы физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. В учебнике пять разделов: транспорт веществ через биологические мембраны (биомембранология), биоэнергетика, биологическая электродинамика, биомеханика, информация и регулирование в биологических системах. В каждом из разделов приводятся примеры нарушения основных биофизических процессов при патологии. В Приложении приводятся справочные таблицы физических констант и единиц перевода в СИ. Издание соответствует государственным образовательным стандартам учебных дисциплин «Медицинская биофизика» направления бакалаврской подготовки «Техническая физика», специальностям «Биоинженерная физика» и «Медицинская биофизика». Учебник предназначен для студентов технических университетов и в качестве дополнительной литературы для студентов медицинских вузов. Автор книги:  Самойлов В. О. Название книги:  Медицинская биофизика Издательство:  СПб.: СпецЛит, 2004 ISBN:  5-299-00277-7 http://www.sma.kz/about/structure/lib2/lib/

2 - Биофизика Рубин А.Б. 1999. http://www.library.biophys.msu.ru/rubin/

Вопросы для самоподготовки

- по базисным знаниям:

• уравнение Бернулли

• уравнение Пуазейля

• статическое давление, динамическое давление, гидростатическое давление и их взаимозависимость

- по данной теме:

● работа сердца – это основной фактор движения крови

● вспомогательные факторы продвижения крови по сосудам

● распределение давления в ССС

● график изменения скорости в ССС

● пульсовая волна

● эквивалентная электрическая схема ССС

● измерение давления

● число Рейнольдса

Краткая теория

Работа сердца – это основной фактор движения крови по сосудам. Сердце обеспечивает движение крови по большому и малому кругу. Величину работы можно определить по формуле . Объем крови, проходящей через левую и правую половину сердца за одно сокращение, является постоянной величиной, а давление отличается в 5 раз. Следовательно, работа левого желудочка больше работы правого желудочка тоже в 5 раз. Затраты энергии в большом круге являются преобладающими. Поэтому целесообразно начать рассмотрение процесса движения крови с этого участка сердечно сосудистой системы (Рис. 1).

П

ри сокращении левого желудочка открывается аортальный клапан, и кровь поступает в аорту. Начальный объем желудочкауменьшается до конечной величины. Разностьполучила название «ударный объем».

Массу крови, выбрасываемой в аорту, можно определить по формуле . При ударном объеме и плотности масса равна .

Во время сокращения левого желудочка кровь выбрасывается в аорту под давлением P =120 мм рт. ст. В этот период, называемый диастолой, аорта и последующие эластичные сосуды растягиваются. Они приобретают потенциальную энергию. За счет этой энергии осуществляется дальнейшее движение крови, когда закрыт аортальный клапан.

Вспомогательные факторы продвижения крови по сосудам дополняют работу основного фактора. Их деятельность обусловлены тремя разными механизмами воздействия на жидкость.

1. Сокращение растянутых сосудов. В конце выброса всего ударного объема закрывается аортальный клапан. Давление падает до P=80 мм рт. ст. В последующий период, называемый диастолой, эластичные сосуды сокращаются. Их потенциальная энергия уменьшается и переходит в кинетическую энергию движения крови. Тем самым поддерживается кровоток в сосудах, когда закрыт аортальный клапан.

2 Наличие клапанного аппарата в венах в сочетании с работой скелетных мышц. Это приводит к тому, что кровь поднимается от ступней к сердцу. У идущего человека при сокращении мышц жидкость двигается в направлении, противоположном воздействию гравитационного поля. Когда мышцы расслаблены, клапаны закрываются и не позволяют жидкости течь в обратном направлении.

3

. Подсасывающее действие грудной клетки. Оно возникает при работе легких. Во время вдоха в полых венах образуется пониженное давление, под действием которого кровь поступает в предсердия.

Распределение давления в ССС обусловлено теми функциями, которые выполняет каждый ее участок. Однако величина p постоянно падает на всем протяжении от аорты до полых вен. График изменения давления в зависимости от суммарной площади поперечного сечения основных сосудов показан на рисунке 2а. В аорте и артериях давление изменяется также и во времени. Поэтому на графике показаны две линии, которые соответствуют максимальному и минимальному значениям p. Из эластичных сосудов амплитуда изменения давления наибольшая в аорте. Величина p колеблется в пределах от 120 до 80 мм ртутного столба. В крупных и мелких артериях размах колебаний уменьшается пропорционально их диаметру.

Артериолы можно рассматривать как жесткие сосуды малого радиуса. Их высокое гемодинамическое сопротивление приводит к резкому падению давления от 70 мм рт. ст. в начале артериолы до 30 мм рт. ст. на аортальном конце капилляра. Но 30 мм рт. ст. достаточно, чтобы обеспечить фильтрацию жидкости на этом участке. На венозном конце капилляра 10 мм рт. ст. позволяет жидкости вновь поступать в ССС, но теперь уже за счет осмоса.

График изменения скорости в ССС показан на рис 2б. Самая большая величина наблюдается в аорте. Наименьшего значения скоростьдостигает в капиллярах. Тогда время движения жидкости по сосуду длинойl=1ммбудет равно 2 с. Этого времени достаточно, чтобы произошел обмен продуктами жизнедеятельности между жидкостью внутри капилляра и вне его. В венах величинавозрастает и достигает максимума у входа в предсердие

П

ульсовая волна представляет собой движение фронта, разделяющего растянутые и не растянутые части сосуда (Рис.3). Растяжение аорты начинается с участка, находящегося у клапана. Далее оно распространяется по крупным и мелким артериям. Возникает волна повышенного давления, проявление которой мы наблюдаем в виде пульса. В аорте среднее давление на растянутом участке составляет 120 мм рт.ст., а диаметр сосуда достигает максимума. Среднее давление на нерастянутом участке равно 80 мм рт ст, а радиус сосуда минимален. Быстрота перемещения фронта повышенного давления характеризуется скоростью пульсовой волны, которая пропорциональна . С возрастомувеличивается поскольку уменьшается эластичность мышечной ткани (возрастает модуль Юнга ), уменьшается внутренний радиус и возрастает толщина стенок сосудов.

На рисунке 4 показано состояние сосудов у людей вначале и конце жизненного пути. У молодого человека модуль Юнга и толщина стенки меньше, чем соответствующие величины у старика. В то же время внутренний радиус из-за склеротических изменений у пожилого человека меньше. Зависимость от всех трех величин такова, что скорость пульсовой волны с возрастом увеличивается.

Эквивалентная электрическая схема ССС позволяет провести аналогию между работой простейшего выпрямителя и механикой продвижения крови по сосудам. Схема выпрямителя состоит из генератора, диода, катушки индуктивности, конденсатора и резистора (Рис.5). В генераторе происходит периодическое изменение ЭДС. Аналогичным образом периодически изменяется давление в желудочке в результате растяжения и сокращения его стенок.

Д

иод обладает свойством пропускать ток только в одном направлении. Подобную функцию выполняет клапан. Его задача состоит в том, чтобы не допустить движения крови обратно в желудочек во время диастолы.

Катушка индуктивности препятствует скачкообразному изменению величины направленного движения заряженных частиц. Она является инерционным по току элементом электрической цепи. Аналогичным образом движущаяся кровь обладает инерционными свойствами. Скорость ее движения не может изменяться скачкообразно.

Заряд конденсатора соответствует растяжению стенок эластичных сосудов. Заряженный конденсатор обладает энергией электрического поля, также как растянутый сосуд в период систолы запасает потенциальную энергию. При разряде конденсатора энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля. Аналогичным образом при сокращении растянутых аорты и артерий в период диастолы потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию движения крови.

В выпрямителе активное сопротивление препятствует движению заряженных частиц, что приводит к резкому падению напряжения на этом элементе электрической цепи. В равной степени гемодинамическое сопротивление наиболее активно проявляет себя при движении крови артериоллах. Это и вызывает наиболее резкое падение давления в артериоллах по сравнению с другими участками ССС.

И

змерение давления предполагает ряд этапов. Сначала в манжету нагнетается воздух, чтобы перекрыть движение крови по артерии. В этом случае наблюдается отсутствие пульса и шума. Затем воздух медленно выпускается, и фиксируются показания манометра в момент появления шума или пульса. В норме величина давления составляет 120 мм рт ст. Наличие пульса или шума обусловлено частичным открытием сосуда и началом движения крови через небольшое отверстие (Рис.6). Большая скорость и малый радиус при расчете числа Рейнольдса дают величину выше критического значения. Движение крови является турбулентным, что и создает шумовой эффект. При дальнейшем выходе воздуха из манжеты показания манометра уменьшаются. Наступает момент исчезновения звука. Фиксируемое в данный момент давление называется диастолическим и в норме составляет 80 мм рт ст .

Число Рейнольдса обычно используется при определении характера движения жидкости. Для каждой жидкости существует критическое значение этого числа, выше которого движение становится турбулентным. Например, во время выброса крови в аорту скорость может возрасти до 80 см/с и более. При диаметре самого широкого сосуда D = 3 cм число Рейнольдса превышает критическое значение. Возникают характерные для турбулентного движения шумы в сердце.

В лучевой артерии скорость уменьшается до 20 см/с, а диаметр до 5 мм. В таком случае число меньше критического значения и движение крови является ламинарным. В то же время при измерении давления в момент открытия артерии ее диаметр хотя и небольшой, но резко возрастает величина скорости. Число Рейнольдса достигает критического значения. Возникает турбулентное движение крови. Слышен характерный звук, а соответствующее давление фиксируется как диастолическое.

Лабораторная работа

Измерение артериального давления в плечевой артерии

Цель работы:

Измерить давление методом Рива-Рочи и методом Короткова. Сопоставить особенности каждого метода.

Научиться практическим приёмам определения систолического давления и диастолического давления.

Приборы и оборудование:

1. Фонендоскоп

2 Тонометр с манжетой