Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_3984_Библиотеки_им_академика_М_И_Перельмана
.pdf
31
Физиологические аспекты ЭКМО
ными газовой и жидкостной средами изложены в виде двух законов
Дальтона.
Закон Дальтона о суммарном давлении смеси газов гласит,
что общее давление смеси химически не взаимодействующих иде-
альных газов равно сумме парциальных давлений.
12
1
.
n
in
i
Pppp p
Закон Дальтона о растворимости компонентов газовой
смеси указывает на то, что при постоянной температуре раствори-
мость в данной жидкости каждого из компонентов газовой смеси,
находящейся над жидкостью, пропорциональна их парциальному
давлению.
.
i
i
p
m
P
При этом необходимо отметить, что оба закона Дальтона полно-
стью применимы в том случае, если газы являются идеальными, для
которых потенциальной энергией взаимодействия молекул можно
пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между мо-
лекулами идеального газа не действуют силы притяжения или от-
талкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда
абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пре-
небрежимо мало по сравнению со средним временем между столк-
новениями. Модель идеального газа используется для решения задач
термодинамики газов и аэрогазодинамики. Например, воздух при
атмосферном давлении и комнатной температуре с большой точ-
ностью описывается данной моделью, что в принципе также приме-
нимо и к взаимодействию газовой и кровяной сред при осуществле-
нии экстракорпорального газообмена в мембранном оксигенаторе.
Для реальных газов эти законы растворимости газов Дальтона упот-
ребимы при условии, если их растворимость невелика, а поведение
близко к поведению идеального газа. В случае экстремальных тем-
ператур или давлений требуется применение более точной модели,
например модели газа Ван-дер-Ваальса, в котором учитывается при-
тяжение между молекулами.
В газовой фазе парциальное давление (Р), концентрация (С) и
молярная доля эквивалентны. Ситуация с CO
2
и O
2
, содержащимися
в крови, не полностью соответствует закономерностям, примени-
мым к газам, растворенным в других жидкостных средах. Это затруд-
няет в определенной мере более точную количественную оценку
трансмембранного переноса О
2
и СО
2
при осуществлении экстра-
32
С.В. ГОТЬЕ, В.Н. ПОПЦОВ, Е.А. СПИРИНА
корпорального газообмена в оксигенаторе. Когда кровь находится
под воздействием атмосферного давления, то на уровне моря пар-
циальное давление или напряженность всех газов, растворенных в
крови, не может превышать 760 мм рт. ст. В частности, зависимость
содержания О
2
от величины его парциального давления носит ли-
нейный характер только на относительно небольшом диапазоне
прироста парциального давления – до 80 мм рт. ст., дальнейшее по-
вышение РО
2
не приводит к существенному увеличению содержания
О
2
в крови, что хорошо отражено на кривой диссоциации оксиге-
моглобина (рис. 5). Содержание СО
2
в крови также линейно не за-
висит от его парциального напряжения, что связано с химическим
взаимодействием последнего с различными веществами, в частнос-
ти с бикарбонатом, аминогруппой белковых молекул, гемоглобином.
C учетом того что и О
2
, и СО
2
взаимодействует с различными вещест-
вами, находящимися в крови, то содержание О
2
и СО
2
в крови значи-
тельно превышает количество, которое должно быть в соответствии
с физическими закономерностями.
а
б
Рис. 5. Кривая диссоциация оксигемоглобина цельной крови: а – влияние
изменения рН крови на сродство гемоглобина к O
2
; б – влияние изменения
температуры на сродство гемоглобина к О
2
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
33
Физиологические аспекты ЭКМО
Диффузия газов через мембрану оксигенатора
Транспорт газов (О
2
, СО
2
) в оксигенаторе осуществляется посред-
ством диффузии, под которой подразумевают процесс взаимного
проникновения молекул одного вещества между молекулами друго-
го, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концент-
раций по всему занимаемому объему. Традиционно под диффузией
подразумевают перенос вещества из области высокой концентра-
ции в область низкой концентрации, т. е. по концентрационному
градиенту, что наблюдается при перемещении веществ через полу-
проницаемую мембрану (рис. 6), в частности и через мембрану ок-
сигенатора. В определенных ситуациях возможен перенос веществ
в противоположном направлении из области с высокой концентра-
цией в область с низкой концентрацией (против градиента концен-
трации).
Рис. 6. Схема диффузии через полупроницаемую мембрану по концентра-
ционному градиенту
Закономерности протекания процесса диффузии описываются
с помощью законов диффузии Фика [Fick’s laws of diffusion], сфор-
мулированных в 1858 г. германским физиологом Адольфом Фиком.
Законы диффузии Фика определяют объемную скорость потока
диффузии в идеальных растворах при отсутствии внешних воздейс-
твий. Если 1-й закон диффузии описывает отношения между пере-
менными, которые не изменяются со временем, и устанавливает
пропорциональность диффузионного потока частиц по градиенту
их концентраций, неизменных во времени, то 2-й закон диффузии
34
С.В. ГОТЬЕ, В.Н. ПОПЦОВ, Е.А. СПИРИНА
Фика – отношения между переменными, меняющимися во време-
ни, т. е. описывает изменение концентраций, обусловленное самим
процессом диффузии, приводящим к изменению градиента концен-
траций.
1-й закон Фика гласит, что если осуществляется диффузия опреде-
ленного вещества из слоя среды с большей концентрацией (C1) дан-
ного вещества в направлении слоя среды с меньшей концентрацией
(C2) данного вещества через пограничный слой среды с определен-
ной площадью (s) и определенной толщины (l), то при отсутствии
внешних воздействий плотность потока диффузии (m) данного ве-
щества (плотность потока диффузанта, или плотность диффузион-
ного потока; 1/м
2
с или кг/м
2
с) прямо пропорциональна градиенту
концентрации, площади слоя (s) диффузии и обратно пропорцио-
нальна его длине (l) (рис. 7):
m = –D · gradC · s/l,
где gradC
~
d(C1 – C2).
Рис. 7. Отношения между переменными, определяющими объемную ско-
рость потока диффузии в соответствии с 1-м законом Фика (по Nunn J.F.
Applied respiratory physiology, with special reference to anaesthesis, London,
Butterworth, 1969)
Градиент концентрации (gradC) направлен по нормали к поверх-
ности пограничного слоя. За положительное направление этого век-
тора принимается направление в сторону возрастания концентра-
ции. Поток диффузанта имеет определенное направление от среды
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
35
Физиологические аспекты ЭКМО
с более высокой концентрацией к среде с более низкой концентра-
цией диффузанта. Знак минус указывает на то, что поток вещества
направлен в сторону уменьшения концентрации. Вследствие этого
в изолированной системе имеется тенденция к исчезновению кон-
центрационных градиентов.
Коэффициент диффузии, или диффузионность (D) – количест-
венная характеристика скорости диффузии, равная количеству ве-
щества (в массовых единицах), проходящего в единицу времени
через участок единичной площади (например, 1 м
2
) при градиен-
те концентрации, равном единице (соответствующем изменению
1 моль/л → 0 моль/л на единицу длины). Коэффициент диффу-
зии (D) – это постоянная величина, зависящая от свойств диффу-
зионной среды и природы диффузанта, имеющая размерность
площадь/время (см
2
/с, м
2
/с). D определяется свойствами среды (на-
пример, температуры) и типом диффундирующих частиц.
Зависимость коэффициента диффузии от температуры в про-
стейшем варианте выражается законом Аррениуса:
exp ,
0
a
E
DD
KT
где D – коэффициент диффузии (м
2
/сек); E
a
– энергия активации
(Дж); k – постоянная Больцмана; T – температура (K).
Кинетическая теория постулирует, что коэффициент диффузии
пропорционален скорости движения молекул газа, которая в соот-
ветствии с законом Грэма (Graham) обратно пропорциональна квад-
ратному корню его молекулярной массы. Коэффициент диффузии
газа также пропорционален его растворимости, что дополнительно
осложняет расчет и анализ переноса газа. Необходимо понимать,
что независимо от того, является газообменная мембрана натураль-
ной (альвеолокапиллярная) или искусственной (мембрана оксиге-
натора), трансмембранный перенос из газа в кровь (для О
2
) или, на-
оборот, из крови в газ (для СО
2
) определяется не только процессом
диффузии, подчиняющимся законам Фика, но и процессами связы-
вания (О
2
) или отдачи (СО
2
) из эритроцитов, имеющих свои законо-
мерности. Кроме того, сам процесс диффузии газов кровь, в частнос-
ти О
2
, при осуществлении экстракорпорального газообмена может
иметь более сложный, комплексный характер, не соответствующий в
полной мере законам Фика, из-за возможности существования одно-
временно нескольких барьеров для диффузии и переменчивых зна-
чений коэффициентов диффузии. Перенос газа посредством диффу-
зии может быть увеличен за счет увеличения разницы парциального
давления между газовой и жидкостной средами, площади диффузи-
онной поверхности и/или уменьшения диффузионной дистанции.
36
С.В. ГОТЬЕ, В.Н. ПОПЦОВ, Е.А. СПИРИНА
Таким образом, хотя с формальной точки зрения процесс
трансмембранного газообмена в оксигенаторе можно представить
как диффузию через газопроницаемую мембрану газа из внешней
газовой среды в кровь и наоборот, количественная и качественная
сторона этого процесса зависит от многих дополнительных факто-
ров, которые необходимо учитывать при проведении ЭКМО.
С учетом того, что кровь является вязкой жидкостью, ее протека-
ние через ограниченное со всех сторон пространство подчиняется
определенным физическим закономерностям (гидродинамики),
которые также могут влиять на характер движения крови через ок-
сигенатор и эффективность экстракорпорального кровообраще-
ния.
В простом виде прохождение крови через оксигенатор можно
представить в виде ее течения через цилиндр, т. е. ограниченное со
всех сторон пространство. Особенностью движения крови как вяз-
кой жидкости является неравномерность скоростей ее отдельных
слоев в целостном потоке. Скорость крови может быть минималь-
ной (вплоть до нуля) в слоях, расположенных вблизи или непос-
редственно прилежащих к поверхности цилиндра, и наибольшей
в слоях, находящихся на максимальном удалении от стенок ци-
линдра.
Участки потока жидкости, где имеются различия в скоростных
характеристиках течения жидкости, получили название погранич-
ных слоев жидкости. С физической точки зрения пограничный слой
трактуется как область течения вязкой жидкости (газа) с малой по
сравнению с продольными размерами поперечной толщиной, обра-
зующаяся у поверхности обтекаемого твердого тела или на границе
раздела двух потоков жидкости с различными скоростями, темпе-
ратурами или химическим составом. Пограничный слой характе-
ризуется резким изменением в поперечном направлении скорости
(динамический пограничный слой) или температуры (тепловой,
или температурный, пограничный слой) или же концентраций от-
дельных химических компонентов (диффузионный, или концен-
трационный, пограничный слой). На формирование течения в
пограничном слое основное влияние оказывают вязкость, тепло-
проводность и диффузионная способность жидкости (газа). Внутри
динамического пограничного слоя происходит плавное изменение
скорости от ее наибольшего значения во внешнем потоке до нуля у
поверхности (в частности, мембраны), что обусловлено прилипа-
нием вязкой жидкости к твердой поверхности (рис. 8). Аналогично
внутри пограничного слоя плавно изменяются температура и кон-
центрация.
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
37
Физиологические аспекты ЭКМО
Около твердой поверхности образуется диффузионный погра-
ничный слой, в пределах которого из-за отсутствия течения возмож-
на только молекулярная диффузия, скорость которой во много раз
ниже, чем у конвекционной диффузии.
Форма и скоростные характеристики пограничных слоев име-
ют большое значение, так как во многом определяют общую резис-
тентность потока жидкости. Необходимо учитывать, что в пределах
пограничного слоя возникает напряжение сдвига, которое пропор-
ционально изменению скорости в направлении, перпендикулярном
основному потоку и вязкости жидкости.
В реальных жидкостях при перемещении одних слоев относи-
тельно других возникают более или менее значительные силы тре-
ния. Со стороны слоя, движущегося более быстро, на слой, движу-
щейся медленнее, действует ускоряющая сила. Наоборот, со стороны
слоя, движущегося медленнее, на более быстрый слой действует сила,
замедляющая его движение. Эти силы, называемые силами внут-
реннего трения, направлены по касательной к поверхности слоев.
Свойство жидкости, связанное с наличием сил внутреннего трения,
называется вязкостью. Вязкость жидкости – это свойство жидкости
сопротивляться сдвигу ее слоев относительно друг друга, обусловли-
вающее силы внутреннего трения между слоями, имеющими различ-
ные скоростные характеристики движения. Ньютон эмпирически
Рис. 8. Течение жидкости в пограничном слое
38
С.В. ГОТЬЕ, В.Н. ПОПЦОВ, Е.А. СПИРИНА
установил, что силы внутреннего трения между двумя слоями могут
быть рассчитаны по формуле:
FS ,
z
(1)
где – коэффициент вязкости;
z
– градиент скорости, показывает
изменение скорости жидкости в направлении, перпендикулярном к
вектору скорости слоев; S – площадь соприкосновения слоев.
Коэффициент вязкости (η) зависит от вида жидкости и темпера-
туры. В СИ единицей η является Па с – размерность кг м
–1
с
–1
. Он
зависит от свойств жидкости, температуры и давления в жидкости.
Жидкости, у которых коэффициент вязкости не зависит от гради-
ента скорости, называются ньютоновскими, у которых зависит – не
ньютоновскими. Применительно к искусственному или вспомога-
тельному кровообращению необходимо учитывать, что кровь отно-
сится к не ньютоновским жидкостям, так как ее вязкость меняется в
зависимости от условий системного или экстракорпорального кро-
вотока. Важнейшим фактором, влияющим на вязкость крови, явля-
ется концентрация эритроцитов, которая различна в разных погра-
ничных слоях целостного потока крови.
Особенностью потока жидкости, включая кровь, является также
то, что по мере изменения его скоростных характеристик происхо-
дит изменение самого потока с возможностью перехода от ламинар-
ного к турбулентному характеру его течения (рис. 9). Для каждого
вида течения существует критическое число Рейнольдса, Re
кр
, кото-
рое определяет переход от ламинарного характера течения к турбу-
лентному. При Re < Re
кр
течение происходит в ламинарном режиме,
при Re > Re
кр
возможно возникновение турбулентности. Значение
критического числа Рейнольдса, при котором происходит переход
в пограничном слое ламинарного течения в турбулентное, зависит
от неровности обтекаемой поверхности, турбулентности внешнего
потока и других факторов. При этом переход ламинарного режима
течения в турбулентный с возрастанием Re происходит в погранич-
ном слое не внезапно, а имеется переходная область, где попере-
менно чередуются ламинарный и турбулентный режимы. Одной из
важных проблем гидродинамики является определение положения
точки перехода от ламинарного течения к турбулентному. В отличие
от ламинарного при турбулентном характере течения на усреднен-
ное движение частиц жидкости в направлении основного потока на-
лагается хаотическое, пульсационное движение отдельных жидких
конгломератов, что приводит к увеличению тепло- и массопереноса,
к возрастанию коэффициента поверхностного трения. Примени-
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
39
Физиологические аспекты ЭКМО
тельно к потоку крови через оксигенатор завихрения, возникающие
при турбулентном потоке, опосредуют возникновение вторичных
потоков и изменение трансмембранного транспорта газов.
Критическое значение числа Рейнольдса зависит от особенностей
конкретного вида течения (течение в цилиндрической трубке, обте-
кание круглой поверхности и др.), изменения направления и модуля
вектора скорости потока, наличия шероховатой поверхности или
внутренних препятствий потоку. При турбулентном потоке возни-
кают спонтанные завихрения жидкости в нестабильных участках те-
чения. Такой поток будет иметь высокое значение числа Рейнольдса.
Возникновение турбулентности приводит к изменению скоро-
стных характеристик различных слоев жидкости – увеличению ско-
рости центральных и замедлению скорости периферических, рас-
положенных около поверхности, слоев жидкости. Появление более
выраженного градиента между скоростями отдаленных и прилежа-
щих к поверхности слоев вызывает усиление напряжения сдвига, что
может выступать дополнительным фактором повреждения формен-
ных элементов крови при искусственном или вспомогательном кро-
вообращении.
Вторичные потоки и экстракорпоральный газообмен
Оптимизация экстракорпорального газообмена может быть достиг-
нута за счет уменьшения влияния различных факторов, ограничива-
Рис. 9. Изменение характера потока жидкости у твердой поверхности
40
С.В. ГОТЬЕ, В.Н. ПОПЦОВ, Е.А. СПИРИНА
ющих диффузию газов в кровь (для О
2
) или из крови (для СО
2
). Следу-
ющие технологические решения были предложены для реализации
этой цели:
1) увеличение диффузионного градиента для О
2
;
2) удлинение времени для диффузии;
3) уменьшение диффузионной дистанции.
Одним из наиболее доступных способов увеличения диффу-
зионного градиента для О
2
является увеличение его парциально-
го напряжения в газовой среде (газотоке) за счет повышения FiO
2
.
В условиях нормального атмосферного давления предельно воз-
можный уровень парциального напряжения О
2
не может превы-
шать 760 мм рт. ст.
Другими технологическими решениями улучшения экстракорпо-
рального газообмена стали: увеличение временного интервала для
осуществления самого процесса диффузии и уменьшение диффузи-
онной дистанции. Удлинение временного интервала для диффузии
газов было достигнуто за счет увеличения площади газообменной
поверхности и объема крови, проходящего через оксигенатор за
единицу времени. Уменьшение диффузионной дистанции явилось
одним из эффективных механизмов улучшения экстракорпорально-
го газообмена. Первым предложенным технологическим решением
явилось компактное, близкое по отношению друг к другу располо-
жение поверхностей мембран при условии отсутствия значимого
повышения градиента давления по мере прохождения крови через
оксигенатор. Другим решением было искусственное создание за-
вихрений в потоке крови, или так называемых вторичных потоков,
которые способствуют перемешиванию и перемещению крови из
свободного потока в диффузионный (периферический) погранич-
ный слой, уменьшению его толщины, улучшению условий для диф-
фузии газов и экстракорпорального газообмена (рис. 10). Первона-
чально для образования завихрений, или вторичных потоков, было
предложено создать неровности на поверхности газопроницаемой
мембраны или искусственные препятствия на пути кровотока. Тех-
нологически более выгодным оказалось взаимно перпендикулярное
размещение газообменных и теплообменных мембранных капилля-
ров по отношению к кровотоку через оксигенанатор и по отноше-
нию друг к другу (рис. 11).
В дальнейшем стало понятно, что создание завихрений крови с
различными скоростными и вязкостными характеристиками может
способствовать усилению напряжения сдвига между различными
слоями крови, повышению градиента давления при прохождении
через оксигенатор и повреждению форменных элементов крови.
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана