Биомеханика Лекция 7. Биомеханика кровеносно-сосудистой системы.

Часть 2. Сердечно-сосудистая система.

Сердечно-сосудистая система – это сердце (насос для прокачивания крови) + кровеносные и лимфатические сосуды (гидравлическая сеть) + системы регуляции.

Общая протяжённость сети кровеносных сосудов около 100ˈ000 км. Различают малый круг кровообращения и большой круг кровообращения. Время оборота крови по малому кругу составляет 7-11 с, по большому – 20-25 с.

Наибольшую протяжённость в кровеносно-сосудистой системе имеют капилляры: их суммарная длина достигает 96ˈ000 км. Диаметр отверстия капилляра может быть меньше диаметра эритроцитов. Стенка капилляра представляет пористую перегородку, обладающую высокой проницаемостью. Диаметр пор достигает 100 нм. Избыточное давление крови в капиллярах способствует фильтрации жидкости из капилляров в ткани. При этом стенка капилляра работает как фильтр, обеспечивая обмен веществ между кровью и тканями организма.

Кровеносные сосуды отличаются строением, физико-механическими свойствами, размерами, гидравлическими сопротивлениями. Строение артерий отличается от строения вен. Артерии заметно толще и эластичнее, чем вены. Они легче растягиваются и за счёт упругости стенок сглаживают пульсации давления крови. В естественном состоянии артерии растянуты: Δl≈0,4l (40%), где l – длина артерии in vivo. Основой стенок является упругий каркас, армированный волокнами коллагена и эластина.

Кровеносные сосуды разделяют на эластичные, смешанные и мышечные. К эластичным сосудам относят аорту, лёгочный ствол, лёгочные артерии, брахиоцефальный ствол, подключичную артерию, общую сонную артерию.

Функциональная классификация сосудов

Амортизирующие сосуды. Это аорта, лёгочная артерия и их крупные ветви, то есть сосуды эластичного типа. Специфическая функция этих сосудов – поддержание движущей силы кровотока в диастолу желудочков сердца. В этих сосудах сглаживается перепад давления между систолой, диастолой и покоем желудочков за счёт эластичных свойств стенок сосудов. В результате в период покоя давление в аорте поддерживается на уровне 80 мм рт.ст., что стабилизирует движущую силу, при этом эластичные волокна стенок сосудов отдают накопленную во время систолы потенциальную энергию растяжения и обеспечивают непрерывность тока крови и давление по ходу сосудистого русла. Эластичность аорты и лёгочной артерии смягчает также гидравлический удар крови во время систолы желудочков. Изгиб аорты повышает эффективность перемешивания крови (основное перемешивание, создание однородности транспортной среды выполняется в сердце).

Сосуды распределения. Это средние и мелкие артерии мышечного типа; их функция – распределение потока крови по всем органам и тканям организма. Вклад этих сосудов в общее сосудистое сопротивление небольшой и составляет 10-20%. При увеличении запроса ткани диаметр сосуда подстраивается к повышенному кровотоку в соответствии с изменением линейной скорости за счёт эндотелий зависимого механизма: при увеличении скорости сдвига пристеночного слоя крови апикальная мембрана эндотелиоцитов деформируется, и они синтезируют оксид азота NO, который снижает тонус гладких мышц сосуда, т.е. сосуд расширяется.

Сосуды сопротивления. К ним относят артерии диаметром меньше 100 мкм, артериолы, прекапиллярные сфинктеры, сфинктеры магистральных капилляров. На долю этих сосудов приходится около 50-60 % общего сопротивления кровотоку, с чем и связано их название. Сосуды сопротивления определяют кровоток системного, регионального и микроциркуляторного уровня. Изменения тонуса сосудов сопротивления обеспечивают перераспределение объёмного кровотока между органами и тканями: они перераспределяют кровоток между работающими и неработающими микрообластями, т.е. управляют микроциркуляцией. Сосуды сопротивления распределяют кровоток между обменной и шунтовой цепями, определяют количество функционирующих капилляров. Так, включение в работу одной артериолы обеспечивает кровоток в 100 капиллярах.

Обменные сосуды (капилляры). По строению стенки, выделяют три типа капилляров:

-) Сплошные (соматические) капилляры. Межклеточные щели имеют ширину 4-5 нм (межэндотелиальные поры). Через поры такого диаметра проходят вода, водорастворимые неорганические и низкомолекулярные органические вещества (ионы, глюкоза, мочевина), а для более крупных водорастворимых молекул стенка капилляров является барьером. Этот тип капилляров представлен в скелетных мышцах, коже, лёгких, центральной нервной системе.

-) Окончатые (висцеральные) капилляры. От сплошных капилляров отличаются тем, что имеют поры диаметром 20-40 нм, называемые фенестрами. Через фенестры могут проходить крупные органические молекулы и белки, необходимые для деятельности клеток или образующиеся в ней. Капилляры этого типа находятся в слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта, в почках, железах внутренней и внешней секреции.

-) Несплошные (синусоидные) капилляры. У них нет базальной мембраны, а межклеточные поры имеют диаметр до 10-15 нм. Такие капилляры имеются в печени, селезёнке, красном костном мозге; они хорошо проницаемы для любых веществ и даже для форменных элементов крови, что связано с функцией соответствующих органов.

Шунтирующие сосуды. К ним относят артериоловенулярные анастомозы. Их функции – шунтирование кровотока. Истинные анатомические шунты (артериоловенулярные анастомозы) есть не во всех органах. Наиболее типичны эти шунты для кожи: при необходимости уменьшить теплоотдачу кровоток по системе капилляров прекращается и кровь (тепло) сбрасывается по шунтам из артериальной системы в венозную. В других тканях функцию шунтов при определённых условиях могут выполнять магистральные капилляры и даже истинные капилляры (функциональное шунтирование). В этом случае также уменьшается транскапиллярный поток тепла, воды, других веществ и увеличивается транзитный перенос в венозную систему. В основе функционального шунтирования лежит несоответствие между скоростями конвективного и транскапиллярного потока веществ. Например, в случае повышения линейной скорости кровотока в капиллярах некоторые вещества могут не успеть продиффундировать через стенку капилляра и с потоком крови сбрасываются в венозное русло; прежде всего это касается водорастворимых веществ, особенно медленно диффундирующих. Кислород также может шунтироваться при высокой линейной скорости кровотока в коротких капиллярах.

Ёмкостные (аккумулирующие) сосуды. Это посткапиллярные венулы, венулы, мелкие вены, венозные сплетения и специализированные образования – синусоиды селезёнки. Их общая ёмкость составляет около 50% всего объёма крови, содержащейся в сердечно-сосудистой системе. Функции этих сосудов связаны со способностью изменять свою ёмкость, что обусловлено рядом морфологических и функциональных особенностей ёмкостных сосудов.

Посткапиллярные венулы образуются при объединении нескольких капилляров, диаметр их около 20 мкм, они в свою очередь объединяются в венулы диаметром 40-50 мкм. Венулы и вены широко анастомозируют друг с другом, образуя венозные сети большой ёмкости. Ёмкость их может меняться. В замкнутой сосудистой системе изменение ёмкости одного отдела влияет на объём крови в другом, поэтому изменения ёмкости вен влияют на распределение крови во всей системе кровообращения. Ёмкостные сосуды регулируют наполнение сердечного насоса, а следовательно, и сердечный выброс. Они сглаживают (демпфируют) резкие изменения объёма крови, направляемой в полые вены, осуществляют временное (за счёт снижения скорости кровотока) или длительное (синусоиды селезенки) депонирование крови, регулируют линейную скорость кровотока в органах и давление крови в капиллярах, т.е. влияют на процессы диффузии и фильтрации.

Венулы и вены богато иннервированы симпатическими волокнами. Пассивные изменения ёмкости вен могут возникать при сдвигах трансмурального давления, например, в скелетных мышцах после интенсивной работы, в результате снижения тонуса мышц и отсутствия их ритмической деятельности; при переходе из положения лежа в положение стоя под влиянием гравитационного фактора (при этом увеличивается ёмкость венозных сосудов ног и брюшной полости, что может сопровождаться падением системного артериального давления).

Временное депонирование связано с перераспределением крови между ёмкостными сосудами и сосудами сопротивления в пользу ёмкостных и снижением линейной скорости циркуляции. В состоянии покоя до 50% объёма крови функционально выключено из кровообращения: в венах подсосочкового сплетения кожи может находиться до 1 л крови, в печеночных – до 1 л, в лёгочных – до 0,5 л. Длительное депонирование – это депонирование крови в селезёнке в результате функционирования специализированных образований – синусоидов (истинных депо), в которых кровь может задерживаться на длительное время и по мере необходимости выбрасываться в кровоток.

Сосуды возврата крови в сердце. Это средние, крупные и полые вены, выполняющие роль коллекторов, через которые обеспечивается отток крови, возврат её к сердцу. Ёмкость этого отдела венозного русла составляет около 18% и в физиологических условиях изменяется мало (на величину менее 1/5 от исходной ёмкости). Вены, особенно поверхностные, могут увеличивать объём содержащейся в них крови за счёт способности стенок к растяжению при повышении трансмурального давления.