5. Механическая модель кровообращения (модель Франка)

Систему кровообращения составляют сердце и замкнутая система сосудов, образующих малый и большой круги кро­вообращения. Основным источником энергии движения по сосудам является работа сердца. Система кровообращения выполняет в организме различные функции, основной из ко­торых является транспортная: кровь транспортирует кисло­род. и питательные вещества от легких и органов пищева­рения к тканям организма, а из тканей кровь выносит ко­нечные продукты обмена к органам выделения.

Сердце состоит из двух насосов, соединенных фактичес­ки последовательно друг с другом. Каждый из насосов име­ет камеру низкого давления (предсердие), которая напол­няется кровью из венозной системы и через клапан односто­роннего действия перекачивает ее в камеру высокого дав­ления -г- желудочек. Желудочек через второй клапан односто­роннего действия направляет кровь в артериальную систему.

Правые камеры сердца получают кровь от тканей орга­низма по венам большого круга и перекачивают ее в арте­рии малого круга (к легким). Левые камеры сердца, полу­чая кровь из вен малого круга, через аорту и ее ветви на­правляют в артериальное русло большого круга.

При сокращении сердечной мышцы (систола) давление в артериальных сосудах резко возрастает, а во время рас­слабления мышцы (диастола) давление крови в этих сосу­дах возвращается к исходному.

Для описания ряда процессов, происходящих в системе кровообращения, применяются методы физического, аналогового и математического моделирования.

В модели Франка (механическая модель), созданной в 1899 г., система крупных сосудов артериальной части большого круга кровообращения моделируется одной упругой камерой, а система мелких сосудов с вязкостным сопротивлением – жесткой трубкой (Рис.13).

Рис.13

1 – упругая камера (крупные артерии), представляющая собой цилиндр с поршнем, который соединен с упругой пружиной;

2 – жесткая трубка (периферические сосуды);

3 – клапан;

4 – насос (левый желудочек сердца).

Стрелки С и Д показывают направление поступления крови в разные части системы в период систолы и диастолы (соответственно).

6. Электрическая модель сердечно-сосудистой системы

Электрическая модель ССС представлена на рис.14

Рис.14

U – источник переменного тока, моделирующий сердце;

B – выпрямитель (диод), моделирующий клапанный аппарат сердца;

L – индуктивность, моделирующая инерционные свойства крови;

R– переменное сопротивление, моделирующее гидравлическое

сопротивление сосудов (периферическая сосудистая система);

C – переменная емкость, моделирующая эластичные свойства сосудов (аорта, артерии).

Аорту и крупные артерии называют компрессионной камерой; эластичность этих сосудов приводит к увеличению объемного тока крови и к сглаживанию пульсации кровяного давления. Наличие эластичности сосуда аналогично наличию емкости, включенной параллельно омическому сопротивлению в электрической цепи переменного тока.

Модели, содержащие несколько сотен элементов, называют моделями с распределенными параметрами.

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 начало пульсовой волны достигает конечностей раньше, чем начнется спад давления в аорте.

На рис.15 приведены экспериментальные графики, показывающие изменение среднего значения давления и скорости кровотока в зависимости от типа кровеносных сосудов. Гидростатическое давление крови не учитывается. Давление – избыточное над атмосферным. Заштрихованная область соответствует колебанию давления (пульсовая волна).

Рис. 15

На рис.16 представлено давление р и средняя скорость v, заре­гистрированные

Рис. 16

одновременно в левой и правой половинах сердца в течение сердечного цикла. ЭКГ– электрокардиограмма; АР – давление в аорте; AF – скорость в аор­те; LVP – давление в левом желудочке; РАР – давление в легочной артерии; PAF – скорость в легочной артерии; RVP – давление в правом желудочке.