Основные показатели гемодинамики

Гемодинамика изучает механизмы движения крови в сердечно-сосудистой системе. Она является частью гидродинамики, раздела физики, изучающего движение жидкостей.

Гемодинамика определяется двумя силами: давлением - P, которое оказывает влияние на жидкость и сопротивлением - R, которое она испытывает при трении о стенки сосудов и вихревых движениях. Непосредственной причиной движения крови по сосудам является разность давлений, создаваемая работой сердца на артериальном и венозном концах сосудистой системы. Эффективность работы сердечно-сосудистой системы оценивается минутным объёмом кровотока (МОК), т.е. количеством крови, протекающим через сосуды за минуту. Согласно законам гидродинамики, количество жидкости - Q, протекающее через любую трубу, прямо пропорционально разности давлений в начале – P₁ и конце трубы – P₂ и обратно пропорционально сопротивлению току жидкости - R:

Если применить это уравнение к большому кругу кровообращения, то следует иметь в виду, что давление в месте впадения полых вен в сердце близко к нулю. В этом случае уравнение можно записать как:

Где Q - количество крови, изгнанное сердцем в минуту, P - величина среднего давления в аорте, R - величина сосудистого сопротивления. Из этого уравнения следует, что P = Q х R., т.е. давление тем больше, чем больше объём крови выбрасывается сердцем в аорту в минуту и чем больше величина периферического сопротивления.

МОК всей артериальной или венозной системы численно равен минутному объёму сердца. В покое эта величина составляет 5 литров в минуту. В стационарном состоянии количество крови, оттекающее в минуту от сердца в аорту, или легочный ствол, равно количеству крови, возвращающемуся к сердцу через полые, или лёгочные вены. В любом месте артериальной или венозной системы, если иметь в виду общее сечение указанных сосудов в целом, минутный объём в каждый данный момент будет одинаков, т.е. те же 5 литров.

Общий МОК складывается из суммы минутных объёмов всех органов, величина которых различна. Для увеличения кровотока активно функционирующего органа в пределах того же самого общего МОК надо уменьшить кровоток других органов, которые в данный момент находятся в состоянии покоя. Такое перераспределение кровотока в сосудистой системе осуществляется путём изменения периферического сосудистого сопротивления. В активно функционирующем органе сосуды расширяются, а в остальных суживаются. В итоге функционирующий орган получает больше крови.

Протекая по трубке, жидкость преодолевает сопротивление, которое возникает вследствие внутреннего трения частиц жидкости между собой и о стенку трубки. Из формулы Пуазейля следует, что сопротивление будет тем больше, чем больше вязкость жидкости, чем длиннее трубка и чем уже её диаметр.

Формула Пуазейля

Где η - коэффициент вязкости, l - длина трубки и r - радиус.

Очень важно обратить внимание на то, что величина сопротивления в большей степени зависит от изменений диаметра сосудов, чем длины пройденного пути, и сопротивление обратно пропорционально четвёртой степени радиуса трубки. Из этого следует, что при увеличении диаметра сосуда в два раза, гидродинамическое сопротивление, уменьшится в 16 раз. Во столько же раз увеличится объёмный кровоток. Учитывая эти взаимоотношения, ясно, что при местных или системных приспособительных реакциях сосудистого русла, как уже было сказано выше, главную роль в регуляции давления и объёмной скорости кровотока играют изменения радиуса сосудов. По мере удаления от начала аорты, сопротивление сосудов всё время увеличивается, т.к. диаметр каждого сосуда (артерия, артериола, капилляр) становится всё меньше. В каком же отделе сосудистой системы кровь встречает наибольшее сопротивление для движения? Наибольшим сопротивлением из всех сосудов обладают артериолы. Они имеют просвет почти такой же узкий как капилляры, но значительно длиннее их, и скорость течения крови в них значительно выше. При прочих равных условиях сопротивление будет тем больше, чем больше скорость тока крови в сосудах, т.к. при этом возрастает внутреннее трение. Если на продвижение крови в крупных и средних артериях расходуется 10% энергии сердца, то 85% расходуется на продвижение крови в артериолах и капиллярах. Артериолы обладают толстой мышечной стенкой, с помощью которой меняется их просвет, и они являются главным регулятором уровня общего артериального давления. Сеченов И.М. называл артериолы кранами сердечно-сосудистой системы. Открытие этих кранов увеличивает приток крови в капилляры соответствующей области, улучшая местное кровообращение, а закрытие резко ухудшает кровообращение данной сосудистой зоны. Итак, артериолы играют двоякую роль в кровообращении: 1) участвуют в поддержании необходимого уровня общего артериального давления, создавая основное сопротивление движению крови; 2) участвуют в регуляции величины местного кровотока через тот или иной орган, изменяя свой диаметр.

Динамика изменения давления и общего сопротивления в разных отделах сосудистого русла показана на рис. 18.

В артериальной части сопротивление медленно возрастает. На отрезке от мелких артерий до капилляров оно резко увеличивается за счет уменьшения диаметра артериол. В капиллярной части оно возрастает более медленно и совсем медленно в венах. Обратите внимание, что, несмотря на то, что диаметр вен увеличивается по сравнению с капиллярами, рост сопротивления продолжается. И это происходит за счёт значительного увеличения длины пройденного пути – L.

Кривая изменения среднего давления показывает, что оно имеет значительную величину в аорте - 100мм рт. ст., и круто снижается на участке, где больше всего возрастает сопротивление, т. е. в артериолах. И давление здесь снижается почти на 50%. Так, на входе в артериолы давление около 80, а на выходе около 35 мм рт.ст. В венах происходит дальнейшее снижение давления и в крупных венах, проходящих в грудной полости, оно может достигать -3 мм.рт.ст., что связано с отрицательным давлением в плевральной полости.

Рис.18. Соотношение между давлением Р и общим сопротивлением R в различных отделах сосудистой системы

1 – аорта, 2 - артерии и артериолы, 3 –капилляры, 4 - полые вены.

Линейная скорость. Зная объёмную скорость кровотока, можно рассчитать линейную скорость движения частиц крови, которая выражается в см в сек.

Рис. 19. Средняя линейная скорость тока крови в разных частях сосудистой системы

В центре сосуда линейная скорость частиц максимальна, около стенки сосуда она минимальна в связи с трением частиц о стенку. Линейная скорость в различных сосудах неодинакова (рис. 19).

Скорость движения крови зависит от общей ширины данного отдела сосудистого русла. В кровеносной системе самым узким местом является аорта. При разветвлении артерий суммарный просвет всех ветвей больше просвета разветвившейся артерии. Наибольшее расширение русла отмечается в капиллярной сети: общий просвет всех капилляров в 500-600 раз больше просвета аорты. Соответственно, кровь в капиллярах движется в 500-600 раз медленнее, чем в аорте. Так в аорте линейная скорость составляет 20-50 см в сек., а в капиллярах 0,5 мм в сек. В венах линейная скорость снова возрастает, т.к. суммарный просвет сосудистого русла снова суживается.

В связи с тем, что кровь выбрасывается сердцем отдельными порциями, кровоток в артериях имеет пульсирующий характер, поэтому линейная и объёмная скорости непрерывно меняются, а в капиллярах и венах пульсации отсутствуют и кровоток постоянен. В превращении пульсирующего кровотока в постоянный имеют значение свойства артериальной стенки. В сердечно-сосудистой системе часть кинетической энергии, развиваемой сердцем во время систолы затрачивается на растяжение аорты и крупных артерий, которые образуют эластическую или компрессионную камеру. Поступающий сюда значительный объём крови растягивает её. При этом кинетическая энергия, развиваемая сердцем, переходит в энергию эластического напряжения растянутых артериальных стенок. Когда систола заканчивается, растянутые стенки артерий спадаются и проталкивают кровь в капилляры, поддерживая в них кровоток во время диастолы.

Скорость кругооборота крови. Время полного кругооборота - это время, за которое кровь проходит большой и малый круг кровообращения. При частоте сердечных сокращений 70-80 в минуту кругооборот крови происходит за 20-23 секунды. На полный кругооборот тратится 27 систол сердца. 1/5 времени полного кругооборота крови приходится на прохождение крови по малому кругу кровообращения, 4/5 - по большому кругу. При напряжённой мышечной работе, когда требуется значительное увеличение минутного объём крови, скорость кругооборота возрастает. При тяжёлых расстройствах сердечной деятельности скорость кругооборота крови замедляется и может доходить до 63 секунд.