Тема 1. Механика жидкости и реология крови.

Биофизика кровообращения

Введение

Разрабатывая данный курс в рамках специальности 653900 “Биомедицинская техника” пришлось столкнуться с проблемой – как в относительно коротком курсе отразить основы биофизики, которая включает в себя огромное количество знаний, накопленных человечеством в данной области. Огромные успехи накоплены в этой области в различных ее направлениях – это в основном физические процессы, происходящие как в различных органах и тканях, так и на различном уровне их организации – от внутриклеточного, клеточного до органного. Поэтому необходимо было принять решение выбрать такую дисциплину из большого их многообразия, которая с одной стороны вбирала бы в себя возможно больший спектр различных направлений биофизики, а с другой стороны наиболее точно отражала бы связь будущей специальности выпусников кафедры 310 с потребностями специалистов в данном направлении. И качестве такой дисциплины была выбрано такое важное направление в биофизике, как биофизика кровообращения. Конечно, немаловажную роль при выборе данной дисциплины сыграл и тот факт, что по роду моей основной работы в НИИ Трасплантологии и Искусственных Органов к этой области знаний приходилось обращаться наиболее часто. Кроме того, кафедра 310 уже в течение многих лет сотрудничает с институтом по проблеме создания систем для частичной и полной замены сердца.

При составлении данного курса не менее важным было также принять во внимание и те дисциплины специальности 653900 ”Биомедицинская техника”, которые будут прочитаны студентам на последующих курсах, чтобы начальные знания в данной области помогли бы лучше понять эти дисциплины.

Сама по себе биофизика кровообращения вобрала в себя тоже большой спектр различных направлений – это, прежде всего биомеханика процессов кровообращения, тепловые и электрические процессы, биоэнергетика и другое.

Целью настоящего курса было, прежде всего, ознакомить Вас как с основами организации сердечно-сосудистой системы в целом, так и более детально рассмотреть некоторые наиболее важные свойства и закономерности в системе кровообращения.

Гидродинамика кровообращения охватывает широкий круг актуальных проблем, связанных с движением крови и переносом веществ в организме. Эти проблемы можно классифицировать двумя способами. Первый способ основывается на расчленении системы кровообращения на отдельные части, для каждой из которых строится своя теория. К таким частям относятся сердце, аорта, артерии, артериолы, капилляры, венулы, вены. Второй способ основан на объединении принципиально сходных биомеханических процессов, происходящих в различных частях системы кровообращения, - работы клапанов, движения крови в полостях и цилиндрических или сужающихся сосудах с мышечными стенками, обладающими способностью к активному сокращению, фильтрации воды через стенки, переноса кислорода и других газов и т.д.

Важным биомеханическим процессом, обеспечивающим кровообращение, является работа сердца, которое условно можно представить в виде насоса с четырьмя камерами, соединенными попарно. Свою работу сердце выполняет благодаря ритмичным сокращениям мышечной ткани, образующей его стенки. Выявление особенностей этого процесса и построение его математических моделей при активном и пассивном состоянии мышц позволяет решить также вопрос о том, какие характеристики системы необходимо определить экспериментально.

Достаточно подробно описана динамика сердечного цикла и механических явлений и закономерностей в целостном сердце. Кратко описана проводящая система сердца и даны основые понятия из теории образования биопотенциалов.

При изучении течения крови в крупных сосудах основное внимание обращается на распространение пульсовой волны по стенке сосуда, на изменение профиля и скорости течения.

Мало изученными до сих пор остаются вопросы движения крови по артериолам и капиллярам. Именно в артериолах происходит основное понижение давления и скорости течения. Поэтому важно определить зависимость их гидравлического сопротивления в стационарном и нестационарном режимах от состава и свойств крови и от сокращения гладкой мускулатуры стенок. Задача исследования крови в капиллярах сводится к анализу движения отдельных форменных элементов по сосуду, соизмеримому с их размерами. При этом необходимо учитывать как деформации самого форменного элемента крови, так и особенности течения плазмы в смазочном слое между частицами и стенкой. Здесь же возникает еще одна актуальная проблема, связанная с фильтрацией воды и растворимых веществ, а также газов через стенки капилляров в окружающие ткани и в обратном направлении в венозную систему.

Конечно, даже значительно сокращая, трудно освятить данное направление в ограниченных рамках курса. Поэтому и тут пришлось только лишь обозначить некоторые очень важные направления – это, прежде всего процессы регуляции в системе кровообращении, электрические процессы в сердце, биоэнергетику сердечной мышцы, тепловые процессы в системе кровообращения и др.

По сути, данный курс можно считать лишь только вводным курсом по биофизике кровообращения, изложенным достаточно в сжатом виде, поскольку в нем даны лишь необходимые основы анатомии и физиологии, приведены лишь основные термины и определения, а использование математического аппарата сведено к минимуму.

Для облегчения понимания курса в целом в начале курса мы приводим некоторые сведения из основ механики жидкостей и твердых тел, которые могут быть полезны и при изучении других физиологических систем.

При создании данного курса мы использовали некоторые сведения из таких фундаментальных работ как монография “Механика кровообращения” К.Каро, Т.Педли с соавт., так и некоторые аспекты из нашей монографии “Биомеханика сердечной мышцы” (В.И.Шумаков с соавт.). Ряд данных был получен из курсов по физиологии кровообращения, прочитанных в ведущих американских колледжах, и некоторых собственных исследований в данной области. Кроме того, при описании многих разделов мы пытались связать некоторые процессы, происходящие в норме, с некоторыми видами основных патологий в сердечно-сосудистой системе.

Слайд 1-1. Из Интернета (Жидкость)

Тема 1. Механика жидкости и реология крови.

Лекция 1-1. Гидростатическое давление.

Cлайд 1-2

Рассмотрим покоящуюся жидкости, в которой тангенсальные силы отсутствуют, напряжение сводится к одному только статическому давлению. При этом в горизонтальном направлении давление не меняется. Оно зависит только от расположения точки относительно свободной поверхности жидкости в сосуде. Разница между давлением, измеренным на глубине D Н, и давлением у пов-ти прямо пропорциональна D Н.

Принцип Паскаля.

Слайд 1-3.

Пусть два цилиндра с разным диаметром или площадью сечения (А1 и А2) соединены между собой трубкой. Если цилидры открыты в атмосферу , то жидкость установиться на одном уровне .Если же мы установим поршни в этих цилиндрах, то при усилии F1 цилиндре с меньшим радиусом мы получим усилие F2 на другом цилиндре ,которое будет больше в F1 в А2/А1 раз. Соответственно давление Р1=Р2.В противном случае поршни пришли бы в движение. На этом принципе Паскаля основаны все гидравлические усилители и в частности домкраты.

Слайд 1-3.Принцип Паскаля.

Если положим на поверхности сосуда давление равно атмосферному (Ратм) и выберем уровень H =0 на этой поверхности, то давление в любой точке на уровне h определяется выражением:

Р=Ра + g r h (1-1)

Давление, определяемое этим уравнением, называют гидростатическим.

Данное уравнение служит основой наиболее широко применяемого метода измерения давления. Если два сосуда, наполненные например, газом, соединить с двумя ветвями U –образной трубки, заполненной жидкостью известной плотности, а один конец трубки открыть в атмосферу (второй подключен к замкнутой полости) то уровни жидкости в этих ветвях будут различаться на высоту h.Тогда мы можем прямо получить разность давлений в этих сосудах.

Благодаря такому методу давление обычно измеряют в см.вод.ст или мм.рт.ст (если трубку залить ртутью,а не водой).

1 см вод.ст.=98.1 Н/м²

1 мм.рт.ст= 133.3 Н/м²

Слайд 1-4. Примеры принципа Паскаля - домкраты