РЕОЛОГИЯ. ҚАННЫҢ ТАМЫР БОЙЫМЕН АҒУ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ. ҚАН ҚЫСЫМЫН ӨЛШЕУ

Жүрек- қан тамарлар жүйесі адам ағзасында қанның түйық жүйе бойымен үнемі ағуын қамтамасыз етеді. Осы арқылы жасушалардың қалыпты жұмыс істеуін, яғни оларға қажетті заттарды жеткізуге және сыртқы ортаға қажетсіз заттарды шығаруға мүмкіндік береді. Жүрек қан тамырлар жүйесіндегі қан айналысын сипаттау үшін қан қысымы мен оның жылдамдығы арасындағы, бұл шамалардың қан тамырларының түрлері мен қан құрамына, жүйенің жүрек жұмысына тәуелділігін білу қажет.

Сұйықтың қозғалысы мен онда байқалатын құбылыстарды гидродинамика зерттейді, ал гидродинамиканың заңдылықтарын жүрек- қан тамырлар жүйесіндегі қан айнасысына зерттеуге қолданатын биофизиканың бөлімін гемодинамика деп атайды. Шын мәнінде қан ағасы гидродинамика қарастыратын сұйықтан өзгеше. Қан ағатын түтіктердің қабырғалары серпімді және олар көптеген тармақтарға бөлініп кетеді, ал гидродинамикада болса қабарғалары серпімсіз, темір түтіктермен ағатын жағдайларды қарастырады, оның үстіне жүректің жұмысын қарапайым насоспен салыстыруға тіптен болмайды. Осы жағдайлар жүрек қан тамырлар жүйесін физика- математикалық жолдармен толық сипаттауға болмайтындығын көретеді, сондықтан биофизика қан айналысының тек қарапайым түрлерін қарастырады.

Енді сұйық ағысының кейбір заңдылықтары мен түсініктерін қарастырайық.

Сұйықтың тұтқырлығынемесе ішкі үйкеліс сұйықтың ағуы кезінде байқалатын басты құбылыстың бірі. Түтікпен аққан сұйықтың молекулалары түтік қабырғасымен әсерлеседі (молекулалары бір біріне тартылады, кедергі күші пайда болады), соның нәтижесінде сұйықтың түтік қабырғасына жанасқан қабатының ағу жылдамдығы төмендейді, бұл қабат өз кезігінде келесі қабаттың ағу қозғалысын тежейді, ол келесі қабатқа әсер етеді, осылайша жалғаса береді. Түтіктің осіне жақындаған сайын бұл құбылыстың әсері төмендеп, түтік осі бойындағы сұйық ағысы жылдамдығын сақтайды. Осындай құбылыстың әсерінен сұйықтардың қабаттары арасында ішкі үйкеліс күші пайда болады, оны тұтқырлық деп атайды.

Осы күштің әсерінен түтіктің көлденең қимысындағы сұйықтардың ағу жылдамдықтары әр түрлі болады, түтіктің осі бойымен ағатын сұйық жылдамдығы ең жоғары мәнге ие болса, түтік қабырғасына жақындаған сайын оның жылдамдығы төмендей береді, ал түтік қабырғасына жанаса ағатын сұйық жылдамдығы төмен мәнге ие болады v₁< v₂< v₃<v₄. Осының әсерінен қозғалу бағытына перпендикуляр бағытта жылдамдық градиенті dv/dx пайда болады (1 сурет).

v₁

v₂

v₃

v₄

dv

1 cурет

Ішкі үйкеліс күшінің шамасы Ньютон өрнегімен сипатталады:

,

мұндағы - жылдамдық градиенті, ол жылдамдықтың белгілі бағыттағы бірлік ұзындығына сәйкес келетін шамасына тең; S – әсерлесуші қабат ауданы, - тұтқырлық коэффициенті немесе динамикалық тұтқырлық.Динамикалық тұтқырлық СИ жүйесінде Паскаль× секунд (Паžс) өлшенеді.

Тұтқырлықты өлшеуде динамикалық тұтқырлықпен қатар кинематикалық тұтқырлық деген шама да қолданылады, ол n= h/r тең, мұндағы r - сұйықтың тығыздығы.

Ньютон заңына бағынатын сұйықтарды ньютондық сұйықтар деп атайды. Мұндай сұйқтардың тұтқырлық коэффициенттері сұйықтың құрылымына, оның температурасы мен қысымына тәуелді, ал жылдамдық градиентіне тәуелсіз болады. Көптеген сұйықтар, мысалы су, түрлі ертінділер, төменгі молекулалы органикалық сұйықтар, барлық газдар ньютондық сұйықтарға жатады. 36⁰С температурадағы қанның тұтқырлық коэффициенті 4-6∙10^-3 Па∙с тең, ауыр жұмыстар кезінде тұтқырлық коэффициенті жоғарылайды, сондай-ақ тұтқырлықтың шамасына кей ауру түрлері де әсер етеді, мысалы, қан диабеті кезінде қан тұтқырлығы 23∙10^-3 Па∙с дейін жоғарылайды, ал туберкулез кезінде керісінше 1∙10^-3 Па∙с дейін төмендейді.

Сұйықты ағыс түріне байланысты ламинарлыжәнетурбулентті деген түрлерге бөлінеді. Ламинарлы деп аққан сұйық қабаттары бір бірімен араласпайтын, бір қабат екінші қабат бетімен сырғи ағатын ағысты атайды. Мұндай ағыстың жылдамдығы барлық қабаттарда бірдей мәңге ие болады.

Егер сұйықтың ағу жылдамдығы белгілі бір шамадан асса, онда сұйық қабаттары бір бірімен араласып, сұйық бөлшектерінің ағу траекториялыры күрделеніп, ағыс құйын тәрізді болады, мұндай ағыс турбулентті деп аталынады. Егер аққан сұйық қабаттарының жылдамдықтарының айырмашылығы белгілі бір шамадан асса, онда қабаттардағы қысым өзгереді, нәтижесінде сұйық бөлшектері қысым шамасы үлкен сыртқы қабаттан, қысымы төмен ішкі қабатқа қаарй ауысады, мұндай орын ауыстырулар ағыстың турбулентті болуына және ағыстың дыбыс шығаруына алып келеді. (турбуленті ағыстың мед маңызы: өкпе шуы, жүрек клапаны, Коротков әдісі).

Сұйық ағысының ламинарлыдан ағыстан турбулентті ағысқа ауысуына сәйкес келетін жылдамдық шамасын кризистік v_кр жылдамдық деп атайды және оның сан мәнін Рейнольдс саны арқылы анықталады, бұл шама ағыстың түрін сипаттайды және өлшем бірліксіз болып келеді. Рейнольдс саны деп Re= Dvr/h өрнегімен анықталынатын шаманы атайды, мұндағы v- сұық ағысының жылдамдығы, r және h- сұйықтың тығыздығы мен тұтқырлығы, D- ағыстың берілген жағдайдағы кедергісін сипататйтын шама (мысалы, осы жағдайда түтік диаметрі). Шын мәнінде ағыстың ламинарлыдан турбулентке өтетуін сипаттайтын Рейнольдс санын эксперимент арқылы анықтайды. Мысалы, іші жылтыр, цилиндр түтік ішінде аққан су үшін бұл шама Re=2300 тең.

Сұйықтың ағу жылдамдығы көлемдік және сызықтық деген шамалармен сипатталады.

Көлемдік жылдамдық Q деп, бірлік уақыт ішінде түтік арқылы ағып өткен сұйықтың V көлемін атайды: Q = V/t, бұл шама мл/с, л/мин және т.б. өлшенеді.

Сызықтық жылдамдық v деп, сұйықтың бірлік уақыт ішінде ағып өткен жолының ұзындығын атайды: v =L/t. Көлемдік және сызықтық жылдамдықтар мына түрде өз ара тәуелді: Q = v× S, мұндағы S- аққан сұйықтың көлденең қимасы. Түтік арқылы ағып жатқан біртұтас сұйық үшін мына ереже орындалады: түтіктің кез келген көлденең қимасы арқылы бірлік уақыт ішінде бірдей көлемде сұйық ағып өтеді: Q =v×S = const, бұл өрнекті сұйық ағысының үздіксіздік теңдеуі деп атайды. Мұнан v₁ ×S₁ = v₂×S₂ немесе S₁/S₂ = v_2/v₁ тең: аққан сұйықтың көлденең қимасы үлкен болған сайын, оның жылдамдығы төмен болады. S₂ > S₁> S₃ мұнан v₃> v₂> v₁ (2 сурет).

2 сурет

Жалпы қанның тамыр бойымен ағуының басты себебі жүрек жұмысының әсерінен қан тамырында пайда болатын қысымның атмосфералық қысыннан артық болуынан деп саналады.

Олай болса радиусы R, ұзындығы L болатын түтіктің басы мен соңындағы қысым p₁ және p₂ болса, онда осы түтік арқылы 1 секунда ағып өтетін сұйық көлемі мына өрнекпен анықталынады:

Q = (p₁ –p₂)pR⁴/8hL.

Бұл өрнек Пуазейль формуласы деп аталады. Өрнектегі шама гидравликалық кедергідеп аталады, сонда Пуазейля формуласы мына түрге келеді:

Q = (p₁–p₂)pR⁴/8hL = pR⁴Dр/8hL = Dр/Х.

Гидравликалық кедергі электр тізбегі үшін Ом заңына ұқсас, тізбектей және параллель қосылған электр тізбегінің толық кедергісі мен осылайша қосылған түтіктер жүйесінің гидравликалық кедергісі бірдей өрнектермен есептелінеді: тізбектей қосылған жүйе үшін: болса, параллель қосылған жүйе үшін .

Пуазейль формулсындағы (p₁ –p₂)/L шаманы, қысым градиенті dp/dl алмастырсақ онда, Пуазейль формуласы мына түрге келеді және оны көлденең қимасы өзгермелі түтікке қолдануға болады:

Бұл өрнектен, түтіктің көлденең қимасынан ағып өтетін сұйық көлемі оның радиусының төртінші дәрежесіне тәуелді екендігі көренеді. Егер атеросклероз әсерінен қан тамырының радиусы 2 есе кішірейсе, онда осы қан тамыры арқылы ағатын қан көлемін бұрыңғы қалпында ұстап тұру үшін оның қысымын 16 есе арттыру қажет екен, ал бұл мүмкін емес, өйткені жүрек мұндай қысым тудыра алмайды. Мұндай жағдайда қан тамыры радиусын бұрыңғы қалпына келтіру қажет. Сондықтан гипертондық дәрілердің бір әсері қан тамырын кеңейтуге бағытталған, осы арқылы олар қан қысымын реттейді.

Ньютондық емес деп, тұтқырлығы жылдамдық градинетіне dv/dx тәуелді болатын сұйықтарды атайды, оларға қан жатады. Жалпы түрде қанды эритроцит, лейкоцит және тромбоциттердің плазмадағы ертіндісі немесе суспензиясы деп қарастырған дұрыс. Бірақ қан құрамындағы лейкоцит пен тромбоциттердің көлемі 1-2% аспайды, сондықтан бұл бөлшектердің қанның механикалық қасиетіне тигізетін әсері өте төмен, қанның негізгі механикалық, физиологиялық қасиеті эритроцитке байланысты.

Қанның кең, тар тамырлары және капияллар арқылы ағуында үлкен айырмашылықтар бар. Ірі қан тамырларда эритроциттер бір біріне жабысып «тиын түріндегі бағана» тәрізді агрегаттық күй құрайды (3 сурет).

3 сурет.

Егер әр эритроциттің диаметрі 8 мкм жуық болса, онда эритроциттен құралған агрегаттың өлшемі 80 мкм болады. Ірі қан тамырлардағы қанның жылдамдық градиенті төмен, тұтқырлығы 5 мПа∙с болады. Кей патологиялық құбылыстар әсерінен қан эритроциттерінің агрегаттық күйге көшуі деңгейі жоғарылауы мүмкін, соның әсерінен қанның тамыр бойымен ағуына қосымша энергия қажет етіледі.

Қан тамырларының тарылуы (кішірейуі) қанның жылдамдық градиентін жоғарылатады, соның әсерінен агрегаттық күйдегі эритроциттер жеке-жеке жасушаларға бөлшектенеді, яғни «тиын түріндегі бағана» тәрізді агрегаттық күй бұзылады. бұл өз кезегінде қанның тұтқырлығын азайтады. Тар қан тамырларда қан тұтқырлығының төмендеу құбылысын «сигма» феномені немесе «Фареус-Линдквист» эффектісі деп атайды. Бұл құбылыс диаметрі 500 мкм аз болатын қан тамырларында байқалады, ал мұндай құбылыс капиллярларда күшті байқалады, соның әсерінен ондағы қан тұтқырлығы ірі қан тамырларға салыстырғанда екі есе кеміп, плазма тұтқырлығына дейін төмендейді. Қан тұтқырлығының төмендеуін былайша түсіндіруге болады, капиллярлар қабырғаларына өте жақын қабатпен қан плазмасы ағады, сонда қан тамырындағы аққан эритроциттер «плазма қабатымен» қапталған тәрізді болып келеді (4 - сурет). Бұл аймақтағы эритроциттер концентрациясы нөлге жақын, бірақ тамыр ортасына жақындаған сайын эритроцит концентрациясы артады.

Тар қан тамырларында ағыс жылдамдығының артуы эритроциттің деформациялануын туғызады, бұл эритроцит пен тамыр қабырғасы арасындағы саңлаудың одан ары ұлғаюына алып келеді, нәтижесінде қанның тұтқырлығы одан ары төмендейді (4б- сурет).

а) б)

4 сурет. Капиллярдағы эритроциттің төменгі(а) және жоғары(б) жылдамдық кезіндегі көрінісі.

Эритроцит өте созылмалы, майысқақ болып келеді, соның салдарынан оның қос ойыс дискі түріндегі формасы деформацияланып, диаметрі 3 мкм болатын капилляр ішіне оңай кіріп кетеді, бұл эритроцит мембранасының капилляр қабырғасымен жанасатын ауданын ұлғайтып, ондағы зат алмасуды жақсартады және капиллярдағы аққан қанның тұтқырлығын кемітеді (5-сурет).

5 сурет.

Капилляр жүйесіндегі осындай құбылыстар жүрекке түсетін күшті азайтады. Кей патология әсерінен эритроцит қабырғасының майысқақтығы (эластикалықтығы) төмендейді, нәтижесінде қан айналысы нашарлайды.

Эритроцит концентрациясының ұлғаюы немесе кемуі қан тұтқырлығын өзгертеді. Мысалы, қалыпты жағдайда қан тұтқырлығы 4-6 мПа×с болса, анемия (эритроциттің кемуі) кезінде 2-3 мПа×с дейін төмендейді, ал полицитемияда бұл көрсеткші 15-20 мПа×с дейін жоғарылайды екен.

Енді қанның гемодинамикалық сипаттамалары -қан қысымы мен ағу жылдамдығын қарастырайық.. Қан тамарлары: аорта артерияға, ол артериолаға, ол өз кезегінде капиллярларға тармақталып кетеді, бұл әр жеке тармақтың (тамырдың) диаметрінің кішірейуіне, бірақ осы тамырлар жүйесіне енетін барлық тармақтардың ауданының қосындысының ұлғаюына алып келеді. Ағыстың үздіксіздік теориясына сәйкес сұйықтың сызықтық жылдамдығы v түтіктің көлденең қимасының ауданы S кері пропорционал болатын, осы принципке сәйкес ең жылдам қан ағысы аортада байқалады, өйткені оның көлденең қимасының ауданы тамырлар жүйесінде ең кішісі болып саналады және қан жылдамдығы аортадан капиллярға қарай біртіндеп азая береді. Барлық капиллярдың ауданы аорта ауданынан 500-600 есе көп, сондықтан капиллярдағы қан ағысының жылдамдығы 500-600 есе аз, оның шамасы 1 мм/с төңірегінде. Қалыпты жағдайда аортадағы қан жылдамдығы 0,5м/с ден 1м/с дейін болса, үлкен физикалық жүктеме кезінде ол 20 м/с дейін жоғарылайды.

Капиллярдағы қан ағысының төмен болуы қан мен ұлпа арасындағы зат алмасуды қамтамасыз етеді, бұл мысал ағзадағы зат алмасу процесінің негізгі бөлігі капиллярларда өтетіндігін көрсетеді. Капиллярлар біріге келе вена тамырына айналады, вена тамырының саңлауы барлық капиллярларға салыстырғанда аз екендігі белгілі, соның салдарынан венедағы қан ағысының сызықтық жылдамдығы артады. 6 суретте тамырлар жүйесінің түрлі аймағындағы қан жылдамдығының өзгеруі көрсетілген.

6 сурет

Енді үлкен қан айналысы шеңберінде орын алатын құбылысты талдайық. Жалпы жүректі белгілі бір ырғаты түрде жұмыс істейтін насос деп қарастыруға болады. Оның жұмыстық фазасы, яғни жүректің жиырлуы (оны систола деп атайды) бос жүрістік фазамен, яғни жүректің босаңсуымен (оны диастола деп атайды) кезектесіп отырды.

Жүректің жиырылуы, яғни жұмыстық фазасы систола кезінде сол жақ қарыншадан 60-70 мл көлеміндегі қан аортаға және одан тарайтын артерияларға қарай ағылады. Тамырлардың қабырғалары серпімді болғандықтан, систола кезінде пайда болатын қан қысымы әсерінен тамыр қабырғалары созылады. Нәтижесінде, ірі қан тамыры үлкен көлемдегі қанды қабылдайды. Мұнан соң жүрек босаңсып, диастола кезеңі келеді, тамыр қабырғалары жиырылып толып тұрған қанды одан ары қарай айдайды. Жүректің жиырылуы мен босаңсуы периодты түрде қайталанып, пайда болған қысым әсерінен тамыр қабырғалары тербеліп, 6-8 м/с жылдамдықпен тамырды бойлап тарайды. Бұл тербелісті пульстік толқын немесе пульс деп атайды.

Пульстік толқынның жиілігі жүректің жиырылу жиілігіне тең, ал таралуы жылдамдығы тамыр параметрлеріне тәуелді, бұл тәуелділік Моэнс-Кортевега формуласыымен сипатталады:

,

мұндағы E – тамыр қабырғасының серпімділік модулі, h – тамыр қалыңдығы, d – тамыр диаметрі, r - тамыр затының тығыздығы.

Пульстік толқынның тамыр бойымен таралу жылдамдығы 6-12 м/с тең болады, ол қанның тамыр бойымен ағу жылдамдығы 0,3-0,5 м/с әлде қайда көп, сондықтан аяқ, қол, т.б. жерлерге пульстік толқын аортадағы қан қысымының төмендеуінен тез жетеді. Жүргізілген зерттеулер h/d қатынасының адамдар мен артерия түріне байланыссыз екендігін көрсетті. Олай болса, пульстік толқынның таралу жылдамдығы тек артерия қан тамыры қабырғасының серпімділігіне, яғни Юнг модулінің өзгеруіне ғана байланысты. Осыған байланысты адам жасының ұлғайуына байланысты және кей аурулардың әсерінен (гипертония, атеросклероз) артерия қабырғасының Юнг модулі артады, соның әсерінен пульстік толқынның таралу жылдамдығы қалыпты жағдайдан 2-4 есе артуы мүмкін.

Систол мен диастол кезінде ірі және орта қан тамырларындағы қан қысымдары бірдей емес. Систол (максимал) кезіндегі қан қысымы 110-130 мм.сын. бағанасына тең, ал диастол (минимум) кезіндегі қан қысымы 60-80 мм.сып. бағанасы болады.

р_С

р_Д

1 1

1 2 3 4 5 6 7 8

7 сурет.1- аорта, 2- ірі артериялар, 3-кіші артериялар, 4- артериолалар, 5- капиллярлар, 6- венулалар, 7- вена, 8 – жартылай веналар.

Үлкен қан айналыс шеңберіндегі капиллярлардағы қан қысымы әр 0,75 мм сайын 30 мм.сып.бағанасынан 15 мм.сып.бағ. дейін төмендейді, ал кіші қан айналыс шеңберіндегі капиллярлардағы қан қысымы 7 мм.сып. бағанысына тең. Үлкен қан айнасысы шеңберіндегі венуладағы қан қысымы 15-20 мм.сып.бағанасы болса, кеуде қуысынан тыс аймақтағы ірі веналарда 5-6 мм.сып. бағанасына тең. Жүрек құлақшандағы қан қысымы атмосфералық қысымнан 2-3 мм.сып. бағанасына кем. Төмендегі 7- суретте үлкен қан айналысы шеңберіндегі түрлі тамырлардағы қан қысымының шамасы көрсетілген.

Қан қысымын манжет арқылы өлшеуді алғаш рет итальяндық дәрігер Рива Роччи 1896 жылы ұсынған болатын. Бұл әдісті 1905 жылы орыс дәрігері Н.С.Коротков одан ары дамытты. Бұл әдіс пульстік толқын шығаратын дыбысты тыңдауға (аскультатция) негізделген. Адамның қан қысымын өлшеу үшін білекті орай резинкадан жасалынған манжетті кигізеді. Оған тамырдағы қан ағысы тоқтап, пульс жоғалғанға дейін ауа айдайды (көбіне 220-250 мм.сын.бағ.дейін). Онан соң манжетте орнатылған вентильді жайлап ашып, ауаны шығара бастаймыз, сәлден соң артериядағы қан тамыр бойымен аға бастайды, ағыс турбуленті болғандықтан фонендоскопта шу естіледі, оны Коротков тоны деп атайды, осы мезеттегі манометрдің көрсетуі қанның систолды қысым деп саналады. Манжеттегі ауа қысымын одан ары төмендетіп, артериядағы қан ағысын қалыпты жағдайға алып келеміз, бұл кезде қан ағысы турбулентіден ламинарлы ағысқа айналады, нәтижесінде фонендоскопта Коротко тоны(шуы) жоғалады, бұл кездегі манометр көрсетуі қанның диастолды қысымы деп саналады.

Қазіргі кезеңде қан қысымын жоғары дәлдікпен өлшеуде Доплер эффектісін негізделген әдіс қолданылады. Тамырға кигізілген манжет астына удьтрадыбыс (УД) толқынын шығаратын және оны қабылдайтын қондырғы орнатылады. УД толқыны артерияға бағытталады. Манжеттегі қан қысымы систолды қысымға жеткенде, артерия арқылы қан аға бастайды және тамыр қабырғасы тербеледі, осындай қан тамырынан шағылған УД толқынының жиілігі өзгереді, осы өзгерістер арқылы қан қысымын анықтауға болады.

Қазіргі кезеңде қан қысымын автоматты түрде тәулік бойы тіркейтін (мониторинг) қондырғылар бар. Олар артериялық қысымның шамасын, жүрек ұрысын(пульсті), өлшеу кезінде орын алған қателіктерді тәулік бойы уақытқа сәйкес тіркеп, мониторинг жасауға мүмкіндік береді. Құралда тіркелген мәліметтерді компьютер жадына көшіруге немесе қағазға басып шығауға болады. Артериялық қысымның тәулік мониторингі (АҚТМ-СМАД) бір рет өлшенген қан қысымына салыстырғанда беретін диагностикалық мәліметі көп, сондықтан оны артериялық қан қысымы жоғары ауруларды емдеуде кең түрде қолдануда.