ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ГЕМОДИНАМИКИ

Наука, изучающая движение крови в сосудистой системе, получила название гемо-динамики. Она является частью гидродинамики — раздела физики, изучающего движе­ние жидкостей.

Согласно законам гидродинамики, количество жидкости Q, протекающее через любую трубу, прямо пропорционально разности давлений в начале (Pi) и в конце {Рг) трубы и обратно пропорционально сопротивлению (R) току жидкости:

Если применить это уравнение к сосудистой системе человека, то следует иметь в виду, что давление в конце данной системы, т. е. в месте впадения полых вен в сердце, близко к нулю. В этом случае уравнение можно записать так:

где: Q — количество крови, изгнанное сердцем в минуту; Р — величина среднего дав­ления в аорте; R — величина сосудистого сопротивления.

Из этого уравнения следует, что P=Q-R, т.е. давление (Р) в устье аорты прямо пропорционально объему крови, выбрасываемому сердцем в артерии в минуту (Q) и ве­личине периферического сопротивления (R). Давление в аорте (Р) и минутный объем сердца (Q) можно измерить непосредственно. Зная эти две величины, вычисляют перифе­рическое сопротивление — важнейший показатель состояния сосудистой системы.

Периферическое сопротивление сосудистой системы складывается из множества отдельных сопротивлений каждого сосуда. Любой из таких сосудов можно уподобить трубке, сопротивление которой (R) определяется по формуле Пуазейля:

где I — длина трубки; v — вязкость протекающей в ней жидкости; я — отношение окружности к диаметру; г — радиус трубки.

Сосудистая система состоит из множества отдельных трубок, соединенных парал­лельно и последовательно. При последовательном соединении трубок их суммарное сопротивление равно сумме сопротивлений каждой трубки:

При параллельном соединении трубок их суммарное сопротивление вычисляют по формуле:

Точно определить сопротивление сосудов по этим формулам невозможно, так как геометрия сосудов изменяется вследствие сокращения сосудистых мышц. Вязкость крови также не является величиной постоянной. Например, если кровь протекает через сосуды диаметром меньше 1 мм, вязкость крови значительно уменьшается. Чем меньше диаметр сосуда, тем меньше вязкость протекающей в нем крови. Это связано с тем, что в крови наряду с плазмой имеются форменные элементы (эритроциты и др.), которые распола­гаются в центре потока. Пристеночный слой представляет собой плазму, вязкость которой намного меньше вязкости цельной крови. Чем тоньше сосуд, тем большую часть площади его поперечного сечения занимает слой с минимальной вязкостью, что умень­шает общую величину вязкости крови. Теоретический расчет сопротивления капилляров невозможен, так как в норме открыта только часть капиллярного русла, остальные капилляры являются резервными и открываются по мере усиления обмена веществ в тканях.

Из приведенных уравнений видно, что наибольшей величиной сопротивления должен обладать капилляр, диаметр которого 5—7 мкм. Однако огромное количество капилля­ров включено в ток крови параллельно. Поэтому их суммарное сопротивление меньше, чем суммарное сопротивление артериол.

Основное сопротивление току крови возникает в артериолах. Систему артерий и артериол называют сосудами сопротивления, или резистивными сосудами.

Артериолы представляют собой тонкие сосуды (диаметром от 15 до 70 мкм). Стенка этих сосудов содержит толстый слой кольцевой гладкой мускулатуры, при сокращении которой просвет сосуда может значительно уменьшаться, что резко повышает сопротив­ление артериол. Изменение сопротивления артериол меняет уровень давления крови в артериях. При увеличении сопротивления артериол отток крови из артерий уменьшается, кровь задерживается в артериях и давление в них повышается. Падение тонуса артериол увеличивает отток крови из артерий, что приводит к уменьшению артериального давле­ния. Наибольшим сопротивлением среди всех участков сосудистой системы обладают именно артериолы. Поэтому изменение их просвета является главным регулятором уров­ня общего артериального давления. Артериолы — «краны сердечно-сосудистой системы» (И. М. Сеченов). Открытие этих «кранов» увеличивает отток крови в капилляры соот­ветствующей области, улучшая местное кровообращение, а закрытие резко ухудшает кровообращение данной сосудистой зоны.

Итак, артериолы играют двоякую роль: участвуют в поддержании необходимого организму уровня общего артериального давления и в регуляции величины местного кровотока через тот или иной орган или ткань. Величина органного кровотока соответ­ствует потребности органа в кислороде и питательных веществах, определяемой уровнем рабочей активности органа.

В работающем органе тонус артериол уменьшается, что обеспечивает повышение притока крови. Чтобы общее артериальное давление при этом не снизилось в других (неработающих) органах, тонус артериол повышается. Суммарная величина общего периферического сопротивления (и общий уровень артериального давления) остаются примерно постоянными несмотря на непрерывное перераспределение крови между рабо­тающими и неработающими органами.

О сопротивлении в различных сосудах можно судить по разности давления крови в начале и в конце сосуда: чем выше сопротивление току крови, тем большая сила затра­чивается на ее продвижение по сосуду и, следовательно, тем значительнее падение давле­ния на протяжении данного сосуда. Как показывают прямые измерения давления крови в разных сосудах, давление на протяжении крупных и средних артерий падает всего на 10 %, а в артериолах и капиллярах — на 85 %. Это означает, что 10 % энергии, затрачи­ваемой желудочками на изгнание крови, расходуется на продвижение крови в крупных и средних артериях, а 85 % — на продвижение крови в артериолах и капиллярах. Рас­пределение давления в разных отделах сосудистого русла показано на рис. 134.

Зная объемную скорость кровотока, измеряемую в миллилитрах в секунду, можно рассчитать линейную скорость кровотока, которая выражается в сантиметрах в секунду.

Рис.134. Изменения давления в разных частях со­судистой системы.

Штриховкой обозначено колебание давления в систолу и диастолу, пунктиром — среднее давление, 1 — давление в аорте; 2 — в крупных артериях; 3 — в мелких артериях:

4 — в артериолах; 5 — п капиллярах; 6 — в венулах; 7 — в венах; 8 - в полой вене.

Линейная скорость (V} отражает скорость про­движения частиц крови вдоль сосуда и равна объемной (Q), деленной на площадь сечения кровеносного сосуда:

Линейная скорость, вычисленная по этой формуле, есть средняя скорость. В действи­тельности линейная скорость различна для частиц крови, продвигающихся в центре пото­ка (вдоль продольной оси сосуда) и у сосудиетой стенки. В центре сосуда линейная ско­рость максимальная, а около стенки сосуда она минимальная в связи с тем, что здесь осо­бенно велико трение частиц крови о стенку.

Объем крови, протекающей в 1 мин через аорту или полые вены и через легочную артерию или легочные вены, одинаков. Отток крови от сердца соответствует ее притоку. Из этого следует, что объем крови, протекший в 1 мин через всю артериальую систему" или все артериолы, через все капилляры или всю венозную систему как большого, так и малого круга кровообращения, одинаков. При постоянном объеме крови, протекающей через любое общее сечение сосудистой системы, линейная скорость кровотока не может быть постоянной. Она зависит от общей ширины данного отдела сосудистого русла. Это и следует из уравнения, выражающего соотношение линейной и объемной скорости: чем больше общая площадь сечения сосудов, тем меньше линейная скорость кровотока. В кровеносной системе самым узким местом является аорта. При разветвлении артерий, несмотря на то что каждая ветвь сосуда уже той, от которой она произошла, наблюдается увеличение суммарного русла, так как сумма просветов артериальных ветвей больше просвета разветвившейся артерии. Наибольшее расширение русла отмечается в капил­лярной сети: сумма просветов всех капилляров примерно в 500—600 раз больше просвета аорты. Соответственно этому кровь в капиллярах движется в 500—600 раз медленнее, чем в аорте.

В венах линейная скорость кровотока снова возрастает, так как при слиянии вен друг с другом суммарный просвет кровяного русла суживается. В полых венах линейная скорость кровотока достигает половины скорости в аорте. Распределение скорости крово­тока в кровеносной системе показано на рис. 135.

В связи с тем что кровь выбрасывается сердцем отдельными порциями, кровоток в артериях имеет пульсирующий характер. Поэтому понятно, что линейная и объемная скорости непрерывно меняются: они макси­мальны в аорте и легочной артерии в момент систолы желудочков и уменьшаются во вре­мя диастолы. В капиллярах и венах кровоток постоянен, т. е. линейная скорость его по­стоянна. В превращении пульсирующего кровотока в постоянный имеют значение свойства артериальной стенки.

Обусловливают непрерывный ток крови по всей сосудистой системе резко выражен­ные упругие свойства аорты и крупных артерий.

В сердечно-сосудистой системе часть кинетической энергии, развиваемой сердцем во время систолы, затрачивается на растяжение аорты и отходящих от нее крупных артерий. Последние образуют эластическую, или компрессионную, камеру, в которую поступает значительный объем крови, растягивающий ее; при этом кинетическая энергия, развитая сердцем, переходит в энергию эластического напряжения артериальных стенок. Когда систола заканчивается, растянутые стенки артерий стремятся спадаться и протал­кивают кровь в капилляры, поддерживая кровоток во время диастолы.