Атриовентрикулярное отверстие

Глава 17 МЕДИЦИНСКАЯ БИОМЕХАНИКА

Современная биомеханика представляет собой раздел биофизики, который изучает механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, и происходящие в них механические явления.

В зависимости от изучаемых свойств выделяются специфические области биомеханических изучений: биомеханика дыхания, кровообращения (гемодинамика), дыхательной мускулатуры, опорно-двигательного аппарата (ОДА); механика повреждений (травм) ОДА; черта прочности тканей при внешних силовых действиях; и, наконец, механика движений человека.
^

17.1. Биомеханика сердца и сосудов. Гемодинамика

К системе кровообращения относятся: сердце, делающее функцию насоса, и периферические кровеносные сосуды — артерии, вены и капилляры (рис. 17.1). Выбрасываемая сердцем кровь разносится к тканям через артерии, артериолы (небольшие артерии) и капилляры, и после этого возвращается к сердцу по венулам (небольшим венам) и большим венам. На рис. 17.2 приведена схема кровообращения в наиболее значимых органах и системах.

На рис. 17.3 представлено строение сосудов. Стены артерии складываются из нескольких слоев. Гладкие мускулы владеют свойством к расширению и сужению сосудов. Под мышечными слоями проходят сосуды и нервы. Раздражение симпатических нервов ведет к сокращению гладких мышц и сужению сосудов. Коллагеновые волокна не владеют упругостью, они способны растягиваться.

Диаметр кровеносных сосудов и тканевой состав их стенок разны в зависимости от типа сосуда. В большинстве случаев, в стенках артерий больше эластической ткани и меньше коллагеновых волокон, чем в стенках вен; вены же, напротив, более богаты коллагеновыми волокнами, нежели эластическими.

Капилляры имеют эндотелиальный слой, но их стены лишены мышечной и соединительной ткани. Они относительно пассивны, и их поведение определяется в основном процессами, происходящими в примыкающих артериолах и венулах.

Лимфатические сосуды, делающие особенную функцию, по строению сходны с венами, отличаясь от них меньшей толщиной и большей проницаемостью.

Рис. 17.1. Кровеносная система:

1 — внутренняя яремная вена, 2 — левая подключичная артерия, 3 — легочная артерия, 4 — дуга аорты, 5 — верхняя полая вена, 6 — сердце, 7 — селезеночная артерия, 8 — печеночная артерия, 9 — нисходящая часть аорты, 10 — почечная артерия, 11 — нижняя полая вена, 12 — нижняя брыжеечная артерия, 13 — лучевая артерия, 14 — бедренная артерия, 15 — локтевая вена и артерия, 16 — бедренная вена, 17 — артерии и вены голени, 18 — дорсальные плюсневые сосуды, 19 — капиллярная сеть

Рис. 17.2. Схема кровообращения в наиболее значимых органах и системах

Рис. 17.3. Строение основных участков кровеносных сосудов: 1 — внутренняя оболочка (интима), 2 — средняя оболочка (медия), 3 — внешняя оболочка (адвентиция), 4 и 5 — внутренняя и наружная эластические мембраны, 6 — венозный клапан, 7— капилляры

Атриовентрикулярное отверстие

Биомеханика жидких сред организма человека
Кровь, которую выбрасывает сердце, движется по сосудам различного калибра, растяжимости и сопротивления. Так как в состав крови входят форменные элементы, она вязкая, и ее гидродинамическое сопротивление больше, чем у воды. Количество крови, поступающей к какому-либо органу за определенное время (количество/время), равен отношению разности давления (ДР) к гидродинамическому сопротивлению:Q (объемная скорость кровотока) =;

Объемная скорость (Q) прямо пропорциональна четвертой степени радиуса сосуда (r4); так, при повышении радиуса на 16% объемная скорость тока жидкости возрастает на 100%. Исходя из этого незначительные трансформации ширины просвета кровеносных сосудов очень сильно отражаются на кровотоке.

Сопротивление току жидкости (R ) зависит от ее вязкости. Вязкость крови зависит от числа эритроцитов, содержания белка в плазме и других факторов. Чем больше вязкость, чем меньше величина кровотока.

Уравнение Пуазейля обрисовывает все факторы, определяющие гидродинамическое сопротивление:

где ? — вязкость (в Пуазах),8 — коэффициент пропорциональности.

Взаимоотношение между давлением, объемной скоростью и сопротивлением возможно обобщить следующим образом:

1. Объемная скорость прямо пропорциональна высоте гидростатического напора и радиусу сосуда (r4).

2. Объемная скорость обратно пропорциональна длине сосуда (l ) и вязкости жидкости (?).

3. Гидродинамическое сопротивление прямо пропорционально длине сосуда и вязкости жидкости.

4. Гидродинамическое сопротивление обратно пропорционально радиусу сосуда (r4 ).

^ Периферическое сопротивление сосудистой сети человека равняется 1700 дин на с/см 5 .

Для сопоставления трансформаций сосудистого сопротивления предложены более эргономичные относительные величины — единицы периферического сопротивления (ЕПС). Периферическое сопротивление в этих единицах вычисляется следующим образом:
кровяное давление (мм рт. ст.)

минутный количество (л/мин либо мл/мин)
Чем больше величина, выраженная в ЕПС, тем больше сопротивление кровотоку; возрастание данной величины может свидетельствовать (не смотря на то, что не всегда) о увеличении сосудистого тонуса.

^ Скорость кровотока. Ток крови равно как и поток воды в струе, возможно или ламинарным, или турбулентным. Возможно представить, что текущая жидкость складывается из узких, скользящих относительно друг друга слоев. На любой из этих слоев действует напряжение либо усилие сдвига, замедляющее скорость его передвижения.

Распределение слоев в кровеносном сосуде с ламинарным течением определяется линейной скоростью кровотока, зависящей со своей стороны от таких факторов, как размер сосуда и гидродинамическое сопротивление (рис. 17.4). При известных значениях гидростатического напора и вязкости, линейная скорость обратно пропорциональна радиусу либо площади поперечного сечения (S) сосуда. Так, линейная скорость кровотока выше в сосудах малого диаметра.

Рис. 17.4. а — распределение скоростей в струе с ламинарным потоком жидкости. Скорость возрастает от нуля в пристеночном слое до большого значения в центре трубки, б — турбулентный поток, характеризующийся завихрениями и воронками

Атриовентрикулярное отверстие

Q (объемная скорость кровотока)

S (площадь поперечного сечения сосуда)
Средняя линейная скорость тока крови в аорте человека (диаметр 2 см, площадь сечения 3 см 2. объемная скорость кровотока — 84 мл/с) вычисляется следующим образом:

В более небольших артериях линейная скорость существенно выше, в венах большего диаметра ниже.

При возрастании линейной скорости до некоторой величины в струе образуются завихрения (как в стремительном потоке воды), сопровождающиеся шумом — течение преобразовывается из ламинарного в турбулентное (см. рис. 17.4, б). Эта величина определяется числом Рейнольдса (Re). , где v — линейная скорость тока жидкости, Д — диаметр сосуда, Р — плотность жидкости, ? — вязкость жидкости.

При артериосклерозе завихрение больше. Хорошо как мы знаем, что небольшие артерии а также капилляры образуются значительно реже. Это возможно растолковать их малым диаметром. В соответствии с закону Лапласа, давление (Р) в полом сосуде равняется отношению напряжения в его стенке (Т) к радиусу сосуда (r ) (рис. 17.5). Так, для кровеносных сосудов честна зависимость:Это указывает, что:

1. Увеличение давления (Р) ведет к росту напряжения (Т).

2. Потому, что давление (Р) обратно пропорционально радиусу, более небольшие сосуды смогут выдержать большее давление.

Рис. 17.5. Зависимость между давлением в сосуда (Р) и напряжением в его стенке (Т), другими словами сила, предохраняющая его от разрыва (закон Лапласа)
3. Напряжение (Т) прямо пропорционально радиусу (r)(Т = Р?r): чем больше радиус, тем больше напряжение, и напротив.

Атриовентрикулярное отверстие

В соответствии с законом Лапласа небольшие сосуды, и сосуды сердца маленьких размеров способны выдержать большее давление, чем более большие сосуды и возможность их разрыва меньше.

В законе Лапласа речь заходит о пассивном напряжении, т. е. напряжении, зависящем от структурных изюминок самого сосуда, таких, как количество эластических и коллагеновых волокон.

Активное напряжение связано с сокращением гладких мышц сосуда, приводящим к его сужению и уменьшению кровотока в нем. В случае если нервы, оканчивающиеся на этих мышцах, злить с возрастающей частотой, давление в сосудах будет возрастать, а кровоток падать (рис. 17.6).

Рис. 17.6. В твёрдой трубке (А) между давлением и объемной скоростью тока жидкости существует прямая зависимость; в эластичном и растяжимом кровеносном сосуде (Б), равноценному если сравнивать с твёрдой трубкой повышению давления соответствует меньший прирост объемной скорости (зависимость не линейная). Сокращение гладких мышц сосуда в следствии их раздражения (б) ведет к росту давления и менее выраженному повышению объемной скорости
Трансмуральное давление равняется разнице между давлением, действующим на сосуд извне, в частности со стороны окружающих тканей и тканевой жидкости, и изнутри (кровяным давлением). Так, при сокращении мускулы кровоток в ее сосудах может временно закончиться в связи с тем, что действующая извне сдавливающая сосуд сила будет больше давления в сосуда. К примеру, при судорогах мышц у спортсмена на протяжении исполнения интенсивных упражнений. В данной связи исключаются упражнения с натуживанием,

задержкой дыхания, поднятие тяжестей, прыжковые упражнения для людей пожилого и старческого возраста, и упражнения на тренажерах, подводное плавание, прыжки в воду из-за возможности происхождения спазма мышц.
Механизм происхождения шумов
Происхождение внутрисердечных шумов возможно растолковать физическими закономерностями течения жидкости по трубке.

Для происхождения шума в трубке имеют значение следующие факторы: 1) изменение просвета трубки, по большей части, сужение, реже — расширение; 2) скорость тока жидкости; 3) состав жидкости.

В случае если жидкость течет с определенной скоростью через трубку с однообразным сечением, то протекать она будет очень тихо (рис. 17.7, а).

Рис. 17.7. Схема происхождения сердечных шумов:

а — отсутствие шума, б— происхождение шума при сужении сосуда, в — происхождение шума при расширении сосуда, г — происхождение шума при сообщении сосудов
В случае если на ограниченном участке трубки имеется сужение и через нее пропустить жидкость с той же скоростью, то перед сужением и по окончании него в трубке появятся вихревые движения (рис. 17.7,6), каковые и приведут к образованию шума в этом месте. Таковой шум отмечается над склеротической бляшкой.

В случае если на ограниченном участке имеется расширение сосуда и через него пропустить жидкость с той же скоростью, то при движении из узкой в расширенную часть трубки появятся вихревые потоки, каковые и создадут условия для происхождения шума (рис. 17.7, в). Таковой шум отмечается при аневризме аорты и других сосудов.

Шум может кроме этого появиться в случае если пропускать жидкость через трубки, каковые имеют между собой сообщение (рис. 17.7, г). Таковой шум отмечается при незаращении баталова протока и при артерио-венозной аневризме. Не считая сужения просвета трубки, громадное значение в происхождении шума имеет скорость тока жидкости: чем она больше, тем шум посильнее и напротив.

Для происхождения шума имеют значение и свойства жидкости, например, ее вязкость.

Атриовентрикулярное отверстие

Точно такие же условия смогут появиться и при развитии патологических процессов на клапанах сердца (рис. 17.8).

В норме у здорового человека кровь из предсердий в желудочки на протяжении диастолы течет беззвучно, поскольку атриовентрикулярные отверстия широки и через них вольно проходят два пальца.

Рис. 17.8. Механизм происхождения шумов при пороках сердца: а — недостаточность митрального клапана, б — митральный стеноз, в — сужение устья аорты, г — недостаточность клапанов аорты: ЛВ — легочная вена, ЛП — левое предсердие, ЛЖ — левый желудочек, А — аорта
Но в случае если левое атриовентрикулярное отверстие делается узким (митральный стеноз) из-за сращения и склерозирования створок митрального клапана и кольца, к которому они прикреплены, то при прохождении крови через его узкое отверстие появляются вихревые движения крови, колебания створок клапана, что и ведет к образованию шума на протяжении диастолы (см. рис. 17.8, б).

Шум может появиться кроме этого при сужении устья аорты либо легочной артерии, в то время, когда кровь при сокращении желудочков будет проходить в сосуды через деланное выводы отверстие. Данный шум прослушивается на протяжении систолы (см. рис. 17.8, в); при недостаточности митрального клапана (см. рис. 17.8, а); при недостаточности клапанов аорты (см. рис. 17.8, г) кровь, благодаря неосуществимости створок всецело закрыть аортальное отверстие, поступает частично обратно из аорты в левый желудочек на протяжении диастолы, образуя наряду с этим диастолический шум.
Работа сердца
Сердце делает работу, создавая давление и информируя крови кинетическую энергию.

Работа любого желудочка возможно вычислена по следующей формуле:

где ^ Q — выброс крови из желудочка за одно сокращение (мл); R — сопротивление кровотоку на выходное либо среднее давление в аорте либо легочной артерии; q — ускорение силы тяжести (9,8м/с 2 ).

Для левого желудочка взрослого здорового человека свойственны следующие данные: Q = 80 мл; R= 100 мл рт. ст. (либо 1,36 М • Н2 О); v= 0,5 м/с; работа равна 80 • 1,36 + 1 /2(20/9,8) = 109 + 1 = 110 г-м (грамм-метр) за одно сокращение. При частоте сердцебиений 70 ударов в минуту, работа в минуту равна 7,7 кгм.

Потому, что любой миллилитр кислорода (О2 ), применяемый сердцем, эквивалентен приблизительно 2,06 кгм, работа левого желудочка за 60 секунд, равная 7,7 кгм, эквивалентна приблизительно 3,7 мл кислорода.

В норме правый желудочек формирует значительно меньшее давление, исходя из этого его работа в минуту значительно меньше; неспециализированная работа желудочков эквивалентна потреблению 4,5 мл О2. Общее потребление О2 сердцем существенно выше и образовывает приблизительно 30 мл в минуту.

Отношение количества О2. эквивалентного произведенной механической работе, к неспециализированному количеству кислорода, использованному в течение минуты, отражает механическую эффективность сердца. В данном примере она равна 15%.

Работа левого желудочка, перекачивающего при среднем давлении 100 мм рт. ст. (135 г/см 2 ) 5 л (5000 см 3 ) крови в минуту, образовывает:

5000 • 135 = 675 000 г • см = 6,75 кг • м (за 1 мин).
Коэффициент нужного действия (КПД) сердца
КПД, равный отношению идеальной работы к затраченной энергии образовывает всего 14—25%, что говорит о больших утратах энергии.

Атриовентрикулярное отверстие

При физической работе (нагрузке) и тренировке КПД сердца может возрастать. При увеличении Преисподняя нагрузка на сердце делается больше, а КПД значительно уменьшается. Исходя из этого для облегчения работы сердца нужно, дабы кровяное давление было относительно низким, а сердечный выброс — громадным.

^ Работа сердца за удар — внешняя работа, совершаемая сердцем за одно сокращение. По представлениям О. Франка, механическая работа сердца равна сумме работ: по перемещению ударного объема крови против давления в магистральных артериях, по сообщению крови кинетической энергии, по созданию упругого напряжения в стенке миокарда и по передвижению участка сердца. Из данной суммы (по О. Франку) направляться вычесть потенциальную энергию упругих сил, действующих в миокарде, и кинетическую энергию притекающей к сердцу крови. Но существенно чаще работа сердца за удар определяют как сумму работ по перемещению ударного объема крови против давления в магистральных артериях и сообщению данной крови кинетической энергии:

В покое у молодых лиц работа сердца по сообщению крови кинетической энергии образовывает только около 3—4% от общей работы сердца за удар. Но при физической нагрузке, и у пожилых людей (и в том и другом случае скорость тока крови в аорте возрастает) работа по сообщению крови кинетической энергии существенно выше.

^ Факторы, снабжающие движение крови, по сосудам — в каждом сегменте сосудистого русла движение крови осуществляется за счет перепада давления на его проксимальном и дистальном концах. В сосудистом русле различают силы, действующие на кровь в противоположных направлениях. Одно направление обеспечивается деятельностью сердца (формирует энергию, расходуемую по мере продвижения крови), трансформацией тонуса сосудов, сокращением поперечно-полосатой мускулатуры. В другом направлении сила обеспечивается присасывающей функцией грудной клетки и сердца. Венозное давление в сосудах, находящихся в грудной клетки, ниже, чем в экстраторакальных венах, что содействует созданию перепада между давлением в венах и правым предсердием.
Механические свойства сосудов
Сосуды являются ответственными элементами в целостном организме. В зависимости от морфологического строения стенок кровеносные сосуды делятся на эластические (с преобладанием эластической ткани), мышечные (с преобладанием гладкомышечной ткани) и смешанные.

Диаметр кровеносных сосудов и тканевой состав их стенок разны в зависимости от типа сосуда (рис. 17.9). В большинстве случаев, в стенках артерий больше эластической ткани и меньше коллагеновых волокон, чем в стенках вен; вены же, напротив, более богаты коллагеновыми волокнами. Капилляры имеют эндотелиальный слой, но их стены лишены мышечной и соединительной ткани. Стены всех больших артерий имеют три оболочки: внутреннюю, среднюю и наружную.

Эндотелиальные клетки, выстилающие сосуд изнутри, занимают важное место в гемодинамике, нарушение их целостности ведет к риску происхождения тромбов.

Лимфатические сосуды, делающие особенную функцию, по строению сходны с венами, отличаясь от них меньшей толщиной и большей проницаемостью. Лимфатические сосуды пронизывают практически все органы, за исключением кожи, волос, роговицы и некоторых других.

Вам это понравится: