Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

HEMODYNAMIKA niezbędnik fizyka Zbigniew Nawrat. Układ krążenia krwi: (1) serce (2) naczynia krwionośne ( tętnice – do tkanek, arteriole, kapilary, żyły-

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "HEMODYNAMIKA niezbędnik fizyka Zbigniew Nawrat. Układ krążenia krwi: (1) serce (2) naczynia krwionośne ( tętnice – do tkanek, arteriole, kapilary, żyły-"— Zapis prezentacji:

1 HEMODYNAMIKA niezbędnik fizyka Zbigniew Nawrat

2 Układ krążenia krwi: (1) serce (2) naczynia krwionośne ( tętnice – do tkanek, arteriole, kapilary, żyły- od tkanek do serca) (3) krew

3 Prawa komora serca Lewa komora serca

4 Q [ml/s]R [mmHg*s/ml] Głowa13,26,82 Kończyny górne4,420,5 Naczynia wieńcowe4,420,5 Wątroba i śledziona26,43,41 Nerki17,65,11 Tułów i kończyny dolne 224,09 Duże krążenie881,02 Małe krążenie880,09 PRZEPŁYW PRZEZ NARZĄDY

5 Ciśnienie mierzymy siłą na pole powierzchni przekroju naczynia P = F/S Ciśnienie średnie 100 mmHg wytwarzane na poziomie serca jest równe ciśnieniu hydrostatycznemu jakie wytwarza słup krwi o wysokości 136 cm. Ciężar właściwy krwi jest 13,6 razy mniejszy od ciężaru właściwego rtęci, stąd czyli średnie ciśnienie w aorcie jest równe akurat 100 mmHg. Na ciśnienie krwi wpływa również ciśnienie hydrostatyczne. P= ρgh Zakładając gęstość ρ =1000 kg/m 3 a przyspieszenie g=10 m/s 2 można je obliczyć ze wzoru P = 100 h (hPa) lub P = 75 h (mmHG)

6 Ciśnienie krwi (P) jest wynikiem wyrzutu określonej objętości krwi przez komory serca pod określony opór naczyń krwionośnych. Średnie ciśnienie krwi (MAP) wynosi normalnie ok. 100 mmHg W przybliżeniu można je wyliczyć znając ciśnienie ssania (diastolic pressure Pd) i ciśnienie tłoczenia (systolic pressure Ps) wzorem: MAP = Pd + (Ps - Pd)/3,

7 Serce działa na określoną objętość krwi (masę) nadając jej odpowiedni pęd, który w reakcji z układem naczyniowym powoduje powstanie odpowiednich wartości ciśnienia i przepływu krwi w naczyniach oraz tzw. pulsu czyli rozchodzącego się falowo napięcia ścian naczyń. F = ma, m = ρV (Newton) to siła powoduje nadanie przyspieszenia a objętości V, F = ρVa Czyli w czasie wyrzutu T zmianę pędu Δp i prędkości Δv; FT = Δp = mΔv Krew najszybciej płynie w po wyrzucie serca w tętnicach, do 500cm/s, w żyłach tylko - 15cm/s, a najwolniej w naczyniach włosowatych - 1mm/s (całkowity przekrój wszystkich kapilar jest 800 razy większy od przekroju aorty –patrz prawo ciągłości przepływu).

8 Krew krążąc w obwodzie zamkniętym (systemowym i płucnym) (1) dostarcza komórkom: tlen, substancje odżywcze, (2) odprowadza: dwutlenek węgla oraz odpadowe produkty przemiany materii. (3) rozprowadza ciepło (termoregulacja), (4) transportuje nośniki informacji (hormony) (5) transportuje substancje katalizujące (enzymy), kontrolujących przebieg reakcji chemicznych. (6) transportuje przeciwciała

9 Krew jest cieczą niejednorodną. W przybliżeniu można uznać ją za ciecz niutonowską, czyli spełniającą prawo Newtona, które mówi, że siła wprowadzająca ciecz w ruch jest wprost proporcjonalna do powierzchni poruszających się warstw i spadku prędkości F= μ S dv/dx μ współczynnik lepkości [Ns/m 2 ] [kg/ms] = 10 P. Lepkość krwi - μ = 4,75 *10 -3 Ns/m 2, wody 1 *10 -3 Ns/m 2 Lepkość krwi zależy od : hematokrytu (stosunek objętości krwinek do objętości krwi), temperatury, przekroju naczynia (tylko dla małych przekrojów,< 0,3mm). Przy wzroście hematokrytu ponad 60% lepkość krwi znacznie wzrasta. Szybkość opadu krwinek jest parametem diagnostycznym (OB, Biernackiego) – w teoretycznym opisie trzeba wykorzystać prawo Archimedesa.

10 Krew jest środkiem terapeutycznym oraz środkiem ratującym życie w przypadku utraty krwi. Poszukiwania substytutu krwi są istotne ze względu na brak krwi dawców oraz zagrożenia przenoszenia chorób poprzez transfuzję. Ogólnie ryzyko sięga 1 %. Ryzyko zarażenia wirusem żółtaczki B ocenia się na 0.002%.

11 Hemoglobina była rozpatrywana jako potencjalny nośnik tlenu z powodu bardzo dobrej pojemności przenoszenia tlenu. Eksperyment przeprowadzony przez Ponfick’a (1875) doprowadził do pierwszej infuzji wolnej hemoglobiny (stroma free hemoglobin) człowiekowi w Pierwsze preparaty były surowymi, nieoczyszczonymi hemolizatami RBC, które powodowały szereg komplikacji: DIC (rozsiane wykrzepianie wewnątrznaczyniowe), toksyczność nerek, reakcje anafilaktyczne (nadwrażliwość). :

12 Dopiero w 1967 r. Rabiner pokazał, że fragmentu zrębu RBC są toksyczne i powrócono do hemoglobiny jako substytutu krwi. Wprowadzenie hemoglobiny wolnej od zrębu eliminuje wiele problemów z toksycznością roztworów zastępczych.Wczesne problemy z dysocjacją naturalnej hemoglobiny na dimery i ich szybkie wydzielenie przez nerki, jest rozwiązywany teraz przez sieciowanie, polimeryzację, wiązanie z dekstranem i glikolem polietelynowym. Techniki rekombinacji DNA są również badane dla osiągnięcia molekuł o pożądanych własnościach.

13 Wolna Hb jest badana w wielu laboratoriach na zwierzętach i rozpoczyna się jej stosowanie kliniczne. Ponieważ HB jest białkiem, rozpuszczona w postaci wolnej w osoczu ma wpływ na ciśnienie onkotyczne (prawidłowe ciśnienie koloidoosmotyczne (białka) wynosi 3.3kPa a osmotyczne płynów ustrojowych wynosi 723,8kPa). Dlatego uważa się, że stężenie Hb nie powinno być większe niż 70 g/L. W normalnej krwi jest dwa razy więcej Hb więc to ogranicza zastosowanie tego preparatu jako jej zastąpienie.

14 By zwiększyć stężenie wolnej Hb zamyka się ją w kapsułach wykonanych z syntetycznych polimerów, usieciowanych białek, związków fosfolipidowo- choresterolowych itp. To pozwala na wprowadzenie tak ważnych dla procesu wymiany tlenowej związków 2,3-DPG i ATP. Czas połowicznego życia osiąga wtedy 20 godzin po transfuzji. 2,3 – DPG to pośredni metabolit w przebiegu glikolizy beztlenowej. Wpływa na krzywą uwalniania tlenu z hemoglobiny, zwiększając podaż tlenu do tkanek. ATP- adenozynotrifosforan –główny związek w przenoszeniu energii w komórce. W lecznictwie stosowany jako sól sodowa – doustnie podany rozszerza krótkotrwale naczynia krwionośne.

15 Najbardziej obiecujący związek chemiczny (FDA). Nie występuje w naturze. Jest produkowany przez zastąpienie atomów wodoru atomami fluoru w związku organicznym (o wysokiej temp.parowania, nie toksycznych)

16 Perfluoroweglany były badane intensywnie od lat 70-tych. Emulsja z perfluorodecalinu (nazwa handlowa Fluosol-DA prod. Green Cross Corp. of Japan) była stosowana u ludzi ale nie otrzymał FDA (fałszowanie wyników klinicznych). Obecnie Fluosol-DA ma ograniczone dopuszczenie FDA do stosowania natleniania serca w czasie angioplastyki wieńcowej. Natleniony Fluosol jest perfundowany przez kateter w czasie inflacji balonu. Flusol musi być przechowywany w stanie mrożenia by nie aglomerował, w czasie transfuzji musi być mieszany. Oxygent jest emulsją perfluroctyl bromku Jest badany na ludziach ale nie ma FDA. Oxygent jest zdolny przenosić 4 razy więcej tlenu niż Flusol i nie musi mieć specjalnych warunków przechowywania.

17 PFC nawet jeżeli może przenieść tyle samo tlenu jak RBC ma ograniczenia spowodowane tym, ze tylko maksymalne stabilne stężenie PFC to 20-25%. 20% PFC w równowadze z powietrzem w pokoju (16% O2) niesie mniej niż 1 mL/100 mL O2 co daje mniej niż 5% tego co krew. Zwiększając stężenie O2 do 100% osiągniemy maximum 5 mL/100 mL (poniżej fizjologicznych wymagań). PFC o stężeniu ponad 20% jest za bardzo lepki i nie nadaje się jako substytut krwi.

18 Lepkość zależy od stężenia Wzór Einsteina (dobry do c<1%)  =  0 ( c) Dla roztworów o c do 40%  =  0 / ( c) =  0 (1+2.5c c )

19 Przepływ laminarny osiowo symetryczny cieczy lepkiej może być z przybliżeniem stosowany w dużych naczyniach krwionośnych. Strumień objętości wyraża się wzorem Poiseuilla Q = dV/dt =  r 4 Δp / 8 μ l = Δp / R gdzie R -jest oporem naczyniowym przepływu R = 8 μ l/  r 4 Czyli opór naczynia rośnie wprost proporcjonalnie do jego długości, ale bardzo szybko rośnie gdy maleje promienia naczynia (gdy średnica maleje 2 razy to opór rośnie 2*2*2*2= 16 razy!)

20 Opór naczyniowy jest wielkością diagnostyczną. Stosunek ciśnień między układem tętniczym a żylnym do strumienia objętością krwi daje tzw. całkowity obwodowy opór naczyniowy (total peripheral resistance). TPR = (P aorty – P przedsionka )/ Q TPR = (100 – 1 [mmHg])/ ml/min TPR = 0.02 PRU (peripheral resistance unit) Przykładowo opór części płucnej PRU, a opór stawiany przez ramię wynosi 0.33 PRU.

21 Podatność ( Compliance ) naczyń C = dV/dP V – objętość P – ciśnienie Podatność – odwrotność sprężystości

22 Volume Pressure (mmHg) Pressure Volume Vein Artery Podatność = Objętość / Ciśnienie

23 Gdy prędkość cieczy czy krwi rośnie może nastapić zmiana charakteru przepływu z laminarnego na burzliwy. Zachodzi to gdy zostanie przekroczona wartość liczby Reynoldsa (Re = ok. 1000) R e = v krwi r ρ / μ Dla normalnego człowieka prędkość przepływu w aorcie jest od 50 do 300 cm/s, a jej średnica od 2,5 do 4 cm. Gęstość krwi jest około 1 g/cm 3, lepkość 0.04 Puaza to znaczy że liczba Re jest od 3000 do Przepływ w aorcie jest turbulentny. W czasie przepływu turbulentnego wytwarzana jest fala akustyczna, więc można to wykorzystać diagnostycznie. Zwężona zastawka powoduje, że rośnie chwilowo prędkość, Re, turbulencje i wytwarzany jest charakterystyczny dźwięk. W przypadku zdrowego człowieka tony serca sa zwiazane z zamykaniem zastawek. Wejście w turbulencje może być również spowodowana przeszkodami w strumieniu. Krew przepływając burzliwie stawia większy opór (większe Δp ), wymaga więcej pracy od serca oraz pojawia się niebezpieczeństwo uszkodzenia krwinek

24 Serce jako pompa wykonuje pracę. Praca „ciśnieniowa” = F*x = P*S * v*t = P* V F – siła, x – przesunięcie, P – ciśnienie, v – prędkość, V – objętość, t – czas Zakładając, że krew to ciecz nielepka i nieściśliwa, zasada zachowania energii dla serca P żyły V m v żyły 2 + mgh żyły + W serca = = P tętnicy V m v tętnicy 2 + mgh tętnicy

25 Zakładając, że v żyły << v tętnicy oraz h żyły = h tętnicy oraz m= ρV W serca = P tętnicy V (ρV) v tętnicy 2 Gdy wstawimy do równania ciśnienie w tętnicy P tętnicy = N/m 2 Objętość wyrzutu (70 ml) V = 0, m 3 Gęstość krwi ρ = kg/m 3 Prędkość krwi v tętnicy = 0,5 m/s Otrzymamy energię zużywaną przez serce (lewa komorę serca) w czasie wyrzutu W serca = 1, 4 J ( w tym energia kinetyczna krwi tylko J)

26 DZIAŁANIE SERCA Cykl pracy serca można podzielić na 4 fazy: 1.Wypełnianie serca (diastole) 3. Wyrzut (systole) - krew napływa do komory - krew z komory lewej wyrzucana jest do aorty - AV aortalna zastawka zamknięta, MV mitralna zastawka otwarta - AV otwarta, MV zamknięta 2.Izowolumetryczny skurcz serca (systole) 4. Izowolumetryczny rozkurcz serca (diastole) - - AV zamknięta, MV zamknięta

27 Do opisu układu krążenia można stosować prawa hydrodynamiki. Jeśli zapiszemy prawo zachowania energii dla cieczy doskonałej (nieściśliwej) P V m v 2 + mgh = const P V (ρV) v 2 + (ρV) gh = const Podzielmy stronami przez objętość V P ρ v 2 + ρgh = const ρ - gęstość cieczy, g - przyspieszenie ziemskie, z - wysokość geometryczna, p – ciśnienie, v – prędkość, V - objętość Tak zapisane równanie zachowania (poprzez ciśnienia) nosi nazwę równania Bernoulliego

28 P ρ v 2 + ρgh = const Równanie Bernoulliego

29 Prawo ciągłości przepływu. Jeśli w układzie połączonych naczyń (układzie krwionośnym) nie ma źródeł ani ujść krwi dla każdego połączenia naczyń i każdego przekroju obowiązuje prawo ciągłości przepływu. Q 1 = Q 2 + Q ale Q = Sv czyli w każdym przekroju suma ΣSv = const S – pole przekroju v – prędkość przepływu

30 Opór stawiany przez zastawki, mierzony różnica ciśnień przed i za zastawką (tzw. gradient ciśnienia) jest jednym z podstawowych parametrów charakteryzujących zastawki. Zwężenie zastawki serca z powodu choroby (kalcyfikacja) powoduje, że serce musi pokonać dużo większe opory. Często jedynym sposobem jest odpowiednio szybkie zastąpienie zastawki sztuczna zastawką serca (protezą).

31 Prawo Bernouliego dla zastawki aortalnej P komory = P aorty ρ v 2 to prędkość przepływu krwi v = { 2 (P komory - P aorty )/ ρ} 0.5 ale przybliżając, przepływ objętościowy Q (l/min) związany jest z prędkością v (m/s) przepływu dla „płaskiego czoła fali” poprzez pole przekroju (pole otwarcia zastawki) S (m 2 ) Q = S v Otrzymujemy związek S = Q/v = Q/ (2/ ρ) 0.5 { P komory - P aorty } 0.5

32 Ten związek podany w trochę innej formie jest zwany równaniem Gorlinów i dzięki niemu znając (na podstawie badań ultrasonograficznych serca) przekrój zastawki (pole otwarcia) możemy liczyć gradient ciśnienia. Dla zastawki mitralnej mamy wzór (odpowiednie współczynniki wyznaczone były eksperymentalnie) S = Q/ 31 {Δp} 0.5 Dla zastawki aortalnej S = Q/ 44,3 {Δp} 0.5

33 Względne pole otwarcia zastawek biologicznych serca podczas badania w przepływie ciągłym.

34 Zastąpienie serca w czasie operacji – perfuzja.

35 Płuca: - czynność fizjologiczna płuc polega na wymianie gazowej między atmosferą i krwią (niezbędne dla utrzymania przemian metabolicznych w ustroju) - homeostaza utrzymująca stan dynamicznej równowagi gazowej ustroju jest uzależniona od rytmicznej ruchomości klatki piersiowej - praca oddechowa wywiera istotny wpływ na przepływ krwi przez naczynia płucne i, pośrednio, na układ krążenia

36 Ruch powietrza do i z płuc jest spowodowany różnicą ciśnień. Pęcherzyki płucne oplecione są sprężystymi włókienkami białkowymi (np.kolagen).Ciśnienie śródpęcherzykowe powietrza w pęcherzykach płucnych (od -1.5 do +1.5 mmHg) jest większe od ciśnienia wewnątrzopłucnego (zmienne od – 6 do –2.5 mmHg). W stanie spoczynku daje to różnicę – 4 mmHg. Brak tego podciśnienia powoduje zapadanie płuca przy otwartej klatce. Podczas wdechu mięśnie oddechowe powiększają objętość klatki piersiowej, co powoduje zmniejszenie ciśnienia do – 6 mmHg. Wzrost objętości płuc daje wzrost objętości pęcherzyków i odpowiedni (pV = const) spadek w nich ciśnienia (do –1.5 mmHg), która kieruje do nich strumień powietrza (ok.0.5l). Podczas wydechu mięśnie rozluźniają się, klatka zmniejsza objętość a siły sprężyste (retrakcyjne) zmniejszają objętość pęcherzyków. Ciśnienie w pęcherzykach zwiększa się do 1.5 mmHg ponad atmosferyczne – następuje usunięcie powietrza z płuc. Przy 15 oddechach na minutę wentylacja minutowa wynosi 8 l/min.

37 Prawo Laplace’a Ciśnienie = k* napięcie powierzchniowe / promień dla kuli k = 2, dla walca k=1 Surfaktanty są związkami lipidowym na powierzchni pęcherzyków, których napięcie powierzchniowe zależy od grubości warstwy (od do 0.01 N/m). Przy wdechu, rozszerzają się pęcherzyki, maleje grubość surfaktantu i rośnie jego napięcie powierzchniowe – co wraz z siłami sprężystymi pozwala na równowagę z ciśnieniem napierającego powietrza. Przy wydechu (maleje r) maleje też napięcie powierzchniowe co zapobiega zapadaniu się pęcherzyków.

38 Prawo Hooke’a Podatność płuc = przyrost objętości / przyrost ciśnienia Ciśnienie powietrza pokonujące opory sprężyste = Ciśnienie początkowe wewnątrzopłucnowe + Objętość wprowadzonego powietrza/ podatność płuc Zmiany chorobowe wpływają na podatność płuc (też prace potrzebną na rozciągnięcie pęcherzyków) dW=pdV W spoczynku energia zużyta na oddychanie wynosi 1.4 W. Energię możemy obliczyć znając zużycie tlenu i współczynnik energetyczny tlenu (20 kJ/l O 2 )

39 Prawo Henrego Stężenie gazu w cieczy = współczynnik absorbcji ( rozpuszcz.gazu) * ciśnienie cząstkowe gazu nad cieczą Np. Wsp.abs. Tlenu w wodzie jest 2.6* Pa -1 a w osoczu 2.2 * Pa -1. Stosunek stężenia tlenu do azotu w powietrzu jest 1:4 a w wodzie 1:2. Z obj.0.5 l powietrza wdychanego tylko 0.4 l dostaje się do części czynnej. W tej części ciśnienie parcjalne zmaleje z 158 do 100 mmHg. Poprzez dyfuzję przez ścianę naczynia w krwi zmieni się ciśnienie parcjalne tlenu z 40 do 95 mmHg (CO 2 z 46 do 40 mmHg). Strumień dyfundującego gazu jest proporcjonalny do różnicy ciśnień gazu w pęcherzykach P a i w naczyniach włosowatych P k. dV/dt = D (P a – P k ) D – współczynnik dyfuzji

40 Krew bez hemoglobiny musiałaby płynąć strumieniem 75 razy większym, bo rozpuszczalność tlenu w osoczu jest mała ( ok.3 cm 3 tlenu w litrze). Hemoglobina wiąże tlen (nasycenie 98%) przechodząc w oksyhemoglobinę. Co prawda rozpuszczalność CO 2 w osoczu jest 20 razy większa od tlenu, ale to z mało, więc ponad 90% jego jest przenoszone w formie związanej; z hemoglobina tworząc związki karbomidowe (25%) oraz w postaci wodorowęglanów (65%)

41 Porównanie płuca naturalne i sztuczne (oksygenator kapilarny) płucaoksygenator powierzchnia70m m 2 odległość dyfuzji 1-2  m  m membranahydrofilnahydrofobowa długość kapilar0.5-1mm10-15cm grubość warstwy 3-7  m  m czas transportu0.7s5-15s opór dla krwimałyduży


Pobierz ppt "HEMODYNAMIKA niezbędnik fizyka Zbigniew Nawrat. Układ krążenia krwi: (1) serce (2) naczynia krwionośne ( tętnice – do tkanek, arteriole, kapilary, żyły-"

Podobne prezentacje


Reklamy Google