Судинна система. Основні гемодинамічні показники. Біофізика кровообігу.

Судинна система – це замкнена система з еластичних трубок (судин) різного діаметру.

Від серця кров рухається спочатку до аорти – еластичній трубці діаметром 2 – 3 см. Чим далі від серця, тим більш розгалужуються судини, направляючи кров в усі розгалуження судин – артерії. Діаметр артерій зменшується з віддаленням від серця. При вході у тканини органів артерії розгалужуються і переходять у дуже дрібні судини – артеріоли, які дають початок багато численним волосяним судинам – капілярам. Стінки капілярів мають специфічну властивість – нагадують «ситечко». В отвір між клітинами, які утворюють один шар, в клітини та тканини вільно проникають кисень й поживні речовини. Капіляри не закінчуються, а поступово їх діаметр збільшується і вони перетворюються у венули, які з’єднуються у вени, що несуть кров до серця. Коло закінчується й до місця «старту» кров повертається приблизно через 20 с.

Кров у артеріях за 1 с проходять приблизно 0,5 м, у венах – 10…20 см, у капілярах – 0,05…0,1 см.

Порівнюючи діаметри судин та швидкості току крові у різних судинах (табл. 2.1), можна судити, що умова неперервності струмини для кровоносної системи не виконується – чим менший діаметр судин, тим менша швидкість. Але пояснити це можна тим, що в таблиці вказано діаметр однієї судини. При розгалуженні судин сумарна площа розгалужень зростає. Для капілярів сумарна площа у 800 разів більша, ніж площа аорти, чим і пояснюється мала швидкість крові у капілярах.

У табл.2.1 подані значення тиску та швидкості руху крові у різних судинах. Швидкість крові зменшується від аорти до капілярів, а потім у венах зростає. Отже, тиск повинен бути більшим у капілярах, а меншим – в аорті і венах (за рівнянням Бернуллі). Але таке твердження безпідставне, тому що кров може рухатись лише у напрямі зменшення тиску. Таке протиріччя і пояснюється роботою серця, яке накачує кров в аорту і створює тиск до 150 мм рт.ст., потім тиск падає, а у венах навіть набуває від’ємних значень.

З точки зору біофізики аналіз кровообігу полягає у встановленні зв’язку між тиском та швидкістю руху крові, їх залежністю від фізичних параметрів крові, діаметра, еластичності судин і роботи серця. Повна система кровообігу дуже складна і моделювати її в цілому неможливо, а тому моделюють окремі судини або невелику їх сукупність, досліджуючи рух крові. Рух крові та тиск мають коливний характер внаслідок періодичної роботи серця.

Таблиця 2.1

Судини Діаметр, мм Швидкість, см/с Тиск, мм рт.ст.
аорта 50 – 150
артерії 10 – 5 50 – 20 80 – 20
артеріоли 0,1 – 0,5 20 – 1,0 50 – 20
капіляри 0,5 – 0,01 0,05 – 0,1 20 – 10
венули 0,1 – 0,2 0,1 – 1,0 10 – 5
вени 10 – 30 10 – 20 5 – 0

 

Біофізичні основи процесу кровообігу. Джерелом енергії, яке забезпечує рух крові у судинній системі, є серце, енергія функціонування якого забезпечується АТФ, що утворюється в процесі гліколізу та окисного фосфорилювання у серцевому м’язі. З енергетичної точки зору серце – система, яка виконує механічну роботу за рахунок хімічної енергії.

Рух крові у судинній системі можливий за наявності різниці тисків на початку і в кінці судини. Ця різниця створюється роботою серця.

Другий фактор – скорочення скелетних м’язів та від’ємний тиск у плевральній порожнині. Під час скорочення скелетних м’язів стискаються вени і, завдяки їх вентильним властивостям, кров рухається в одному напрямі – в бік серця. Від’ємний тиск сприяє притоку крові до серця венами.

Але так само як прискорюється приток крові до серця венами, так і сповільнюється відплив крові від серця артеріями. Тому результуючий гемодинамічний ефект, зумовлений від’ємним тиском у грудній порожнині, рівний нулю.

Розглянемо рух крові у великому колі кровообігу, враховуючи те, що основну роботу виконує лівий шлуночок, з якого починається велике коло кровообігу. Під час скорочення лівого шлуночка в аорту, заповнену кров’ю, викидається систолічний (ударний) об’єм крові (60 – 70 мл у нормі).

У медичні практиці як діагностичний тест використовують хвилинний об’єм крові, величина якого залежить від статі, зміни температур середовища та віку. При зростанні фізичного навантаження зростає хвилинний об’єм крові: у спортсменів сягає 40 л, а при серцевій недостатності може бути 1,5 л.

Ударний об’єм крові поступає в аорту, клапан закривається і там створюється підвищений тиск, який називається систолічним ( ≈ 16 кПа). Внаслідок інерції крові цей тиск зумовить не переміщення її судиною, а розширення судини та наповнення її кров’ю. Пружна сила стінки судини виштовхує надлишок крові у наступну ділянку, де весь процес повторюється. Таким чином, по судині поширюється імпульс, який залежить від тиску, швидкості кровоточу та деформації стінки судини. Так утворюється пульсова хвиля. Швидкість поширення пульсової хвилі ( 6 – 8 м/с) набагато більша від швидкості течії крові і залежить від параметрів судин:

,

де v – швидкість пульсової хвилі, Е – модуль пружності, d – товщина, ρ – густина стінки, r – радіус судини.

Об’ємна швидкість кровотоку – кількість крові, яка протікає через поперечний переріз за одиницю часу. Залежить від різниці тисків на початку і в кінці ділянки судинної системи та загального опору потоку крові. Визначають за формулою Пуазейля, хоча опір потоку крові в судинній системі більший, ніж врахований у формулі, внаслідок втрат енергії під час деформації її еластичних стінок, а також турбулентної течії в розгалуженнях.

В артеріолах і капілярах кров’яний тиск сильно падає, що зумовлено великим опором внаслідок тертя. У венозних судинах з площею перерізу в 2 рази більшою від площі перерізу артерій швидкість течії крові невелика і спад тиску незначний. У широких венах тиск біля серця стає на декілька міліметрів нижчим від атмосферного, при цьому кров рухається за рахунок присмоктуючої дії грудної клітки під час вдоху.

Рух крові у судинній системі та розподіл її між різними ділянками цієї системи залежить від роботи серця, перерізу судин, їх еластичності, кількості циркулюючої крові, її реологічних властивостей, тонусу судин, і регулюється центральною нервовою системою.