Физические основы гемодинамики
Гемодинамика — это раздел медицинской физики, изучающий физические законы, управляющие движением крови по сосудам. Движение крови — это сложный процесс, в котором участвуют силы давления, сопротивления, вязкости и эластичности сосудистой стенки. Кровь, представляющая собой неньютоновскую жидкость, течет по замкнутой системе сосудов, формируя переменный и пульсирующий поток, подчиняющийся законам гидродинамики и реологии.
Артериальное давление — это сила, с которой кровь давит на стенки сосудов. Оно создается работой сердца и распространяется по артериальной системе. Давление измеряется в мм рт. ст. и подвержено колебаниям: максимальное значение наблюдается во время систолы (систолическое давление), минимальное — во время диастолы (диастолическое давление). Разность между ними составляет пульсовое давление.
Градиент давления — это движущая сила кровотока. Кровь течёт от зоны высокого давления (аорта) к зоне низкого (вены). Без градиента давления кровоток невозможен.
Для описания ламинарного (слоистого) течения крови в мелких сосудах используют закон Пуазёйля:
$$ Q = \frac{\pi \Delta P r^4}{8 \eta L} $$
где:
Ключевой вывод: объемный кровоток зависит от четвёртой степени радиуса сосуда, что делает радиус критически важным параметром. Даже небольшое сужение просвета сосуда резко снижает кровоснабжение.
Кровь в нормальных условиях течёт ламинировано, без вихрей, слоями. Однако при высокой скорости, снижении вязкости или резком сужении сосуда поток становится турбулентным, что сопровождается шумами (аускультативный симптом стеноза).
Критерием перехода между этими режимами является число Рейнольдса:
$$ Re = \frac{\rho v D}{\eta} $$
Если Re > 2000, возникает турбулентность. В нормальных сосудах кровь течёт ламинарно, но в области клапанов, при анемии или стенозах может возникать турбулентность.
Кровь — это суспензия клеток в плазме, обладающая неньютоновскими свойствами. Её вязкость зависит от:
Эти особенности обуславливают снижение вязкости при ускорении потока — явление, характерное для сосудов микроциркуляции.
Общее сопротивление сосудистой системы складывается из сопротивлений отдельных сосудов. Согласно аналогии с электрической цепью:
$$ R = \frac{8 \eta L}{\pi r^4} $$
Наибольшее сопротивление оказывают артериолы благодаря их малому радиусу и способности к активной регуляции диаметра. Аорта и крупные артерии практически не вносят существенного сопротивления, но играют роль демпфера, сглаживающего пульсации давления.
Суммарное периферическое сопротивление — важный фактор, определяющий артериальное давление.
Комплаенс (растяжимость) — это способность сосудистой стенки изменять объем под действием давления. Наиболее выражен он у вен и аорты. Комплаенс снижает амплитуду пульсаций давления, играя роль буфера.
Пульсовая волна, возникающая при выбросе крови из желудочка, распространяется по сосудам со скоростью, зависящей от жесткости сосудистой стенки. При атеросклерозе или гипертонии скорость распространения пульсовой волны возрастает, что служит диагностическим показателем.
Объёмная работа сердца за один цикл (ударный объём Vs) умножается на давление и даёт механическую работу:
A = P ⋅ Vs
Мощность сердца:
$$ N = \frac{A}{t} = P \cdot \frac{V_s}{t} $$
При нормальном сердечном ритме около 70 уд/мин и ударном объёме 70 мл, минутный объём сердца (МОК) составляет около 5 л/мин. При физической нагрузке МОК может увеличиваться в 4–6 раз за счёт повышения частоты и ударного объёма.
Капилляры — сосуды с наименьшим радиусом, обеспечивают обмен веществ между кровью и тканями. В них скорость кровотока крайне мала (около 0,5 мм/с), что обеспечивает эффективную диффузию. Давление в капиллярах составляет около 20–30 мм рт. ст.
Особенности капиллярной гемодинамики:
Процессы фильтрации и реабсорбции в капиллярах регулируются законом Старлинга, в котором учитываются давления снаружи и внутри капилляра.
Движение крови по венам происходит при низком давлении и требует дополнительных механизмов:
Тонус сосудов регулируется нервными, гуморальными и местными механизмами.
Нервная регуляция осуществляется симпатической и парасимпатической системами. Симпатическая стимуляция вызывает сужение сосудов, увеличение артериального давления. Парасимпатическая система преимущественно регулирует сосуды внутренних органов и сердца.
Гуморальная регуляция включает действия гормонов:
Местная регуляция обеспечивается:
Церебральный кровоток строго авторегулируется: при изменении давления в пределах 60–160 мм рт. ст. мозг сохраняет стабильный приток крови. Чрезмерное повышение давления может привести к нарушению гематоэнцефалического барьера.
Коронарный кровоток зависит от фазы сердечного цикла: в диастолу усиливается, в систолу — снижается. Потребление кислорода миокардом очень велико, поэтому даже кратковременное нарушение притока крови может быть критическим.
Почечный кровоток подвержен сложной ауторегуляции, обеспечивает поддержание фильтрации и гомеостаза.
Печень и кишечник получают кровь как по артериям, так и по воротной вене, что позволяет эффективно перерабатывать питательные вещества и токсины.
Нарушения гемодинамики лежат в основе многих заболеваний:
Понимание физических закономерностей гемодинамики необходимо для диагностики, мониторинга и лечения сердечно-сосудистых заболеваний с использованием методов медицинской физики.