В норме поток крови турбулентный
Турбулентное течение крови. Давление крови
В некоторых случаях течение крови в сосудах становится турбулентным. Это происходит, если скорость кровотока становится слишком большой или в сосудах появляется препятствие току крови, или сосуд делает резкий изгиб, или внутренняя поверхность сосуда становится грубой и неровной. Турбулентное течение крови показано на рисунке. На схеме видно, что кровь течет не только вдоль сосуда, но и поперек, и даже в обратном направлении, образуя так называемые вихревые токи.
Если во время движения крови появляются вихревые токи, сопротивление существенно увеличивается по сравнению с ламинарным течением, т.к. завихрения резко увеличивают внутреннее трение в потоке жидкости.
Вероятность турбулентного движения крови в сосудах увеличивается прямо пропорционально скорости кровотока, диаметру кровеносного сосуда и плотности крови и обратно пропорционально вязкости крови.
Эта сложная зависимость выражается следующим уравнением: Re=Vdp/n, где Re — число Рейнольдса, показывающее тенденцию к турбулентному течению крови, v — средняя скорость движения крови (см/сек), d — диаметр сосуда (см), р — плотность крови и n — вязкость крови (пуазейль).
Вязкость крови в норме равна примерно 1/30 пуазейля, а плотность — лишь немного больше 1. Если число Рейнольдса становится больше 200-400, турбулентные потоки возникают в местах разветвления и исчезают на прямых участках сосудов. Если же число Рейнольдса увеличивается до 2000, турбулентность возникает даже в прямых, не ветвящихся сосудах.
В сосудистой системе число Рейнольдса даже в норме может увеличиваться до 200-400 в крупных артериях, поэтому в местах разветвления этих сосудов почти всегда наблюдается турбулентное течение крови. В проксимальной части аорты и в легочной артерии число Рейнольдса может увеличиваться до нескольких тысяч во время фазы быстрого изгнания крови из желудочков. Это приводит к развитию турбулентности в проксимальной части аорты и в легочной артерии, где для этого существуют благоприятные условия: (1) высокая скорость кровотока; (2) пульсирующий характер кровотока; (3) резкое изменение диаметра сосуда; (4) большой диаметр сосуда. Однако в мелких сосудах число Рейнольдса практически никогда не бывает достаточно высоким, чтобы вызвать турбулентность.
Давление крови
Единицы измерения давления. Давление крови до сих пор измеряют в миллиметрах ртутного столба (mm Hg), т.к. с давних времен для измерения давления использовали ртутный манометр. В действительности давление крови — это сила, с которой кровь воздействует на единицу площади поверхности сосудистой стенки. Когда давление в сосудах составляет 50 мм рт. ст., это означает, что сила воздействия сдвигает столбик ртути в поле тяготения на 50 мм выше прежнего уровня. Если давление равно 100 мм рт. ст., сила сдвинет столбик ртути на 100 мм выше прежнего уровня.
Иногда давление измеряют в сантиметрах водного столба (cm H2O). Давления в 10 см вод. ст. достаточно, чтобы поднять столбик воды на 10 см. 1 мм рт. ст. соответствует 1,36 см вод. ст., т.к. плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды, а 1 см в 10 раз больше, чем 1 мм.
Методы измерения кровяного давления. Ртуть в ртутном манометре обладает большой инертностью и не может быстро подниматься и опускаться. По этой причине ртутные манометры, пригодные для измерения постоянного уровня давления, не способны реагировать на изменения давления, происходящие чаще, чем 1 цикл за 2-3 сек. Для регистрации быстрых изменений давления требуются измерительные приборы другого типа. На рисунке изображены три принципиально разных электронных преобразователя — датчика, преобразующего колебания давления в электрические сигналы. Регистрация этих сигналов производится с помощью малоинерционных пишущих систем. В каждом из датчиков используется тонкая, легко деформирующаяся металлическая мембрана, представляющая собой одну из стенок миниатюрной камеры, заполненной жидкостью. Камера соединена с кровеносным сосудом с помощью иглы или катетера. Когда давление крови в сосуде увеличивается, металлическая мембрана слегка выгибается; когда давление крови уменьшается, мембрана возвращается в первоначальное положение.
На рисунке над мембраной датчика расположена еще одна металлическая пластина. Их разделяет несколько десятых долей миллиметра. Когда мембрана выгибается, она приближается к металлической пластине. Это приводит к увеличению электрической емкости между ними. Изменение емкости может быть зарегистрировано электронным прибором.
На рисунке на мембране датчика имеется небольшой железный стержень, который расположен внутри миниатюрной индуктивной катушки. Колебания стержня приводят к изменению индуктивности катушки, что может быть зарегистрировано электронным прибором.
И наконец, на рисунке к мембране датчика прикреплен тонкий натянутый проводок с высоким электрическим сопротивлением. Если проводок растягивается, его сопротивление увеличивается; если же натяжение проводка слабеет, его сопротивление уменьшается. Эти изменения также могут быть зарегистрированы электронным прибором.
С помощью этих преобразующих устройств можно регистрировать колебания давления с частотой до 500 Гц, причем с большой точностью. Обычно применяют приборы, регистрирующие изменения давления с частотой от 20 до 100 Гц. Запись производится на бумажной ленте.
– Также рекомендуем “Сопротивляемость сосудов. Проводимость сосудов”
Оглавление темы “Сосудистая система”:
1. Электрокардиограмма при фибрилляции желудочков. Электрошоковая дефибрилляция желудочков
2. Ручной массаж сердца в помощь дефибрилляции. Фибрилляция предсердий
3. Трепетание предсердий. Остановка сердца
4. Функциональные участки системы кровообращения. Объемы крови в различных отделах сосудистой системы
5. Давление крови в различных участках сосудистой системы. Теоретические основы кровообращения
6. Регуляция объема кровотока и периферического сопротивления. Объемный кровоток
7. Ультразвуковой флоуметр. Ламинарное течение крови в сосудах
8. Турбулентное течение крови. Давление крови
9. Сопротивляемость сосудов. Проводимость сосудов
10. Закон Пуазейля. Диаметр артериол и их сопротивление
Ламинарный и турбулентный поток в эхокардиографии (ЭхоКГ)а) Характеристики потока. При низких скоростях обычно наблюдается ламинарное течение крови. Это означает, что в близко расположенных точках поперечного сечения сосуда или клапанного отверстия скорости движения крови мало отличаются друг от друга. В этих случаях поток крови «хорошо организован»: в середине потока кровь течет с большей скоростью, а на периферии возле стенок сосуда или сердца скорость потока меньше. В сосудах возникает «параболический» профиль скоростей движения жидкости. Начиная с определенного отношения поперечного сечения потока, скорости движения, а также плотности и вязкости крови характеристики потока меняются на «турбулентные»: профиль скоростей движения жидкости становится более плоским, сопротивление потоку растет и «частицы» жидкости попадают в вихревые движения. Вместо хорошо организованного ламинарного распределения скоростей получается вихреобразование и перемешивание частиц жидкости с различной скоростью и направлением движения. Кинетическая энергия необратимо теряется из-за вязкого трения и, в конечном итоге, превращения в теплоту. Движение частиц можно представить как сумму «хаотичного», турбулентного компонента скорости и относительно постоянного компонента скорости вдоль основного направления потока. В сумме усредненные по времени, быстро меняющиеся векторы турбулентного компонента взаимно уничтожаются, тогда как постоянный компонент обусловливает движение в сосуде вдоль основного направления потока.
б) Число Рейнольдса. Переход от ламинарного течения к турбулентному можно представить себе как следствие преобладания инерционных сил потока над вязким сопротивлением, например, из-за возрастающей скорости движения жидкости. Точка такого перехода зависит от многих отдельных факторов, однако приблизительно ее можно представить в виде безразмерного числа Рейнольдса: 2r • v • ρ/η, где r – радиус потока, v – средняя скорость движения жидкости, ρ – плотность и η – вязкость жидкости. Поток становится турбулентным, если это число превышает пограничное значение, приблизительно равное 2300. в) Появление турбулентных потоков. В покое на нормальных сердечных клапанах турбулентные потоки не возникают, однако они появляются в области стенозированных клапанных отверстий или в области регургитации, а также других потоков с высокой скоростью движения, например, при дефекте межжелудочковой перегородки. При переходе от ламинарного потока к турбулентному в одном сосуде исходный параболический профиль скоростей уплощается, а сопротивление увеличивается (в противоположность уравнению Хагена-Пуазейля при турбулентном движении сопротивление возрастает не линейно, а пропорционально квадрату потока). г) Локализация. Переход в турбулентное движение в области измененного просвета клапанных отверстий (стеноза, недостаточности) или дефектов межжелудочковой или межпредсердной перегородки происходит вскоре после места сужения потока. Непосредственно после прохождения через место сужения поток еще сохраняет ламинарное ядро, имеющее максимальную исходную скорость. Это ядро разрушается со всех сторон увеличивающимися турбулентными завихрениями. Приблизительно через 5 диаметров того отверстия, где был сужен поток, движение полностью становится турбулентным, и его максимальная осевая скорость теперь обратно пропорциональна расстоянию от места сужения.
д) Мозаичность. В режиме цветовой допплерографии турбулентный поток представлен интенсивной, светлой, разноцветной струей («мозаичность»), В связи с характеристиками турбулентного потока при высоких скоростях, например, в случае аортального стеноза, максимально острый угол между основным направлением движения крови и ультразвуковым лучом при непрерывноволновом допплеровском исследовании менее критичен, чем в случае ламинарного потока, так как высокие скорости направлены в пространстве во все стороны и поэтому могут быть зарегистрированы. Следует учитывать, что принцип непрерывности и уравнение Бернулли справедливы независимо от ламинарности или турбулентности потока. е) Другие подходы для количественной оценки потока и его сужений. Vena contracta. Из-за вышеописанных трудностей количественной оценки потоков по величине струи в цветовой допплерографии были предприняты другие попытки количественного анализа потока крови. Одна из них использует диаметр или сечение струи в самом узком месте, т.е. непосредственно после места сужения потока. Там поток конвергирует в самом узком месте, называемом vena contracta. Это самое узкое место соответствует эффективному сечению стеноза или регургитации и всегда меньше, чем анатомический размер отверстия. Его величина задается геометрией поперечного сечения потока и в физиологических условиях почти не зависит от скорости потока или градиента давления по обе стороны сужения. Конечно, применение этой теоретически очень привлекательной концепции лимитировано разрешающей способностью и техническими факторами режима цветного допплеровского исследования. Однако он успешно валидирован прежде всего для расчета регургитации и (в меньшей степени) для случая митрального стеноза.
– Также рекомендуем “Биоэффекты и безопасность ультразвука” Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 17.12.2019 |
В
местах разветвления сосудов, сужения
артерий, крутых изгибов движение имеет
турбулентный
характер
(завихрения). Частицы крови перемещаются
перпендикулярно оси сосуда, что
значительно увеличивает внутреннее
трение жидкости.
Основными
показателями гемодинамики являются:
1.
Объемная скорость кровотока.
2.
Линейная скорость (скорость кругооборота
крови).
3.
Давление крови в разных участках
сосудистого русла.
Объемная
скорость кровотока
— это количество крови, протекающее
через поперечное сечение сосуда в
единицу времени (1 мин). В норме отток
крови от сердца равен ее притоку к нему,
это означает, что объемная скорость
кровотока является величиной постоянной.
Примером объемной скорости кровотока
является МОК.
Линейная
скорость
кровотока
— это скорость движения крови вдоль
сосуда. Между объемной и линейной
скоростью кровотока существует
взаимосвязь, описываемая следующим
выражением:
V=Q/πr2;
где
V
— линейная скорость кровотока, Q
— объемная скорость кровотока, r
— радиус сосуда, πr2
—
отражает площадь поперечного сечения
сосуда.
Из
выражения видно, что линейная скорость
кровотока пропорциональна объемному
кровотоку через сосуд(ы) и обратно
пропорциональна площади поперечного
сечения этого сосуда(ов). Таким образом,
линейная скорость кровотока различна
в отдельных участках сосудистого русла
и зависит от общей суммы площади просветов
конкретного отдела сосудов.
Самое
маленькое суммарное поперечное сечение
сосудистой системы в аорте. Оно равно
8 см2,
поэтому скорость движения крови там
самая большая и составляет 50–70 см/с.
Общее суммарное сечение капилляров
составляет 8000 см2,
поэтому скорость движения крови всего
0,05 см/с (самая низкая).
В
артериях скорость кровотока 20–40 см/с,
артериолах — 0,5–10 см/с, в полой вене —
20 см/с.
Линейная скорость кровотока
В
связи с выбросом крови в сосуды отдельными
порциями, кровоток в артериях имеет
пульсирующий характер.
Непрерывность
тока по всей системе сосудов связана с
упругими свойствами аорты и артерий.
Основная кинетическая энергия,
обеспечивающая движение крови, сообщается
ей сердцем во время систолы. Часть этой
энергии идет на проталкивание крови,
другая — превращается в потенциальную
энергию растягиваемой стенки аорты и
артерий во время систолы. Во время
диастолы эта энергия переходит в
кинетическую энергию движения крови.
Движение
крови по сосудам высокого давления
(артерии)
Все
сосуды выстланы изнутри слоем эндотелия,
образующего гладкую поверхность. Это
препятствует свертыванию крови в норме.
Кроме этого, исключая капилляры, сосуды
содержат: эластические, коллагеновые
и гладкомышечные волокна.
Эластические
волокна
— легко растяжимы, создают эластическое
напряжение, противодействующее кровяному
давлению.
Коллагеновые
волокна
— оказывают сопротивление растяжению
стенки сосуда. Они образуют складки на
поверхности сосуда и противодействуют
давлению, которое стремиться сильно
растянут сосуд, что предохраняет сосуд
от разрыва.
Гладкомышечные
волокна
— создают тонус сосудов и изменяют его
просвет по необходимости. Некоторые
гладкомышечные клетки способны ритмично
спонтанно сокращаться (независимо от
ЦНС), что поддерживает постоянный тонус
стенок сосудов. В поддержании тонуса
имеют значение вазоконстрикторы —
симпатические волокна и гуморальные
факторы (адреналин и др.). Суммарное
напряжение стенок сосудов называют
тонусом
покоя.
Кровяное
давление в артериальном русле
Уровень
кровяного давления измеряется в
миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст)
и определяется совокупностью следующих
факторов:
нагнетающей
силой сердца;периферическим
сопротивлением;объемом
циркулирующей крови и ее вязкость.
Нагнетающая
сила сердца.
Основным фактором поддержания уровня
АД является работа сердца. Кровяное
давление в артериях постоянно колеблется.
Его подъем при систоле определяет
максимальное(систолическое)давление
(САД). У человека среднего возраста в
плечевой артерии (и в аорте) оно равняется
110–139 мм рт. ст. Спад давления при диастоле
соответствует минимальному(диастолическому)
давлению (ДАД), которое равняется 60–89
мм рт. ст. (рисунок 2.4). Зависит оно от
периферического сопротивления и ЧСС.
Амплитуда колебаний, т.е. разность между
систолическим и диастолическим давлением
составляет пульсовоедавление
(ПД), которое составляет 40–50 мм рт. ст.
Оно пропорционально объему выбрасываемой
крови сердцем. Эти величины являются
важнейшими показателями функционального
состояния всей ССС.
Усредненное
по времени сердечного цикла АД,
представляющее собой движущую силу
кровотока называется средним
давлением (СрАД). Для периферических
сосудов оно равно:
СрАД=ДАД
+ 1/3 ПД;
для
центральных артерий:
СрАД=ДАД+
1/2 ПД.
Среднее
давление снижается по ходу сосудистого
русла. По мере удаления от аорты
систолическое давление постепенно
нарастает. В бедренной артерии оно
повышается на 20 мм рт. ст., в тыльной
артерии стопы на 40 мм рт. ст. больше, чем
в восходящей аорте. Диастолическое
давление, наоборот, снижается.
Соответственно, увеличивается пульсовое
давление, что обусловлено периферическим
сопротивлением сосудов.
В
концевых разветвлениях артерий и в
артериолах давление резко снижается
(до 30–35 мм рт. ст. в конце артериол).
Значительно снижаются и исчезают
пульсовые колебания, что обусловлено
высоким гидродинамическим сопротивлением
этих сосудов. В полых венах давление
близко или равно 0.
