Кровеносные сосуды
Основные принципы гемодинамики. Гемодинамика – это раздел науки, изучающей механизм движения крови в сердечно-сосудистой системе.
Скорость, с которой движется кровь по сосудам, зависит от двух факторов:
от разности давления крови в начале и конце сосуда;
от сопротивления, которое встречает жидкость на своём пути.
Разность давлений способствует движению жидкости: чем она больше, тем интенсивнее это движение. Сопротивление в сосудистой системе, уменьшающее скорость движения крови, зависит от ряда факторов:
от длины сосуда и его радиуса (чем больше длина и меньше радиус, тем больше сопротивление);
от вязкости крови (она в 5 раз больше вязкости воды);
от трения частиц крови о стенки сосудов и между собой.
Согласно законам гидродинамики, количество жидкости (Q), протекающее через любую трубу, прямо пропорционально разности давлений в начале (P1) и в конце (P2) трубы и обратно пропорционально сопротивлению (R) току жидкости:
Q =(P1 – P2) / R.
Если применить это уравнение к сосудистой системе, то следует иметь в виду, что давление в конце данной системы, т.е. в месте впадения полых вен в сердце, близко к нулю. В этом случае уравнение можно записать так:
Q = P / R.
где Q – количество крови, изгнанное сердцем в минуту; P – величина среднего давления в аорте, R – величина сосудистого сопротивления.
Из этого уравнения следует, что P = Q • R, т.е. давление (P) в устье аорты прямо пропорционально объёму крови, выбрасываемому сердцем в артерии в минуту (Q) и величине периферического сопротивления (R). Давление в аорте (P) и минутный объём крови (Q) можно измерить непосредственно. Зная эти величины, вычисляют периферическое сопротивление – важнейший показатель состояния сосудистой системы.
Периферическое сопротивление сосудистой системы складывается из множества отдельных сопротивлений каждого сосуда. Любой из таких сосудов можно уподобить трубке (R), сопротивление которой определяется по формуле Пуазейля:
R = 8 η L / π r4,
где L – длина трубки; η – вязкость протекающей в ней жидкости; π – отношение окружности к диаметру; r – радиус трубки.
Разность кровяного давления, определяющая скорость движения крови по сосудам, у человека велика. У взрослого человека максимальное давление в аорте составляет 150 мм. рт. ст, а в крупных артериях – 120-130 мм. рт. ст. В более мелких артериях кровь встречает большее сопротивление и давление здесь значительно падает до 60-80 мм. рт ст. Самое резкое уменьшение давления отмечается в артериолах и капиллярах, в артериолах оно составляет 20-40 мм. рт. ст., а в капиллярах – 15-25 мм. рт. ст. В венах давление уменьшается до 3-8 мм. рт. ст., в полых венах давление отрицательное : оно равно –2, –4 мм. рт. ст., т.е. оно на 2-4 мм. рт. ст. ниже атмосферного. Это связано изменением давления в грудной полости. Во время вдоха, когда давление в грудной полости значительно уменьшается, снижается и кровяное давление в полых венах.
Из приведённых данных видно, что кровяное давление в разных участках кровяного русла неодинаково, и оно уменьшается от артериального конца сосудистой системы к венозному. В крупных и средних артериях оно уменьшается незначительно, приблизительно на 10%, а в артериолах и капиллярах – на 85%. Это говорит о том, что 10% энергии, развиваемой сердцем при сокращении, расходуется на продвижение крови в крупных артериях, а 85% – на её продвижение по артериолам и капиллярам (рис. 4.11.).
Основное сопротивление току крови возникает в артериолах. Систему артерий и артериол называют сосудами сопротивления, или резистивными сосудами.
Артериолы представляют собой тонкие сосуды (диаметром 15-70мкм). Стенка этих сосудов содержит толстый слой циркулярно расположенных гладких мышечных клеток, при сокращении которых просвет сосуда может значительно уменьшаться. При этом резко повышается сопротивление артериол. Изменение сопротивления артериол меняет уровень давления крови в артериях. В случае увеличения сопротивления артериол отток крови из артерий уменьшается, и давление в них повышается.
Рис. 4.11. Изменение давления, сопротивления и просвета сосудов на различных участках сосудистой системы.
Падение тонуса артериол увеличивает отток крови из артерий, что приводит к уменьшению артериального давления. Наибольшим сопротивлением среди всех участков сосудистой системы обладают именно артериолы, поэтому изменение их просвета является главным регулятором уровня общего артериального давления. Артериолы – «краны кровеносной системы» (И.М. Сеченов). Открытие этих «кранов» увеличивает отток крови в капилляры соответствующей области, улучшая местное кровообращение, а закрытие – резко ухудшает кровообращение данной сосудистой зоны.
Таким образом, артериолы играют двоякую роль:
участвуют в поддержании необходимого организму уровня общего артериального давления;
участвуют в регуляции величины местного кровотока через тот или иной орган или ткань.
Величина органного кровотока соответствует потребности органа в кислороде и питательных веществах, определяемой уровнем активности органа.
В работающем органе тонус артериол уменьшается, что обеспечивает повышение притока крови. Чтобы общее артериальное давление при этом не снизилось в других (неработающих) органах, тонус артериол повышается. Суммарная величина общего периферического сопротивления и общий уровень артериального давления остаётся примерно постоянным, несмотря на непрерывное перераспределение крови между работающими и неработающими органами.
Объёмная и линейная скорость движения крови. Объёмной скоростью движения крови называют количество крови, протекающей в единицу времени через сумму поперечных сечений сосудов данного участка сосудистого русла. Через аорту, лёгочные артерии, полые вены и капилляры за одну минуту протекает одинаковый объём крови. Поэтому к сердцу всегда возвращается такое же количество крови, какое было им выброшено в сосуды во время систолы.
Объёмная скорость в различных органах может изменяться, она зависит от работы органа и величины его сосудистой сети. В работающем органе может увеличиваться просвет сосудов и, вместе с ним, – объёмная скорость движения крови.
Рис. 4.12. Значения АД (А) и линейной скорости кровотока (Б) в различных участках сосудистой системы.
Линейной скоростью движения крови называют путь, пройденный кровью за единицу времени. Линейная скорость (V) отражает скорость продвижения частиц крови вдоль сосуда и равна объёмной (Q), делённой на площадь сечения кровеносного сосуда:
V = Q / π r2.
Её величина зависит от просвета сосудов: линейная скорость обратно пропорциональна площади поперечного сечения сосуда. Чем шире суммарный просвет сосудов, тем медленнее движение крови, а чем он уже, тем больше скорость движения крови (рис. 4.12.). По мере разветвления артерии скорость движения в них уменьшается, так как суммарный просвет ветвей сосудов больше, чем просвет исходного ствола. У взрослого человека просвет аорты приблизительно составляет 8 см2, а сумма просветов капилляров в 500-1000 раз больше, она равна 4000-8000 см2. Следовательно, линейная скорость движения крови в аорте в 500-1000 раз больше, чем в капиллярах, она равна 500 мм/сек, а в капиллярах только 0,5 мм/сек.
По мере того как капилляры переходят в вены, а мелкие вены соединяются в более крупные, просвет сосудов уменьшается и, соответственно, увеличивается скорость движения крови. Поскольку в среднем две артерии соединяются в одну вену, то скорость движения крови в них в два раза меньше. Две полые вены примерно в два раза шире аорты, и скорость движения крови в них равна половине скорости в аорте.
Линейная скорость движения крови может изменяться в разных участках сосудистого русла. При постоянной объёмной скорости сужение сосудов в одном из участков сосудистого русла приведёт к повышению линейной скорости, а расширение сосудов – к её снижению.
В связи с тем, что кровь выбрасывается отдельными порциями, кровоток в артериях имеет пульсирующий характер, тогда как движение крови по сосудам происходим непрерывно. Непрерывный ток крови по сосудам зависит от:
работы сердца;
периферического сопротивления;
эластичности сосудов.
В сердечно-сосудистой системе часть кинетической энергии, развиваемой сердцем во время систолы, затрачивается на растяжение аорты и отходящих от неё крупных артерий. Последние образуют эластическую, или компрессионную, камеру, в которую поступает значительный объём крови, растягивающий её. При этом кинетическая энергия, развитая сердцем, переходит в энергию эластического напряжения артериальных стенок. Когда систола заканчивается, растянутые стенки артерий стремятся спадаться и проталкивают кровь в капилляры, поддерживая кровоток во время диастолы.
Артериальной давление (АД) является одним из ведущих параметров гемодинамики. Давление крови зависит от количества крови, выбрасываемой сердцем в артерии, и от общего периферического сопротивления, которое встречает кровь, протекая по артериям, артериолам и капиллярам.
Для определения величины артериального давления у человека пользуются методом, предложенным Н.С. Коротковым. С этой целью используют сфигмоманометр Рива-Роччи. У человека обычно определяют величину артериального давления в плечевой артерии. Для этого на плечо накладывают манжету и нагнетают в неё воздух до полного сдавливания артерий, показателем чего может быть прекращение пульса. При этом с помощью фонендоскопа прослушивают тоны в сосуде.
В несдавленной артерии звуки при движении крови обычно отсутствуют. Если поднять давление в манжете выше уровня систолического артериального давления, то манжета полностью перекрывает просвет артерии и кровоток в ней прекращается. Звуки при этом отсутствуют. Если теперь постепенно выпускать воздух из манжеты, то в момент, когда давление в ней станет чуть ниже уровня систолического артериального, кровь при систоле преодолевает сдавленный участок и прорывается за манжету. Удар о стенку артерии порции крови, движущейся с большой скоростью и кинетической энергией через сдавленный участок, порождает звук, слышимый ниже манжеты. То давление в манжете, при котором появляются первые звуки в артерии, соответствует максимальному, или систолическому, давлению. При дальнейшем снижении давления в манжете наступает момент, когда оно становится ниже диастолического, кровь начинает проходить по артерии, как во время систолы, так и во время диастолы. В этот момент звук в артерии ниже манжеты исчезает. По величине давления в манжете в момент исчезновения звуков в артерии судят о величине минимального, или диастолического, давления.
Максимальное давление в плечевой артерии у взрослого здорового человека в среднем равно 105-120 мм. рт. ст. Минимальное давление в плечевой артерии составляет 60-80 мм. рт. ст. Повышение артериального давления приводит к развитию гипертонии, а понижение – к гипотонии.
Разность между максимальным и минимальным давление называют пульсовым давлением. Пульсовое давление колеблется от 35 до 50 мм. рт. ст. Оно пропорционально количеству крови, выбрасываемому сердцем за одну систолу и в какой-то мере отражает величину ударного объёма сердца.
Артериальное кровяное давление изменяется под влиянием различных факторов. Оно увеличивается при выполнении физической работы и у спортсменов во время спортивных состязаний может достигать 200мм.рт.ст. Давление крови изменяется при различных эмоциональных состояниях: страхе, гневе, испуге и др. Оно зависит также от возраста.
Артериальный пульс. Одной из характеристик деятельности сердечно-сосудистой системы является пульс. Пульсом, или пульсовой волной, называют ритмические колебания стенки сосуда, вызванные повышением давления в нём в момент систолы и распространяющиеся по стенкам артерий. В распространении пульсовой волны большое значение имеет эластичность сосудов. Она обеспечивает растяжение аорты при повышении в ней давления. Возникшее при этом колебание стенки аорты распространяется по всем артериям до капилляров, где пульсовая волна гаснет.
Распространение пульсовой волны не связано со скоростью движения крови. Независимость распространения пульсовой волны от скорости движения крови хорошо видна из сравнения скоростей их распространения. Определено, что от момента систолы и до появления в лучевой артерии пульса проходит всего 0,1 сек, тогда как расстояние от сердца до места прослушивания пульса 1 м. За это время кровь по артерии продвигается только на 5 см. Пульсовая волна распространяется со значительно большей скоростью, чем движется кровь. Скорость распространения пульсовой волны в аорте у человека среднего возраста составляет 5,5-8 м/сек, а в периферических артериях – 6-9,5 м/сек, тогда как скорость движения крови в артериях равна 0,3-0,5 м/сек.
Регистрация пульса имеет большое практическое значения для клиники и физиологии. Пульс даёт возможность судить о частоте, силе и ритме сердечных сокращений.
Особенности движения крови по венам. От движения крови по венам зависит возврат крови к сердцу и его наполнение кровью. Вены – сосуды тонкостенные, их мышечный слой невелик. Они обладают меньшей эластичностью по сравнению с артериями и поэтому легко растягиваются притекающей к ним кровью, вследствие чего кровь в них может застаиваться.
На движение крови в венах влияет разность давления крови между аортой и полыми венами, а также разность давления между мелкими и крупными венами. По мере продвижения крови к сердцу давление в венах уменьшается, а это облегчает движение крови.
Сила сердечного толчка, сообщающего скорость движению крови, в венах значительно снижена и значение этого фактора минимально. Здесь важен ряд других дополнительных факторов. Так, в основных магистральных венах имеются клапаны, которые являются кармановидными выростами их эндотелия и расположены так, что пропускают кровь только к сердцу. Поэтому любое сдавливание вен приводит к продвижению крови к сердцу. В связи с этим важное значение имеют чередующиеся сокращения и расслабления мышц при движении. При сокращении мышц вены сдавливаются, и кровь проталкивается к сердцу, а при их расслаблении вены расширяются, давление в них несколько уменьшается и кровь устремляется в них из артерий (работает «мышечный насос»).
Важным фактором движения крови по венам является присасывающая деятельность грудной клетки и сердца. Это увеличивает разность давления между началом венозного русла и полыми венами. Воздействие дыхательных движений на венозное кровообращение называют «дыхательным насосом».