2. Распространение пульсовых волн.

П осле каждого сокращения сердца вдоль аорты в направлении от сердца к периферии пробегает волна деформации, подобно тому, как распространяются волны на поверхности воды от брошенного в неё камня. И если на артерию, находящуюся вблизи поверхности тела (например, у запястья), положить палец, то он будет ощущать эти волны в виде толчков (пульса). Возникающую при этом волну, давления называют пульсовой волной. На рис.3 показано образование пульсовой волны. Пульсовые колебания давления имеют довольно сложную форму. Однако, как и всякий сложный периодический процесс, они могут быть представлены в виде набора гармонических составляющих (разложение в ряд Фурье). Гармонический анализ пульсовых колебаний кровотока является одним из важных методов его изучения. Для первой гармонической составляющей пульсового давления (p) можно записать простое выражение:

,

где - амплитуда пульсовой волны (разность между максимальным и минимальным значениями давлений в данной точке сосуда);

p₀ – амплитуда волны в начале аорты, она равна разности систолического и диастолического давлений;

x – расстояние от сердца до данной точки;

ω – циклическая частота сердечных сокращений;

- скорость распространения пульсовой волны;

α – коэффициент затухания, который зависит от свойств кровеносных сосудов и увеличивается с уменьшением радиуса сосуда.

Мы видим, что амплитуда пульсаций уменьшается по экспоненциальному закону. Происходит также сдвиг колебаний по фазе, который увеличивается с возрастанием расстояния от сердца до рассматриваемого участка сосудистой системы.

Скорость пульсовой волны в крупных сосудах следующим образом зависит от их параметров (формула Моенса-Кортевега):

,

где E – модуль упругости сосуда; h – толщина его стенки; d – диаметр сосуда; ρ – плотность крови.

Аналитические исследования показывают, что величина мало изменяется у разных людей и практически не зависит от типа артерии. Поэтому, можно считать, что скорость пульсовой волны изменяется только от упругости стенки сосуда, её модуля упругости. С возрастом, а также при заболеваниях, сопровождающихся увеличением E (гипертония, атеросклероза), может увеличиваться почти в 2-4 раза по сравнению с нормой. Это позволяет использовать изменение при постановке диагноза.

Скорость пульсовой волны легко измерить. Так, от момента сердечного сокращения до появления пульса в лучевой артерии человека происходит около 0,1 с, а расстояние от сердца до места измерения пульса примерно 70 см, что даёт значение . За это время кровь проходит в артерии расстояние всего лишь 5 см. Следовательно, скорость распространения пульсовой волны намного больше линейной скорости кровотока.

Наряду с пульсовой волной в системе “сосуд-кровь” могут распространяться и звуковые волны, скорость которых очень велика .

3. Нарушения гемодинамических показателей сосудистой системы.

Основная функция сердечно-сосудистой системы – обеспечение непрерывного движения крови по капиллярам, где происходит обмен веществ между кровью и тканями.

Различают два основных механизма переноса веществ: диффузионный обмен молекулами, обусловленный различием концентраций этих молекул по разные стороны стенки сосудов и фильтрационно-реабсорбционный механизм – движение вместе с жидкостью через поры в капиллярной стенке под действием градиента давления.

Под действием давления в капилляре жидкость стремится выйти из капилляра в ткани (фильтрация), а под действием давления в тканевой жидкости – возвращается опять в капилляр (реабсорбция).

При нормальных физиологических условиях обычно фильтрация происходит в артериальном конце, а реабсорбция – в венозном конце капилляра и между ними существует равновесие (фильтрационно-реабсорбционное равновесие).

Нарушения гемодинамических показателей сосудистой системы и структуры капиллярной стенки неизбежно приводят к нарушению обмена веществ. Причиной нарушения гемодинамики могут быть изменения просветов сосудов и реологических свойств крови. Под реологией крови (гемореологией) понимают изучение биофизических особенностей крови как вязкой жидкости. Кровь является неньютоновской жидкостью. Это связано с тем, что она представляет собой суспензию форменных элементов в растворе – плазме. При чём 93% форменных элементов составляют эритроциты, которые представляют собой очень гибкие двояковогнутые диски диаметром d_ЭР≈8мкм. Важным показателем является отношение объёма эритроцитов (V_ЭР) к объёму плазмы (V_ПЛ), который называется гематокритом. В норме . С повышением гематокрита вязкость крови возрастает. Сами эритроциты могут “склеиваться” друг с другом образуя агрегаты, которые называют монетными столбиками. В крупных сосудах (аорте, артерии) эритроциты собираются в агрегаты и в этом случае вязкость крови η=0,005 Па·с. В мелких сосудах (мелкие артерии, артероилы) агрегаты распадаются на отдельные эритроциты, тем самым уменьшая вязкость крови. В микрососудах (капиллярах) эритроциты легко деформируются, становясь похожими на купол, и проходят, не разрушаясь, через капилляры даже диаметром 3 мкм. При болезни называемой сфероцитозом эритроциты имеют сферическую форму. При движении таких эритроцитов через капилляры мембраны их растягиваются, и определённый процент эритроцитов разрушается. Уменьшение их количества в крови ведёт к анемии. При анемии вязкость крови уменьшается и составляет 0,002-0,003 Па·с. В связи с уменьшением или увеличением вязкости крови изменяется градиент давления в сосуде, что вызывает изменение капиллярного давления. Эти изменения могут быть причиной нарушения фильтрационно-реабсорбционного равновесия. Одним из патологических проявлений, связанных с нарушением фильтрационно-реабсорбционного равновесия, является возникновение отёков. Они возникают, если слишком много жидкости фильтруется из капилляров в ткань по сравнению с её реабсорбцией.

Как правило, движение крови по сосудам является ламинарным. Однако в ряде случаев возможно возникновение турбулентности. Вихри потока уже изначально существуют, когда кровь выталкивается из желудочка в аорту. У мест разветвления сосудов, а так же при возрастании скорости кровотока (например, при мышечной работе) течение может стать турбулентным и в артериях. Турбулентное течение может возникнуть и в области сужения сосуда, например, при образовании тромба. Оно связано с дополнительной затратой энергии и в кровеносной системе это может привести к дополнительной нагрузке на сердце. Шум, возникающий при турбулентном течении крови, может быть использован для диагностики заболеваний. При поражении клапанов сердца возникают так называемые сердечные шумы.

На транскапиллярный обмен может повлиять сужение просветов сосудов или локальное расширение. В процессе старения организма, а так же при определённых заболеваниях (чрезмерном питании, курении, злоупотреблении алкоголем) возникает атеросклероз – утолщение стенок артерии за счёт отложения на их поверхности холестериновых бляшек, что ведёт к сужению просвета артерии.

Д опустим, что на некотором участке крупной артерии диаметром d₁ возникло сужение диаметром d₂ (рис.4). Течение крови по артерии будет происходить до того момента, пока статическое давление p₂ в месте образования сужения будет превышать наружное давление p₀ (будем считать его приближённо равным атмосферному). При уменьшении сужения до d_min под действием внешнего давления p₀ просвет в месте сужения закрывается. Кровь из левого желудочка должна будет выбрасываться под большим давлением, чем p₁, иначе давление в конце сосуда станет ниже нормы, это приведёт к понижению капиллярного давления и нарушению фильтрационно-реабсорбционного равновесия. Сердце будет работать в условиях повышенной нагрузки. Образование тромба в капилляре так же приводит к нарушению линейной зависимости падения давления вдоль капилляра, что может так же привести к нарушению фильтрационно-реабсорбционного равновесия.

Н екоторые патологические процессы могут приводить к локальному снижению прочности и упругости кровеносных сосудов. В результате на этом участке возникает вздутие сосуда (аневризма) (рис.5). Скорость кровотока ₂ в месте развития аневризма будет меньше скорости ₁ в недеформированной части. На основании уравнения Бернулли давление p₂ будет больше давления p₁ и больше наружного давления p₀. Возникшая аневризма под действием повышенного давления будет иметь тенденцию к расширению. В результате возможен разрыв аневризмы.

Иногда встречается аневризма аорты в месте её разветвления, в котором происходит отражение пульсовых волн. Под действием отражённой пульсовой волны стенки аорты расширяются выше нормы. Причины возникновения аневризмы в этом случае не только в увеличении давления в области отражённой волны, но и в изменении механических свойств сосудов с возрастом.