Ренистратор кардиосигналов

Рисунок 12. Схема разветвления сосудов в большом круге кровообращения (модель разветвленной сосудистой трубки). Цифрами обозначены уровни сечения: 1 — аорта, 2 – капиллярное русло, 3 – полые вены(верхняя и нижняя).

       Самое узкое сечение в большом круге  кровообращения у аорты. Самое большое сечение сосудистой трубки приходится на уровень кровеносных капилляров, при этом площадь суммарного просвета капилляров в 700-800 раз больше поперечного сечения аорты. С учётом уравнения неразрывности это значит, что линейная скорость кровотока в капиллярной сети в 700-800 раз меньше, чем в аорте, и составляет примерно 1 мм/с. В покое средняя скорость кровотока в аорте лежит в интервале от 0.5 м/с до 1 м/с, а при большой физической нагрузке может достигать 20 м/с. На рис. 2 в графической форме приведены соотношения между суммарным поперечным сечением сосудов разного калибра и линейной скоростью кровотока в них.

Рисунок 13. Соотношение между суммарным поперечным сечением сосудистой системы (S) на разных уровнях (сплошная линия) и линейной скоростью кровотока (V) в соответствующих сосудах (штриховая линия):

       1 — аорта; 2 — магистральные артерии; 3 — артериолы; 4 — капилляры; 5 —  вены.

       В разных точках сечения сосуда кровь  движется с различными скоростями. Она максимальна на продольной оси сосуда и постепенно спадает до нуля у стенки (пристеночный слой текущей жидкости неподвижен). Между слоями движущейся по сосуду крови существует градиент скорости. Сила вязкого трения, возникающая при этом, определяется по формуле Ньютона

       где η - коэффициент вязкости (динамическая вязкость), S – площадь соприкосновения контактирующих слоёв.

       У цельной крови коэффициент вязкости, измеренный на вискозиметре, составляет около 5 мПа·с, что в 5 раз больше вязкости воды. При патологических состояниях вязкость крови колеблется от 1.7 мПа·с до 22.9 мПа·с.

       Между вязкостями крови и воды обнаружены не только количественные, но и качественные различия. Вязкость воды, как и других однородных жидкостей, не зависит от градиента скорости, подчиняясь уравнению Ньютона. Такие жидкости называются ньютоновскими. У крови же вязкость зависит от градиента скорости: при малых его значениях, свойственных более мелким сосудам, коэффициент вязкости оказывается заметно больше (в мелких артериях – 10 мПа·с, в капиллярах – до 800 мПа·с). Таким образом, кровь вместе с другими жидкостями, вязкость которых зависит от градиента скорости, относится к неньютоновским жидкостям. Они представляют собой неоднородные жидкие среды, как правило, суспензии. В крови зависимость динамической вязкости от градиента скорости связана с наличием форменных элементов (прежде всего, эритроцитов).Вязкость крови неодинакова в широких и узких сосудах, причём влияние диаметра кровеносного сосуда на вязкость начинает сказываться при просвете менее 1 мм.

       От  вязкости крови зависит характер её течения по сосудам: течение может  быть ламинарным или турбулентным. Если слои жидкости движутся параллельно  друг другу, не перемешиваясь между  собой, то такое течение называют ламинарным. В случае движения жидкости, сопровождающегося перемешиванием слоёв, обусловленным образованием в ней вихрей, говорят о турбулентном (вихревом) течении. Переход от одного вида течения к другому определяется безразмерной величиной, называемой числом Рейнольдса:

       где ρ – плотность жидкости, <v> - средняя по сечению сосуда скорость жидкости, d – диаметр сосуда, η – вязкость.

       Существует  критическое значение числа Рейнольдса (Reкр), которое служит граничным параметром перехода ламинарного течения в турбулентное. Если фактическое значение Re<Reкр, то жидкости свойственно ламинарное течение, а при значениях Re>Reкр в потоке возникают вихри, движение приобретает турбулентный характер. Для однородных жидкостей Reкр = 2300, для крови Reкр = 970±80, но уже при Re >400 возникают локальные завихрения в разветвлениях артерий и в области их крутых изгибов.

       Вязкость  крови оказывает существенное влияние  и на второй основной гемодинамический показатель – кровяное давление. Это  сила, с которой движущаяся кровь  воздействует (давит) на единицу площади стенки кровеносного сосуда. Для анализа факторов, определяющих кровяное давление, рассмотрим формулу Пуазейля, позволяющую определить объёмную скорость кровотока:

       где Q – объёмная скорость кровотока, r – радиус сосуда, ∆p – разность давлений на концах сосуда, η – вязкость крови.

       Из  формулы Пуазейля видно, что при  заданных внешних условиях (∆p) через сосуд протекает тем больше крови, чем меньше её вязкость и чем больше радиус сосуда.

       Формуле Пуазейля можно придать и такой вид:

       В этом случае формула Пуазейля обнаруживает сходство с законом Ома для  однородного участка электрической  цепи

       Тогда Rг аналогично электрическому сопротивлению R. Действительно, величина Rг отображает сопротивление сосудистого русла кровотоку, включая все факторы, от которых оно зависит. Поэтому Rг называют гемодинамическим сопротивлением (или общим периферическим сопротивлением сосудов).

       Аналогия, существующая между законом Ома  и формулой Пуазейля, позволяет моделировать кровообращение при помощи электрических цепей. В электротехнике хорошо разработаны методы расчёта и экспериментального исследования сложных (разветвлённых) электрических цепей. Применяя эти методы к изучению кровообращения на его электрических моделях, приходят к важным теоретическим и практическим выводам о закономерностях гемодинамики. В частности, эта аналогия позволяет в некоторых случаях использовать правило нахождения электрического сопротивления последовательного и параллельного соединений проводников для определения гемодинамического сопротивления системы последовательно и параллельно соединённых сосудов.

       Значения  гемодинамического сопротивления  для различных участков сосудистого  русла графически представлены на рисунке 14. Из анализа модели разветвлённой сосудистой трубки следует, что вклад крупных артерий в Rг незначителен, хотя общая длина всех артерий большого диаметра сравнительно велика.

Рисунок 14. Гемодинамическое сопротивление (Rг) разных отделов кровеносного русла: 1 — аорта; 2 — магистральные артерии; 3 — артериолы; 4 — капилляры;5 — вены.

       По  мере удаления от желудочков сердца, число  артерий, включённых параллельно кровотоку, возрастает. Казалось бы, что при  этом Rг данного звена артериального  русла должно быть меньше, чем для  крупных артерий. Более того, по мере удаления от сердца после каждого разветвления артерии становятся всё короче. Однако по мере ветвления артерий уменьшается их просвет и, поскольку Rг зависит от радиуса сосуда в четвертой степени, гемодинамическое сопротивление становится тем больше, чем дальше от сердца расположено данное артериальное звено.

       Особенно  резкое увеличение Rг наблюдается на уровне артериол. Переход от них к капиллярам характеризуется значительным увеличением количества параллельно включённых сосудов, в то время как радиусы прекапилляра (сосуда, принадлежащего последнему звену артериол) и капилляра примерно одинаковы. Поэтому общее Rг капиллярной сети примерно в 4 раза меньше, чем артериол. В венозном русле гемодинамическое сопротивление меньше, чем в капиллярном.

       Указанные особенности Rг в различных звеньях кровеносного русла определяют и распределение кровяного давления в сердечно-сосудистой системе (рисунок 14). В крупных и средних артериях кровяное давление неодинаково в систолу и диастолу. Принято различать систолическое (максимальное) и диастолическое (минимальное) кровяное давление, а также пульсовое давление крови, равное их разности.

Рисунок 15. Распределение давления крови в разных сосудах большого круга кровообращения. По оси абсцисс: 1 — аорта; 2 — крупные артерии; 3 — мелкие артерии; 4 — артериолы; 5 — капилляры; 6— венулы; 7— вены; 8 — полые вены. По оси ординат: давление крови в мм.рт.ст. РС и ПД – систолическое и диастолическое давление, соответственно.

     Принято различать 4 типа кровеносных сосудов: артерии эластического типа, артерии мышечного типа, капилляры, вены. Их функциональное предназначение в системе кровообращения неодинаково. Артерии эластического типа (или амортизирующие кровеносные сосуды) поддерживают кровоток во время диастолы сердца и тем самым обеспечивают непрерывность движения крови в сосудистой системе. Артерии мышечного типа (или резистивные кровеносные сосуды) создают переменное сопротивление кровотоку, и, следовательно, регулируют уровень кровяного давления в системе кровообращения, а также объёмную скорость кровотока в каждом из органов. В капиллярах (обменных кровеносных сосудах) осуществляется обмен веществ между кровью и тканями. Вены являются емкостными кровеносными сосудами. Благодаря выраженной эластичности они могут сильно деформироваться (растягиваться) и вмещать большое количество крови без значительного увеличения напряжения в сосудистой стенке.

     Возникновение и распространение пульсовой  волны по стенкам сосудов обусловлено упругостью аортальной стенки. Дело в том, что во время систолы левого желудочка сила, возникающая при растяжении аорты кровью, направлена не строго перпендикулярно к оси сосуда и может быть разложена на нормальную и тангенциальную составляющие. Непрерывность кровотока обеспечивается первой из них, тогда как вторая является источником артериального импульса, под которым понимают упругие колебания артериальной стенки.

       Пульсовая волна распространяется от места  своего возникновения до капилляров, где затухает. Скорость её распространения  можно рассчитать по формуле:

       где Е – модуль Юнга сосудистой стенки, b – её толщина, r – радиус сосуда, ρ – плотность тканей сосудистой стенки.

       Из  этой формулы следует, что при  поддержании ρ, b, r неизменными .п однозначно определяется модулем Юнга. Следовательно, скорость пульсовой волны можно принять в качестве количественного показателя упругих свойств артерий эластического типа – тех свойств, благодаря которым они выполняют свою основную функцию. Скорость пульсовой волны в аорте составляет 4 - 6 м/с, а в лучевой артерии 8 – 12 м/с. При склеротических имениях артерий повышается их жёсткость, что проявляется в нарастании скорости пульсовой волны.

       1.3.2.3 Техническая реализация метода фотоплетизмографии, параметры регистрируемого сигнала

       Метод фотоплетизмографии основан на регистрации оптической плотности исследуемой ткани (органа). Исследуемый участок ткани просвечивается инфракрасным излучением, которое после рассеивания (или отражения, в зависимости от положения источника и приёмника) попадает на фотопреобразователь. Интенсивность света, отражённого или рассеянного исследуемым участком ткани (органа), определяется количеством содержащейся в ней крови.

       В широкой клинической практике наибольшее распространение получила методика измерения периферического капиллярного кровотока с помощью пальцевой фотоплетизмографии. При выполнении пальцевой фотоплетизмографии исследуемым органом является концевая фаланга кисти или стопы. Использование концевой фаланги пальца не только удобно для врача и пациента, но и представляет наибольшее количество информации за счёт того, что в дистальных фалангах пальцев кисти и стопы наиболее интенсивные значения артериального и венозного кровообращения. Кроме того, в дистальной фаланге небольшое количество мышечной ткани, активно поглощающей инфракрасное излучение.

       На  рисунке 15 схематично представлена форма пульсовой волны, которая состоит из двух основных компонентов. Первый пик пульсовой волны, соответствующий анакротическому (анакрота – восходящий участок пульсовой волны) периоду пульсовой волны, образуется в период систолы. Амплитудное значение анакротической фазы носит также название амплитуды пульсовой волны и качественно соответствует ударному объёму крови при сердечном выбросе. Нисходящий участок пульсовой волны называется катакротой. На нисходящем участке есть волна, называемая дикротической, обусловленная захлопыванием полулунных клапанов между левым желудочком сердца и аортой.

Рисунок 16. Схематическое отображение пульсовой волны. По оси абсцисс – время, по оси ординат – амплитуда сигнала.

       Второй пик пульсовой волны, соответствующий дикротическому периоду пульсовой волны (А2), образуется за счёт отражения объёма крови от аорты и крупных магистральных сосудов и частично соответствует диастолическому периоду сердечного цикла. Дикротическая фаза несет информацию о тонусе сосудов. Вершина пульсовой волны соответствует наибольшему объёму крови, а её противолежащая часть – наименьшему объёму крови в исследуемом участке ткани. Характер пульсовой волны зависит от эластичности сосудистой стенки, частоты пульса, объёма исследуемого участка ткани, ширины просвета сосудов. Считается, что частота и продолжительность пульсовой волны зависят от особенностей работы сердца, а величина и форма её пиков – от состояния сосудистой стенки.