Biofyzika kardio-vaskulárního systému Obsah přednášky • Mechanické vlastnosti cév • Reynoldsovo číslo • Proudění krve v cévách • Periferní odpor krevního řečiště • Mechanická práce a výkon srdce • Kapilární ultrafiltrace • Ledviny: práce ledvin a glomerulární ultrafiltrace • Měření tlaku krve Mechanické vlastnosti kardiovaskulárního systému Uzavřený oběhový a transportní systém • Hlavní části: Ø Srdeční sval Ø Uzavřený systém cév Ø Krev • Hlavní funkce: Ø Dodávání výživy a kyslíku buňkám, Ø Transport hormonů a jiných chemických signálů, Ø Odstraňování odpadních a vedlejších produktů z buněk (tkání) Ø Přenos tepla Mechanické vlastnosti cév Pružníkové a muskulární cévy Reynoldsovo číslo • Proudění krve: laminární • turbulentní • Reynolds (1883) • Reynoldsovo číslo: • (r – hustota kapaliny, v[s] – střední rychlost toku, r – poloměr cévy, h – koeficient dynamické viskozity) • Kritická rychlost: Teoretický a skutečný rychlostní profil toku krve v cévě Průtok krve v cévě s překážkou Tlak v jednotlivých částech krevního oběhu Periferní odpor cév • Analogie elektrického odporu či spíše impedance ( R = U/I ) • napětí U odpovídá tlak p • proudu I odpovídá průtočný objem Q • R = Dp/Q • Vycházíme z Hagen-Poiseuilleova vzorce pro průtočný objem: Periferní odpor cév Periferní odpor cév • Podíl jednotlivých úseků krevního oběhu na celkovém periferním odporu: Ø artérie ......... 66 % Ø (z toho arterioly 40 %) Ø kapiláry ........ 27 % Ø vény ............. 7 % • Při vasodilataci R klesá - zátěž srdce se snižuje • Při vasokonstrikci R roste - zátěž srdce se zvyšuje Mechanický výkon srdce Práce srdce při jedné systole (odhad) • p = konst. Þ W = p.DV • Levá komora Pravá komora p[stř.] = 13.3 kPa p[stř.] = 2.7 kPa DV = 70 ml DV = 70 ml W = 0.93 J W = 0,19 J • Z toho W[k] : = 0.009 J = 0,0018 J (dle vzorce 1/2.rv^2DV, r = 1.06 x 10^3 kg.m^-3, v[stř.] = 0.3 m.s^-1, resp. 0.22 m.s^-1) Práce a účinnost srdečního svalu • Energie potřebná k udržování tonu srdečního svalu: aòT.dt • T – mechanické napětí srdeční stěny (tonus) [N.m^-1], t - čas • Celková potřebná energie: E[c] = òp.dV + aòT.dt • Mechanická účinnost: W/E[c][ ](max. 10 %) Kapilární ultrafiltrace Filtrační pochody v kapilární kličce !!!!!!!!!!!!! Práce ledvin a glomerulární ultrafiltrace • Osmotická práce potřebná pro přenesení látky z prostředí o koncentraci C[2] do prostředí o koncentraci C[1]. Jedná se o přenos tělu potřebných látek z primární moči zpět do krve. W = 2,3 n.R.T.logC[1]/C[2] [ ] • Glomerulární ultrafiltrace: Hydrostatický tlak v glomerulárních kapilárách je asi 6,6 kPa (50 mm Hg). Proti tomuto tlaku působí hydrostatický tlak v Bowmanově pouzdře - 1,3 kPa (10 mm Hg) a onkotický tlak plasmatických bílkovin - 3,3 kPa (25 mm Hg), takže výsledný filtrační tlak v glomerulu je za normálních okolností 2 kPa (15 mm Hg). Glomerulus http://coe.fgcu.edu/faculty/greenep/kidney/Glomerulus.html Měření tlaku krve (TK) • Tlak je definovaný jako síla působící na jednotkovou plochu v plynu nebo kapalině. p = F/S [N.m^-2], kde F je síla působící na plochu S. • V soustavě SI je tlak měřen v N.m^-2, jednotka se nazývá pascal [Pa]. • V medicíně je TK nejčastěji udáván jako výška rtuťového sloupce v milimetrech - mmHg. • 1 mmHg = 1 torr = 133.3 Pa Měření TK • V tepnách TK kolísá mezi hodnotou maximální (systolickou) a hodnotou minimální (diastolickou). • Křivka časového průběhu TK v tepně má periodický, avšak nesinusový průběh. • Rozdíl mezi systolickým a diastolickým tlakem je maximální na začátku aorty; tlak kolísá v rozpětí hodnot od 10,5 do 16 kPa, tj. od 80 do 120 mmHg. • Střední hodnota TK v plicní tepně představuje jen pětinu hodnoty středního tlaku v aortě. Riva-Rocciho metoda Riva-Rocciho metoda • The Riva-Rocciho metoda může být objektivizována a automatizována pro monitorování pacientů. Manžeta je pravidelně nafukována pomocí malého kompresoru (např. každých deset minut) a Korotkovovy zvuky jsou snímány mikrofonem. Naměřené hodnoty systolického a diastolického tlaku jsou zobrazeny na displeji (u jednoduchých přístrojů) nebo uloženy do paměti přístroje a vyhodnoceny později. V druhém případě se metoda nazývá Holterovo monitorování TK. • U malých dětí může auskultační metoda selhat. V takovém případě lze použít dopplerovské detektory toku krve v místech, kde došlo k zúžení cévy manžetou. Přímé měření TK • Přímá metoda měření TK je invazívní. Do cévy se zavádí ohebný katétr. Jeho volný konec je připojen k měniči (kapacitnímu nebo piezoelektrickému) avšak je možné zavést piezoelektrický měnič přímo do cévy. • Metoda je poměrně riskantní, takže je relativně málo používána. Je to však jediná metoda, která umožňuje měřit tlak v žilách a v srdci.