curs 10 biofizica

1

Curs 10: Circulația sanguină și noțiuni de

hemodinamică

Disciplina de Biofizică

UMF“Carol Davila”, Bucuresti

Dr. Magda Mocanu

2

Cuprins

1. Elemente de hidrodinamică• Ecuația de continuitate• Ecuația Bernoulli• Vâscozitatea• Legea lui Poiseuille• Legea lui Stokes• Numărul lui Reynolds

2. Elemente de hemodinamică• Circulația sanguina• Ciclul cardiac• Legea lui Laplace• Structura pereților vaselor de

sânge• Factori care influențează

presiunea arterială• Acumularea axială a

eritrocitelor• Viteza de curgere a sângelui• Presiunea sângelui• Măsurarea presiunii arteriale• Aspecte biofizice ale

patologiei circulatiei sângelui

3

1. Elemente de hidrodinamică

• Ecuația de continuitate

• Ecuația Bernoulli

• Vâscozitatea

• Legea lui Poiseuille

• Legea lui Stokes

• Numărul lui Reynolds

4

Definiții

Hidrostatica = studiază fluidele aflate în repausHidrodinamica= studiază fluidele aflate în mișcare

Fluide = substanțe care pot curge; gaze, lichide

Prezintă vâscozitate în timpul curgerii

Nu prezintă vâscozitate (frecări interne) în timpul curgerii

Fluid realFluid ideal

5

Curgere staționară vs curgere nestaționară

Curgerea staționară

= proprietățile curgerii pentru un anumit punct dat suntconstante în timp

Curgerea nestaționară

= proprietățile curgerii pentru un anumit punct dat nu sunt constate în timp

6

Ecuația de continuitate (1)

Debit de fluid

t

xv

smvSI

/

t

VQ

smQSI

/3

vSt

xS

t

VQ

Viteză fluid (v) = spațiul parcurs

de un element de volum în unitatea de timp

Debit fluid (Q) = volum de fluid

care trece în unitatea de timp

printr-o secțiune dată

2

7

S1

S2


CONDIȚII:

1. FLUID INCOMPRESIBIL

2. CURGERE STAȚIONARĂ

3. MASA SE CONSERVĂ

4. VAS FĂRĂ RAMIFICAȚII

S = suprafața de arie S

v = viteza (spațiul parcurs de un element de volum în unitatea de timp)

.2211 constvSvS

College Physics, Vuille and Serway, 20098


• Debitul volumic are aceeași valoare în orice secțiune a vasului

• Viteza sângelui depinde de diametrul vasului (vezi secțiunea vasului de sânge)

• În zonele înguste ale vasului curgerea este mai rapidădecât în zonele cu deschidere mare

2211

21

vSvS

QQ

9


2000

1500

1000

500

2500

Viteza de curgere a fluidului este inversproporțională cu suprafața totală a secțiunii

10

Ecuația lui Bernoulli (1)

CONDIȚII:

1. FLUIDE IDEALE

(fără vâscozitate, curgere staționară)


p1S1

p2S2

11

Ecuația lui Bernoulli (2)

Suma presiunii, energiei cinetice pe unitatea de volum și a energiei potențiale pe unitatea de volum este constantă în toate punctele de pe traseul unei linii de curent

CONSERVAREA ENERGIEI FLUIDULUI IDEAL ÎN CURGERE STAȚIONARĂ

ctgyv

p

2

2

Presiune statică

Presiunedinamică

Presiunehidrostatică

12

Vâscozitatea (1)

Vâscozitate = rezistența unui fluid la curgere

(datorată prezenței forțelor de frecare internă)

Fluid realFluid ideal


v v

3

13

Vâscozitatea (2)

F = forța de vâscozitate

η = coeficient de vâscozitate (eta)

S = aria suprafeței de frecare între straturi

∆v/∆x = gradientul de viteză

x

vSF

PcP

msNPPoise

mNsPIPoiseuilleSI

01,01

/10)1(1

/1)1(121

2


Vâscozitatea (3)

1. Fluide ideale

2. Fluide reale:2.1. Fluide newtoniene– Vâscozitatea nu depinde de

presiune, viteza de curgere– Vâscozitatea = const.

2.2. Fluide ne-newtoniene– Vâscozitatea depinde de

presiune sau viteza de curgere

– Pot fi:• Pseudoplastice• Dilatante

http://www.dispensetips.com/pages/rheology.html

15

Vâscozitatea (4)

Sângele• Este o suspensie

(neomogen) • fluid ne-newtonian

pseudoplastic

Principles of human anatomy, 2012, G. Tortora and M. Nielsens

1 – 1.14Urină

3.9 – 4.6Sânge

1.4 – 1.8Plasma sanguină

1.014LCR

ηrelFluide biologice

16

Vâscozitatea (6)

Vâcozitatea sângelui crește exponențial cu hematocritul

Hematocrit (H)

= fracția de volum ocupată de eritrocite

Valoarea pentru care cantitatea de Hb ce poate intra în capilare e maximă = 48%

2006, Medical Physiology, Guyton

17

Vâscozitatea (7)

↑ vâscozit. sg

+ hipoxie + necroză

↓ Temperatură

↑ vâscozit. sg↑ Volumul hematiilor

(intoxicații cu CO2)

↓ vâscozit. sg↑ Viteza de curgere

↑ vâscozit. sg↑ Hematocrit

18

Vâscozitatea (8)

Lichidul sinovial

• Scade suprafața de frecare dintre 2 suprafețe osoase

• fluid ne-newtonian pseudoplastic

• Vâscozitatea scade odată cu mărirea presiunii

• Proteine în lichidul sinovial:– LUBRICINĂ

– ACID HIALURONIC


4

19

Legea lui Poiseuille (1)

Legea lui Poiseuille-Hagen

= diferența de presiune între 2 puncte ale unei conducte de secțiune constantă este proporțională cu debitul de volum

4

8 l

rpQ

4

21

18

rR

QRppp

Q = debitul de lichid ∆p = diferența de presiunel = lungimea tubului

R = rezistența la curgereη = coeficient de vâscozitater = raza tubului


Legea lui Poiseuille (2)

Dacă debitul sanguin crește de 5x → vasodilatarea arteriolelor la presiune constantă

Curs Conf. Dr. I. Băran

21

Legea lui Stokes (1)

rvF 6F = forța de frânare

v = viteza sferei

η = vâscozitatea

r = raza sferei


G

Farhimedica

Ffrânare

22

Legea lui Stokes (2)

GFF arhimedicafranare

vlim = viteza de sedimentare a hematiilor / VSH

(lb engl terminal speed)

Fa

G

Ffr


23

Numărul lui Reynolds (1)

Curgerea fluidelor (regim de curgere):1. Curgere laminară = curgere unidirecțională

2. Curgere turbulentă = recirculare, rotație

http://www.cheng.cam.ac.uk/research/groups/electrochem/JAVA/electrochemistry/ELEC/l7html/hydro.html

24


vd

Reρ = densitatea fluiduluiv = vitezad = diametrul tubuluiη = vascozitatea fluidului


5

25


500Artere

140Vene

0.7Arteriole

0.01Venule

0.002Capilare

3300Vena cava

3400Aorta

ReSistemulcirculator

26

2. Elemente de hemodinamică • Circulația sanguina• Ciclul cardiac• Legea lui Laplace• Structura pereților vaselor de sânge• Factori care influențează presiunea arterială• Acumularea axială a eritrocitelor• Viteza de curgere a sângelui• Presiunea sângelui• Măsurarea presiunii arteriale• Aspecte biofizice ale patologiei circulatiei sângelui

27

Circulația sanguină (1)

Hemodinamica(cf. gr. haima – sânge, dynamis –

forță)= capitol al fiziologiei care

studiază circulația sângelui în organism

Sistem circulator= sistem tubular închis

Inima = pompă care împinge sângele într-o

manieră pulsatilă în v. sg.

Debitul sanguin cardiac• Repaus = 5 litri/min.• Efort = 25 litri/min.

Principles of human anatomy, 2012, G. Tortora and M. Nielsens28

Circulația sanguină (2)

Fluxul sanguin dinspre arteriole spre capilare reglat de sfincterul precapilar:

• Relaxare (deschis):

– Conc. mici oxigen

– Aciditate

– Conc. mari CO2

– Conc. mari K+

• Contracție (închis)

Mușchi în repaus:

2 – 5% din capilare funcționează simultan


29

Ciclul cardiac (1)

Principles of human anatomy, 2012, G. Tortora and M. Nielsens30

Ciclul cardiac (2)

• evenimentele cardiace de la începutul unei bătăi de inimă până la începutul următoarei bătăi de inimă

• este format dintr-o perioadă de relaxare (diastola, inima se umple cu sânge) urmată de o perioadă de contracție (sistola)

• fiecare ciclul cardiac este inițiat spontan de activitatea nodulului sino-atrial

Rolul de pompă al inimii:

Atriile = pompă primară

Ventriculele = pompează sângele în întreg organismul

6

31

Fazele contracției ventricului stâng (1)

Medical Physiology, Guyton, 200632


1. Faza de umplere: muschiul ventricular relaxatvalva mitrala deschisavalva aortica închisavolumul ventricular creste

2. Contractia izovolumica: muschiul ventricular se contractaambele valve sunt închisevolumul ventricular ramâne constant

3. Faza de ejectie: muschiul ventricular în contractievalva mitrala închisavalva aortica deschisavolumul ventricular scade

4. Relaxarea izovolumică: muschiul ventricular se relaxeazaambele valve sunt închisevolumul ventricular ramâne constant

33


Volum de ejecție = 80 ml

5 l/mi. ---- 5000 ml/80 ml = 60 bpm (puls)


34

Legea Laplace (1)

T = tensiune; P = presiune; R = raza

http://hyperphysics

35

Legea lui Laplace (2)

http://hyperphysics36


R

Tp

21

11

RRTp

Membrane elastice de curbură variabilă

Vase cilindrice

R

Tp

2

Membrane sferice

Ex: vasele de sânge Ex: alveolele pulmonare

7

37


Ventriculul stâng mai gros decât ventriculul drept

• Tensiune mai mare prin contracție

• Scade dimensiunea cavității

• Presiunea de ejecție este mai mare


R

Tp

38

Structura pereților vaselor de sânge (1)


39

Structura pereților vaselor de sânge (2)

Tesut endotelial (TI)• caracterul neted al peretelui (efect antitrombotic)• permeabilitate selectiva pentru diferite substante

Fibre de elastina (TM)• foarte usor extensibile• creeaza o tensiune elastica pasiva în peretele vasului

Fibre de colagen (TM, TE)• rezistente la întinderi• confera vasului de sânge rezistenta la presiuni mari

Fibre musculare netede (TM)• tensiune activa în perete regleaza diametrul• contractie controlata fiziologic

40

Presiunea arterială

Tensiune arterială (TA)

= presiunea pe care sângele o exercită asupra perețilorarterelor mari (ex: artera brahială)

41

Factori care influențează presiunea arterială (1)

Vâscozitatea sângelui

Elasticitatea pereților arteriali

Rezistența la curgere

Debitul sanguin cardiac

Volumul sanguin total

Frecvența bătăilor inimii

Factori

↑TA

↑TA

Depunerile de grăsime --- ↑TA

Sb vasodilatatoare (nitroglicerina) --- ↓TA

Sb vasoconstrictoare --- ↑TA

Debit = 5 l/min --- TA = 125/80 mmHg

Debit = 25 l/min --- TA = 180/125 mmHg

↑TA

↑TA

Observații

Crește

Scade

Crește

Crește

Crește

Crește

42

Factori care influențează presiunea arterială (2)


Elasticitatea pereților arteriali

8

43

Măsurarea presiunii arteriale (1)

Metoda auscultatorie:1. Componenta sistolică (maximă)

• Presiunea exercitată asupra pereţilor arteriali când inima se contractă • Valori normale: 90 – 120 mmHg

2. Componenta diastolică (minimă)• Este presiunea exercitată asupra pereţilor arteriali când inima se relaxează, între două

contracţii • Valori normale: 60 – 80 mmHg

Medical Physiology, Guyton, 2006

44



Închiderea valvulei aortice

Deschiderea valvulei aortice

45


10Vena cavă

15Venule

25Capilare

35Arteriole

100Aorta

Presiune medie

(Torr)

Vas sânge

1 Torr = 1 mmHg

46


Variatia presiunii aerului in manson

Explicarea zgomotelor

47

Acumularea axială a eritrocitelor

La viteze mari:

• Hematiile: grad maxim de ordonare

• Rezistența la curgere minimă

• Vâscozitatea nu mai depinde de viteza sângelui

• Viteza mare --- hematiile se acumulează spre centru

• Hematiile se alinează paralel cu viteza de curgere

• Viteza hematiilor: – Pe margini – se respectă L. lui

Poiseuille

– În centru – aceași viteză

Curs Conf. Dr. I. Băran48

Viteza de curgere a sângelui

Curgerea sângelui în organism: neuniformă Cauze: vâscozitatea mare a sg, expulzarea sg în pulsuri, forma

variabilă a vaselor de sg

2009, Medical Biophysics, S. Damjanovich et al

9

49

Presiunea sângelui (1)

Presiunea redusă – facilitează schimburile de gaze respiratorii

Sângele curge din zone cu presiune mare (a. aortă) spre zone cu presiune mică (v. cavă)

Curs Conf. Dr. I. Băran50

Presiunea sângelui (2)

L. lui Laplace:

Tensiune mare – pereții arteriali (fibre de colagen – rezistență împotriva anevrismelor)

Tensiune mică – pereții capilari


51

Aspecte biofizice ale patologiei circulației sângelui

• Modificări anormale ale hematocritului

• Modificarea dimensiunilor inimii

• Îngustarea rigidă a peretelui vascular în arterioscleroză

• Anevrismul

Pacient de 67 de ani cu policitemia vera

Se observă: Eritrocite fragmentate Ovalocite Celule cu formă de lacrimă

Hsia C C , Xenocostas A Blood 2011;118:4769-4769

©2011 by American Society of Hematology

Modificări ale hematocritului

• Peste 58% (valoarea maximă la care hematiile nu se deformează) – apar deformări elastice ale eritrocitelor

• Policitemia vera –hematocritul: 70% = sângele nu se mai comportă ca un fluid, ci ca un solid elastic = apar obstrucții ale vaselor de sânge

53

Modificări ale dimensiunii inimii

• În cardiopatia dilatativă – razele de curbură ale pereților cordului devin mai mari

• Miocardul realizează un efort suplimentar (L. Laplace) – prin contracție trebuie să producă o tensiune mai mare în pereții cordului (pentru a asigura presiunea sistolică normală)

http://www.informazionimediche.com/2011/09/la-cardiomiopatia-dilatativa-sintomi-complicazioni-e-terapie.html

54

Îngustarea rigidă a peretelui vascular în arterioscleroză

Arterioscleroza(îngroșarea și pierderea elasticității pereților arteriali; ateroscleroza este cel mai frecvent tip de arterioscleroză)

• Se îngustează lumenul vaselor de sânge

• Crește viteza de circulație a sângelui

• Crește riscul rupturilor vasculare

• Dacă pereții devin rugoși – poate apare curgerea turbulentă → rezistența la înaintare a coloanei de sânge → apariția de zgomote (sufluri)

10

55

Anevrismul

• Arterele mari sunt supuse unei tensiuni mari, proporțional cu presiunea sângelui și raza vasului (L. Laplace)

• Dacă în peretele unei artere se dezvoltă o regiune cu rezistență scăzută →peretele începe progresiv să se întindă către exteriorul arterei

• Aparent: relaxarea locală a presiunii

• În realitate: o tensiune și mai mare în peretele subțiat

• Procesul se amplifică progresiv: anevrismul

• Netratat: ruperea vasului de sânge

Anevrism cerebral la joncțiunea dintre carotida int dr și arterele cerebrale ant.

www.mountsinai.org

curs 10 biofizica

Documents

Transcript of curs 10 biofizica