Hemoreológia. Karcsúné Dr. Kis Gyöngyi Szeged, november 29. Jean-Léonard Marie Poiseuille. Isaac Newton

Átírás

1 Összevont szeminárium Hemoreológia, hemodinamika, vérnyomás Karcsúné Dr. Kis Gyöngyi Szeged, november 29. Hemoreológia TT: 36. vér folyékonyságának vizsgálata Isaac Newton Jean-Léonard Marie Poiseuille Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen Georg Simon Ohm Robin Sanno Fahraeus 1

2 Áramlásdinamika / keringésdinamika Soros és párhuzamos kapcsolások Áramlás intenzitásának folyamatossága (térfogat/idő) Szükséges hemodinamikai ismeret vérnyomás: a vérnek az erek falára kifejtett nyomása. Értéke a szívfunkciótól és az ér szívhez viszonyított pozíciójától is függ. Jele P, SI mértékegysége Pa, de az élettanban a Hgmm-t használják. Áramlás az érrendszer két pontja között akkor jön létre ha az eret kitöltő vér nyomásában a két pontnál különbség van. Ezt nyomásfőnek (perfúziós nyomás) nevezzük. Jele ΔP (=P1-P2) A szív szívó-nyomó pumpa aktivitása alakítja ki. Áramlás: a cső keresztmetszetén időegység alatt átáramló folyadékmennyiség ( V/ t), a szisztémás vérkeringésre vonatkoztatva a teljes áramlás neve keringési perctérfogat (PTF). Jele Q, mértékegysége térfogat/idő (pl. liter/perc). Vigyázat! áramlás áramlási sebesség (v), utóbbi alatt az áramló folyadék részecskéinek átlagos sebessége értendő (m/s). Q=A v, ahol A a cső keresztmetszete. Hidraulikus ellenállás: adott nyomásfő mellett mekkora áramlás jön létre a csőben. Nagyvérkörre vonatkoztatva teljes perifériás ellenállásnak/rezisztenciának (TPR) nevezzük. Jele R (TPR), mértékegysége nyomás idő/térfogat (Hgmm perc/liter) 2

3 Ohm törvénye az áramló folyadékok hidrodinamikájában a) Elektromos áramkörökben: R=U/I R: elektromos ellenállás U: feszültségkülönbség I: áram intenzitása Ohm törvénye az áramló folyadékok hidrodinamikájában a) Perfúziós nyomás~ nyomásfő (N/m 2 (területegységre eső erő)) áramlás (P aorta -P jobb pitvar ; P a. Pulm -P bal pitvar ) 1kPa=7,5 Hgmm; 1 Hgmm=0,133 kpa Hidraulikus ellenállás = perfúziós nyomás/áramlás intenzitása R=(P 1 -P 2 )/Q ; Q = ΔP/R ; Bulk flow Law Vér összenyomhatatlan Súrlódás Hő (szív öh. energia disszipálódik) 3

4 TPR teljes perifériás ellenállás TPR=(P 1 -P 2 )/perctérfogat PRU (perifériás rezisztencia egység) 100g szervre vonatkoztatva: PRU 100 = (P1-P2)/Q.100 A hidraulikus ellenállást befolyásoló tényezők: Az áramló folyadék saját anyagi tulajdonsága: viszkozitás (η) (folyadék belső súrlódása) A cső geometriájától: a hosszúsággal (L) egyenesen arányos, a cső sugarának (r) a negyedik! hatványával fordítva arányos Hagen-Poiseuille törvény: Q= P x π/8 x r 4 /L x 1/η R= 8/π x L/r 4 x η 4

5 Hagen-Poiseuille törvény hossz Q 1 L Átmérő (sugár!) Q r 4 nyomás Q P Hagen-Poiseuille törvény viszkozitás Q 1 η Q = P r4 Lη π 8 R = Lη 8 r 4 π 5

6 A Hagen-Poiseuille törvény teljesülésének kritériumai összevetve a keringési rendszer tényeivel Hengeres nem elágazó, merev csövek newtoni folyadék stacioner áramlás lamináris viszonyok Rugalmas, elágazó csövek, a vénák nem hengeresek nem-newtoni folyadék (a vér) pulzáció néha turbulens áramlás Az egyenlőség tehát nem állhat fenn, mégis a törvény kijelöli a fontos faktorokat Hétköznapi anyagok viszkozitása Hétköznapi nyelven: minél ellenállóbb a folyadék a folyással szemben, annál viszkózusabb Pl. krém vs. víz 6

7 Viszkozitás Különböző anyagok eltérően deformálódnak ugyanolyan feszültség hatására A folyás a deformáció irreverzibilis része, nem nyeri vissza eredeti alakját az anyag az erőhatás megszűnésekor (a munka hővé alakul) F Alakváltozással szemben a folyadékok is tanúsítanak ellenállást, ezt nevezzük súrlódásnak Folyadék belső súrlódása a folyadékon belüli rétegek egymáshoz viszonyított mozgása minél nagyobb a súrlódás, annál nagyobb erő szükséges a mozgáshoz; shear ( nyírás ) shear stress (F/A ~ τ): nyíráshoz szükséges erő egységnyi felületre vonatkoztatva (nyírófeszültség) (a lassabb folyadék réteg lassítja, a gyorsabb gyorsítja a szomszédját, nyírófeszültségek keletkeznek) shear rate (ϒ ~ dv/dx): folyadékon belüli sebességkülönbségek (gradiens) (nyírási sebesség) Poise (η) F/A = η x dv/dx kémiában Különböző anyagok viszkozitása Newtoni folyadékok vs. nem newtoni folyadékok Különböző modellek (elasztikus (Hooke-test) viszkózus (Newtontest) plasztikus (Saint-Venant-test) shear stress Rheogram Zselatin, tej, vér (nyírásra vékonyodó) Nedves homok, keményítős víz (nyírásra vastagodó) (n= folyási index) shear rate 7

8 Relatív viszkozitás Ostwald-féle viszkoziméter Referencia folyadék: víz Poiseuille törvény alapján Befolyásoló tényezők: Hőmérséklet Nyomás A véráramlás és profilja Nyírási sebesség ( shear rate ): dv/dx V 0 V átl V max max. lin. seb. Lamináris áramlás csőfal sebességprofil Nyírófeszültség (mozgást létrehozó erő) shearstress / nyírási sebesség shearrate megadja a viszkozitást (Newton törvénye) 8

9 A vér viszkozitása A vérplazma newtoni folyadék (csak a hőmérséklettől függ (pl. méz)), viszkozitása a plazmafehérjék összetételétől és koncentrációjától függ (kiszáradás!) A vér azonban nem newtoni folyadék (sejtes elemek jelenléte!) (η τ/γ), viszkozitása a nyíróerőktől is függ, és a csőgeometria is befolyásolja. 1. A hematokrit növekedése növeli a vér viszkozitását. 2. A nyírási sebesség növelése drasztikusan csökkenti a vér viszkozitását. 3. Az érátmérő csökkenése csökkenti a vér viszkozitását. 1. A vér viszkozitásának hematokrit-függése Relatív viszkozitás Normál érték Plazma viszkozitása Víz viszkozitása Hematokrit 9

10 A legtöbb jelenségre magyarázat a vörösvértest membrán különleges, nem rugalmas, hanem folyadékszerű (viszkózus) deformálhatósága, amely az áramláshoz való alkalmazkodást teszi lehetővé. VVT citoszkeleton Sejt válasza az áramlásra mechanikai bukfenc lánctalp nyúlás forgás Kémiai szignál Alison M. Forsyth et al. PNAS 2011;108: by National Academy of Sciences 10

11 Vörösvérsejt áramlása folyadékcsepp folyadékban a vvt-k legnagyobb tengelyükkel az áramlás irányában rendezetten helyezkednek el Lassú áramlás esetén folyamatos rotáció 2. Vörösvérsejt aggregátumok ( alvadék) Alacsony nyírási sebesség pénztekercsképződés viszkozitás oka: globulinok (!szedimentáció!) Nyírási sebesség viszkozitás Oka: nyíróerő vvt-k passzív rotációja áramvonalas alakváltozás, pénztekercs megszűnése 11

12 Nyírási sebesség vs. vér viszkozitása Nem newtoni Newtoni Vér viszkozitása 3. Az érátmérő hatása a vér viszkozitására Fåhraeus-Lindquist effektus érátmérő < 300µm vér viszkozitása ~7-10 µm ~ a plazma viszkozitás Relatív viszkozitás plazmaviszkozitás érátmérő (µm) 12

13 Fåhraeus-Lindquist effektus tényezői 1. Kapillárisok vvt egy sejtsorban folyadékcsepp adaptáció, (lövedék forma > 7 μm, papucs forma > 3 μm) nem érintkeznek, paraboloid sebességprofil fehérvérsejtek viszkozitás 2 & 3. Axiális migráció& plazma skimming: Nagyobb mikroerekben ( μm) tengelyáram közepén, gyorsan haladnak, a szélen lassabb, sejtmentes plazmaáram alakul kihematokrit viszkozitás Stanford.edu 13

14 Fåhraeus-Lindquist effektus Turbulens áramlás Lamináris áramlás Reynolds-féle szám: N R =ρ x v x d /η ρ: foly. sűrűség (g/cm 3 ) v: lin. áramlás seb. (cm/s) d: érátmérő (cm) η: foly. viszkozitása (poise) Lamináris: < 2000 Turbulens: >

15 Turbulens áramlás Fiziológiás előfordulása: szív, nagyobb artériák N R =ρ x v x d /η Szűkület lin. sebesség (átmérőtől függ, v= Q (áramlás) /πr 2 (keresztmetszet)) N R Anaemiahematokrit viszkozitás N R perctérfogat lin. sebesség N R Diagnosztikában: vérnyomásmérés, auscultatios módszer Erek anatómiája 15

16 Felépítés Nyomás (Hg mm) Az áramlás intenzitása (ml/idő) minden egyes keresztmetszetén azonos Erek osztályozása nyomás: magas és alacsony nyomású rendszerek Rugalmasság/compliance: elasztikus (szélkazán) erek, muszkuláris (vezető funkció, disztribútorok), rezisztencia erek (perifériás ellenállás, kis artériák - arteriolák), kicserélési erek, kapacitás erek (venae cavae) 16

17 Mi a vérnyomás? Az az erő, melyet a bal kamrából kikerült vér az erek rugalmas falára kifejt szisztolés & diasztolés érték A vérnyomás életkoronkénti alakulása (Hg mm): Újszülött: 65-85/45-55 csecsemő 6-12 hó: /55-65 kisgyermek 3-6 éves: /60-75 gyermek 12 éves: /60-75 gyermek 14 éves: /65-85 Felnőtt: /80-90 normál: /60-90 Hgmm hypertónia: 140/90 felett hypotónia: 100/60 alatt statikus áramlási 1 2 P = Ps + ρ v + ρ gh 2 hidrosztatikus Miért mérjük a vérnyomást? Hipertónia & szövődményei: aneurizma vese elégtelenség atherosclerosistrombózis stroke, szívinfarktus, tüdőembólia kb. 20 %-a a lakosságnak 17

18 Egy kis történelem század: római orvosi Galen (Hippokratész): szívről ő írt először: a testhőmérséklet forrása, köpölyözés ~1500: Leonardo Da Vinci 1511: Szervét Mihály: kis vérkör 1543: Andreas Vesalius: De Humani Corporis Fabrica, 4 üregű szív 1628: William Harvey (Descartes): szív pumpa funkciója, a keringés önmagába visszatérő zárt rendszer, egy irányú áramlás, billentyűk (!köpölyözés!) Hales: első invazív mérés, 1733 Carl Ludwig (1847): kymograph első humán invazív mérés 18

19 Karl Vierordt (1855): megfelelő nyomással az artériás pulzálás megszüntethető, felfújható mandzsetta nem invazív mérés 1863, É-J Marey, hordozható verzió 1880 Basch, majd Scipione Riva-Rocci (1896): higanyos sphygmomanometer, csak szisztolé mérése tapintással Nikolai Korotkoff (1905): sztetoszkóppal szisztolé és diasztolé meghatározása MAP az egy szívciklusra vonatkozó átlagos artériás nyomás 1 mm magasságú higanyoszlop hidrosztatikai nyomása: 1 Hgmm = kg /m 3 9,81 ms 2 0,001 m = 133,4 Pa A centrális vénás nyomás vagy a koponyaűri nyomás kifejezéséhez gyakran alkalmaznak kisebb mértékegységet, a vízoszlop-centimétert (H2Ocm): 1 H 2 Ocm = 1000 kg/m 3 9,81 ms 2 0,01 m = 98,1 Pa. A fentiek összehasonlításával látható, hogy a Hgmm és a H 2 Ocm közötti átszámítási képlet a következő: 1 Hgmm = 1,36 H 2 Ocm 19

20 * Pulzushullám 1: szisztolés csúcsnyomás 2: visszaverődés (aorta billentyű zárása) 3: diasztolés nyomás (csökkenés, a visszavert hullám befolyásolja) (*mitrális billentyű zárása) 4: aorta billentyű nyitása / ejekció A visszavert hullám amplitúdója összefügg a teljes perifériás ellenállással A közvetlen és a visszavert hullám között eltelt idő megegyezik azzal az idővel, mialatt a közvetlen hullám eljut a combartériákig és vissza Pulzushullám amplifikáció Csak a centrális pulzus alkalmas a billentyűk működésének vagy a kontraktilitás meghatározásához 20

21 Nyomás, ellenállás és áramlás Autoreguláció 21

22 Artériás compliance, disztenzió, stiffness Compliance: az érátmérő abszolút változása adott nyomásváltozás mellett ( V/ P) Disztenzió: az érátmérő relatív változása adott nyomásváltozás mellett ( V/( PxV 0) ) Stiffness: merevség: nem specifikus elnevezés, az előző kettő antonimája, pulzushullám elemzése pulzushullám terjedési sebessége (PWV) elasztikus modulus: azt a nyomást jelenti, amely szükséges az érfal 100%-os kitágításához augmentációsindex (Aix): azt a többletnyomást fejezi ki, amelyet a perifériáról visszaverődő hullám okoz, azaz a visszaverődés mértékét definiálja. Érfali merevség (stiffness) Csökkent compliancecentrális: sys, dias (nő az utóterhelés, csökkent koronária perfúzió) Merev falú artériákban gyorsan verődik vissza pulzushullámra rakódva fokozza a szisztolés nyomást (augmentáció) (Következményei: hipertónia, stroke, vese, BK, myocardiális ischaemia ) 22

23 Pulzushullám terjedési sebesség Szisztolés volumen keltette pulzushullám 2 pont között mért utazási ideje a pontok közötti távolsággal osztva Befolyásoló tényezők: Ált.: a. carotis + femoralis Minél merevebb a fal, annál nagyobb a sebesség Normál: 4-9 m/s Hipertónia akár: 16 m/s Arteriosclerosis - Atherosclerosis Koncentrikus megvastagodás, merevség, kalcium Degeneratív intima eltérés, lokális, szűkület, zsír 23

24 Érfal merevsége és hipertónia aorta rugalmassága & szélkazán funkciója pulzushuliám-sebesség és az aorta centrális szisztolés csúcsnyomása & aorta centrális diasztolés nyomása Hypertoniaartériák falára ható fokozott nyíróerők kollagén felszaporodása, az elasztin megfogyatkozása, az extracelluláris mátrix megváltozása, a t. media hypertrophiája atherosclerosis artériák merevsége egymással kölcsönhatásban álló tényezők! Vérnyomás mérése Non invazív: (vértelen, közvetett) Szfigmomanométer Ellennyomást gyakorolunk, ezt a nyomást határozzuk meg a Korotkoff hangokkal Egy mérés nem mérés Gyakori méréstechnikai és műszerhiba A napszakok szerint változhat Invazív: artéria vagy véna kanülálása és a nyomás átalakítása elektromos jellé 24

25 Nem invazív módszerek 1. Palpatiós tapintásos módszer Csak szisztolés értéket ad meg Nem invazív módszerek 2. Auscultatio - Korotkov: 25

26 Nem invazív módszerek 3. Oszcillometriás módszer: Modern digitális vérnyomásmérők Nem invazív módszerek 4. Pletizmográfiás módszer vérnyomás folyamatos monitorozására infravörös fény hemoglobin vértérfogat Peňaz-elv: akkor tapasztalható a legnagyobb amplitúdójú vértérfogatváltozás, amikor a véredény falának külső és belső oldalán megegyezik a nyomás, azaz a transzmurális nyomás zérus a mandzsettában lévő nyomást szabályozó visszacsatolásos rendszer állandó értéken tartja a pletizmográfiás jelet (és ezáltal zérus értéken tartja a transzmurális nyomást), a mandzsettában lévő, egyszerűen monitorozható nyomás követni fogja az artériás nyomást 26

27 Nem invazív módszerek 5. Doppler-vizsgálat: Ultrahangos módszer, áramlás mérése! Néhány /perc vvt-k visszaverik, alacsonyabb frekvenciával (vvt mozog vonatfütty ) Alacsony nyomásértékeknél ABPM 24 órás ambuláns vérnyomásmérés (Ambulatory blood pressure monitoring ) - fehér köpeny szindróma, napszaki változások 27

28 Invazív mérés (Carl Friedrich Wilhelm Ludwig, 1847 (Kymograph)) Általános indikációk Sokkállapotok (pl.: súlyos sepsis, septicus sokk, vérzéses sokk, stb.) Keringést érintő betegségek Acut coronaria syndromák (instabil angina, myokardiális infarctus) Kongesztív szívbetegségek Szívritmuszavarok Sebészeti indikációk Szív- és nagyérsebészet Idegsebészet Nagyobb, jelentős vér- vagy folyadévesztéssel járó sebészi beavatkozások Aneszteziológiai és intenzív terápiás indikációk Intenzív ellátást igénylő súlyos, életveszélyes állapotok Kontrollált hipotenziós eljárások Ha nem-invazív vérnyomásmérés nem lehetséges, de indikált Gyakori artériás vérvétel (pl.: vérgázellenőrzés) szükséges a műtét alatt és/vagy a posztoperatív szakban Invazív mérés a. brachialis, femoralis, radialis, dorsalis pedis Kanül, folyadékkal teli összekötőcső, nyomsátalakító (transzducer), jelfogó monitor Kalibrálás-referenciapont: légköri nyomás Alapelve: a kanül végén a csőben levő folyadékoszlop (pl. sóoldat) közvetlenül érintkezik az érben áramló véroszloppal Pascal törvénye: a nyomás gyengítetlenül terjed tovább a folyadékban a vérnyomásjel a kanül belsejében lévő folyadékoszlop közvetítésével érintkezik a testen kívül elhelyezett szenzor membránjával elektromos jel Mechanikus energia hajlékony merev falú cső közvetíti transzducer konvertálja elektromos energiává monitor Allen teszt: Az ulnáris és a radiális artéria elszorítása kéz leenged, kinyit, szorítás megszüntetése kéz színének visszatérését mérik < 15 mp kontra indikáció 28

29 CVP Centrális vénákban mért nyomás jobb pitvari nyomás jobb oldali vénás visszaáramlás a: pitvari összehúzódás, tricuspidalis nyitás. Hiánya pitvarfibrillációt jelez, míg a tricuspidalis vagy a pulmonalis billentyű szűkülete és a pulmonalis hipertenzió alatt jelentősen megnő. c: a tricuspidalis billentyű bedomborodása a jobb pitvarba és az artéria carotisról áttevődő pulzáció x: a pitvari relaxáció v: emelkedő pitvari nyomás, mielőtt a tricuspidalis billentyű kinyílna (tricuspidalis elégtelenség regurgitatio esetén megnő) Y: a pitvari ürülés Normál értéke fekvő helyzetben, a jobb pitvar szintjében: 0-8 vízcm CVP mérése Milyen esetben? Hypotenzió Hypovolémia Inotróp infúzió esetén Hol? v. jugularis interna, v. clavicularis, v. femoralis Hogyan? Seldinger-technika: a véna megszúrására használt tű lumenében drót (Seldinger-drót) tű el a vezetődrótra katéter (kanül ellenőrzés!) Szövődmény lehetőségek Mellhártya sérülése légmell (pneumothorax) kialakulása Mellkasi vérgyülem (haemothorax) kialakulása Érsérülés Idegsérülés Szívritmuszavarok Szívsérülés Légembolia (a nyitott katéteren keresztül levegő kerülhet a keringésbe, leginkább belégzéskor, a negatív mellűri nyomás szívóhatása miatt) Gyulladás, fertőzés a szúrás helyén 29