A vérkeringés biofizikája A keringési rendszer Talián Csaba Gábor PTE, Biofizikai Intézet 2012.09.18. MRI felvétel Miért áramlik a vér? Szív által létrehozott nyomásgrádiens é á = á ü ö é ő á á = ~ = Vérnyomás: az áramló vér által kifejtett nyomás az érfalakra, illetve a vele szomszédos vértérfogatra A szív szakaszos működése miatt a vérnyomás is ritmusosan változik A véren végigfutó nyomáshullám mozgásba hozza az érfalat: kitágulás és elernyedés tapintható (pulzus) és mérhető Legnagyobb érték: szisztolés vérnyomás Legkisebb érték: diasztolés vérnyomás p p p A vér kinetikai energiája részben az érfal potenciális (elasztikus) energiájává alakul é á ö é á = + 1 3 ( ) 1
Vérnyomás Szisztolés (Hgmm) Diasztolés (Hgmm) Bal kamra 120 0 Aorta 120 75 Venae cavae ~ 0 ~ 0 Jobb pitvar 4,5-4,5 Jobb kamra 35 0 Tüdőartéria 35 7-9 Tüdővéna 7 7 Bal pitvar 4,5-4,5 10 centiméterenként = h é =0,1 1.065 9,81 =1.045 =, Feji artériák (~ +50cm) ~ 80 Láb alsó artériái (~ -100cm) ~ 200 = h Perifériás keringés Perifériás keringés feladata: egyenletes, egyirányú és lamináris (viszonylag lassú) áramlás fenntartása Perifériás ellenállás 2. Hagen-Poiseuille törvény =( =) 8 Leírható a hidrodinamikai törvények alapján nyomásgrádiens = ellenállás verőtérfogat 1. Kontinuitási egyenlet = = = = Az ellenállás az egyes érszakaszokon eltérő, és függ a nyomáseséstől vér viszkozitásától erek keresztmetszetétől Ezt módosítja: erek rugalmassága szív szakaszos működése vértérfogat változása (nyirokképződés) = Σ =állandó Σ á 750 Disztributív erek nagy nyomás aorta, artériák Rezisztenciaerek nagy ellenállás arteriolák Diffuzív erek kis sebesség, filtráció kapillárisok Kapacitív erek alacsony nyomás vénák, nyirokerek 2
Nyomásesés Kirchoff törvények: soros kapcsolás ő = + + + párhuzamos kapcsolás 1 = 1 + 1 + + 1 ő Sok kis párhuzamos alvérkör Kisebb eredő ellenállás Az áramlás helyi, független szabályozása Jobb oxigénellátás Sorba kapcsolt kapillárisok csak speciális helyeken (pl. két vérkör is!) Aneurizma Viszkozitás pozitív visszacsatolás A viszkozitás miatt a mozgási energia hővé alakul és a vérnyomás lecsökken A vér átlagos viszkozitása ~4,5 mpa s A 1 v 1 p 1 nő csökken nő Függ a 1. hematokritértéktől (pl. leukémia) A 2 v 2 p 2 2. plazmafehérjék koncentrációjától (pl. globulinémia) kontinuitási egyenlet Bernoulli törvénye 3. sejtes elemek (vvt) deformálhatóságától hasonló méretű szilárd részecskék szuszpenziója téglakemény, a 95% vvt-szuszpenzió viszkozitása csak ~20 mpa s 3
Érkeresztmetszet 4. vvt aggregációs képességétől (növeli a viszkozitást) 5. áramlási sebességtől =( =) 8 rouleaux = = 6. érátmérőtől (Fåhræus-Lindqvist effektus) Segré-Silberberg effektus sejtmentes zóna térfogati áramerősség és vérnyomás legfontosabb szabályozási módja: idegi és hormonális (katekolaminok) jelentős mennyiségű simaizmot tartalmazó erekben: muscularis artériák és arteriolák plazmalefölözés Az áramlás általában a kritikus sebesség alatti, lamináris Egyes helyeken (billentyűk, érszűkület) felgyorsulhat, ami turbulenciát okoz Ez különféle zörejekként (szívhangok, Korotkov-hang) érzékelhető Ingerképzés Kamrasystole 0,3s Isovolumetrikus kontrakció Ejekció Kamradiastole 0,5s Isovolumetrikus relaxáció Gyors kamratelődés Diastasis Pitvari systole Pitvarsystole 0,1s Pitvardiastole 0,7s 4
1. Isovolumetrikus kontrakció Minden billentyű zárva (AV billentyűk záródása és a semilunaris billentyűk nyitódása közti szakasz) Emiatt a térfogat állandó a nyomás meredeken emelkedik A kamra közel gömbalakot vesz fel (adott feszülés mellett a maximális nyomás) EKG: R-csúcstól az ST szakasz kezdetéig Első szívhang (AV billentyű záródása miatti turbulencia) http://library.med.utah.edu/kw/pharm/hyper_heart1.html 2. Ejekció Gyors és lassú szakasz Kamrai nyomás nagyobb lesz, mint az aortában A semilunaris billentyűk megnyílnak Kamratérfogat gyorsan, majd lassabban csökken Vérnyomás az aortában eléri a kamrai nyomást, így az aortabillentyű záródik EKG: S-csúcstól a T-csúcs végéig 3. Isovolumetrikus relaxáció Kamrai nyomás gyorsan csökken, a kamra térfogata minimális Kamranyomás a pitvari és az aortanyomás közé esik Ezért a semilunaris billentyűk is záródnak Az erős összehúzódás a kamrában elasztikus erőt hozott létre, amely most visszahúzza a kamrát, így a nyomás 0 Hgmm is lehet Második szívhang (a semilunaris billentyűk záródását kísérő turbulencia) 5
4. Gyors kamratelődés Az előző három szakaszban a pitvarok diastoléba kerültek, és megteltek, bennük a nyomás megnőtt Kamrai nyomás a pitvari nyomás alá esik, az AV billentyűk megnyílnak Kamratérfogat gyorsan növekszik, a vér ide áramlik a pitvarokból A tágulás miatt a vérnyomás a kamrában a minimumon van Harmadik szívhang (általában kóros állapotokban, a túl gyors passzív kamratelődés miatt pl. DCHF, MI, magas vérnyomás, billentyűzavar) 5. Diastasis Lassuló kamratelődés 6. Pitvari systole A pitvar izomzata összehúzódik, benne megnő a vérnyomás Az eddigi passzív kamrai telődést csak további 8-10%-kal növeli meg A venae cavae belsejében átmenetileg megreked a vér Az összehúzódás gyorsan véget ér, utána megint csökken a pitvari vérnyomás EKG: a sinuscsomóban ingerület képződik, amely ráterjed a pitvarokra (Phullám), majd a pitvar-kamrai csomóhoz halad (PQ-szakasz) Negyedik szívhang (általában kóros állapotokban, ha a pitvari ürülés a kontrakció után ér véget pl. HCHF, tüdőembolia, billentyűzavar) Pumpaműködés Perctérfogat = pulzustérfogat x szívfrekvencia Pulzustérfogat = végdiasztolés térfogat végszisztolés térfogat 120 50 fizikai munka 70 í é x 75 í é 5.250 Naponta ~ 108.000 szívverés (75x60x24) ~ 7.560 L vér továbbítása (5,25x60x24) nyugalom Évente ~ 40 millió szívverés ~ 2,76 millió L (2.760m 3 ) vér továbbítása 6
A pulzustérfogat összetevői A pulzustérfogat összetevői Ejekciós frakció (EF) A pulzustérfogat és a végdiasztolés térfogat aránya 75 125 60% Kontraktilitás A szívizomsejtek által összehúzódáskor kifejtett erő Előterhelés (preload) Végdiasztolés nyomás vagy térfogat a kamrában Szívizom(sejt) összehúzódás előtti terhelése/megnyúlása Szívbe visszatérő vér hatását jelenti ( töltődési nyomás ) Növeli a sarcomer hosszát Meghatározói a vénás nyomás és a vénás visszaáramlás Frank-Starling törvény: a pulzustérfogat egyenesen arányos a végsystolés kamratérfogattal nagyobb előterhelés a szívizomsejtek nagyobb feszülését (nagyobb sarcomerhossz) okozza, ami fokozza a kontraktilitást Utóterhelés (afterload) A vér kilökéséhez szükséges feszülés a kamrafalban A kamra által a semilunaris billentyű megnyílásához kifejtendő nyomás Meghatározói a szisztémás ellenállás/aortanyomás és a pulmonáris nyomás A szívizom 1,6µm 1,0µm További hatás: az izomrost feszülése fokozza a troponin-c Caérzékenységét, ami növeli az aktin-miozin kereszthidak számát 7
A szív munkája Összefoglalás Térfogat-nyomás diagram A. Mitrális billentyűk záródnak B. Aortabillentyű nyílik C. Aortabillentyű záródik D. Mitrális billentyűk nyílnak p 100Hgmm 13,5kPa p 3Hgmm 0,5kPa statikus komponens kinetikus komponens A keringési rendszer felépítése A vérnyomás A perifériás ellenállás Nyomásesés Viszkozitás Érkeresztmetszet A szívciklus eseményei 13 10 70 10 +0,5 0,07 (0,5 ) 910mJ+9mJ jobb kamráé 160mJ összesen, teljesítmény: P 1,1J 0,8s, A perctérfogat és összetevői A szív munkája KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! 8
9