A vérkeringés és szívm ködés biofizikája

Hasonló dokumentumok
A vérkeringés és szívműködés biofizikája

Folyadékáramlás vérkeringés

Folyadékáramlás vérkeringés

Folyadékáramlás vérkeringés

Vérkeringés. A szív munkája

A vérkeringés biofizikája

Mechanika IV.: Hidrosztatika és hidrodinamika. Vizsgatétel. Folyadékok fizikája. Folyadékok alaptulajdonságai

Vérkeringés. A szív munkája

Folyadékáramlás. Orvosi biofizika (szerk. Damjanovich Sándor, Fidy Judit, Szöllősi János) Medicina Könyvkiadó, Budapest, 2006

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

Transzportfolyamatok. összefoglalás, általánosítás Onsager egyenlet I V J V. (m/s) áramvonal. turbulens áramlás = kaotikusan gomolygó áramlás

Keringési Rendszer. Vérkeringés. A szív munkája. Számok a szívről. A szívizom. Kis- és nagyvérkör. Nyomás terület sebesség

Hidrosztatika, Hidrodinamika

Reológia Mérési technikák

Keringési rendszer. Fizikai paraméterek alakulása az nbözı szakaszain. Az érrendszer. sejtek össztérfogat. hct=

A szív élettana. Aszív élettana I. A szív pumpafunkciója A szívciklus A szívizom sajátosságai A szív elektrofiziológiája Az EKG

Folyadékáramlás, szív munkája

Kollár Veronika A biofizika fizikai alapjai

Hemodinamikai alapok

A kardiovaszkuláris rendszer élettana

szerkezete III. Huber Tamás

Hidraulika. 1.előadás A hidraulika alapjai. Szilágyi Attila, NYE, 2018.

A kardiovaszkuláris rendszer élettana

Dinamika. p = mυ = F t vagy. = t

1. Egyetemes gáztörvény 2. Dalton-törvény 3. Henry-törvény 4. Young Laplace egyenlet:

Folyadékáramlás, szív munkája

Szent István Egyetem FIZIKA. Folyadékok fizikája (Hidrodinamika) Dr. Seres István

Folyadékok és gázok áramlása

Szívmőködés. Dr. Cseri Julianna

A kardiovaszkuláris rendszer élettana IV.

Folyadékok és gázok áramlása

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Funkcionális megfontolások. A keringési sebesség változása az érrendszerben. A vér megoszlása (nyugalomban) A perctérfogat megoszlása nyugalomban

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Keringés. Kaposvári Péter

PTE ETK 2011/2012. tanév II. szemeszter Élettan tantárgy NORMÁLÉRTÉKEK ÉS EGYÉB FONTOSABB SZÁMADATOK (II.) Kapillárisok 5 % Vénák, jobb pitvar 55 %

Folyadékáramlás. Folyadékok alaptulajdonságai

A keringési szervrendszer feladata az, hogy a sejtekhez eljuttassa az oxigént és a különböző molekulákat, valamint hogy a sejtektől összeszedje a

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

Vénás véráramlás tulajdonságai, modellezése. 1111, Budapest, Műegyetem rkp. 3. D ép. 3. em Tel: Fax:

Szilárd testek rugalmas alakváltozásai Nyú y j ú tás y j Hooke törvény, Hooke törvén E E o Y un un modulus a f eszültség ffeszültség

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok.

DR. DEMÉNY ANDRÁS-I)R. EROSTYÁK JÁNOS- DR. SZABÓ GÁBOR-DR. TRÓCSÁNYI ZOLTÁN FIZIKA I. Klasszikus mechanika NEMZETI TANKÖNYVKIADÓ, BUDAPEST

Energia források a vázizomban

FIZIKA. Folyadékok fizikája (Hidrodinamika) Dr. Seres István

Orvosi Fizika 10. Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Folyadékok és gázok mechanikája

A harántcsíkolt izom struktúrája általános felépítés

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Molekulák, folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok

F. F, <I> F,, F, <I> F,, F, <J> F F, <I> F,,

1.1 Hasonlítsa össze a valós ill. ideális folyadékokat legfontosabb sajátosságaik alapján!

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Reológia, a koherens rendszerek tulajdonságai

Szent István Egyetem FIZI IKA Folyadékok fizikája (Hidrodinamika) Dr. Seres István

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2.

1. előadás. Gáztörvények. Fizika Biofizika I. 2015/2016. Kapcsolódó irodalom:

Elméleti kérdések 11. osztály érettségire el ı készít ı csoport

Biofizika I

Nyújtás. Ismétlés. Hooke-törvény. Harántösszehúzódás: nyújtásnál/összenyomásnál a térfogat növekszik/csökken

Folyadékok és gázok mechanikája

Transzportfolyamatok

3. A Keringés Szervrendszere

HIDROSZTATIKA, HIDRODINAMIKA

Az úszás biomechanikája

Az emlıs keringési rendszer felépítése

Termodinamika (Hőtan)

Mechanika, dinamika. p = m = F t vagy. m t

TÁMOP F-14/1/KONV Élelmiszeripari műveletek gyakorlati alkalmazásai

Értékelési útmutató az emelt szint írásbeli feladatsorhoz

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Hidrosztatika, Hidrodinamika

Folyadékáramlás, vérkeringés, szív munkája

Transzportjelenségek

Biomolekulák nanomechanikája A biomolekuláris rugalmasság alapjai

5. gy. VIZES OLDATOK VISZKOZITÁSÁNAK MÉRÉSE OSTWALD-FENSKE-FÉLE VISZKOZIMÉTERREL

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

POLIMERTECHNIKA Laboratóriumi gyakorlat

Szívultrahang vizsgálatok gyermekkorban. Dr. Tölgyesi Andrea I. sz. Gyermekklinika Semmelweis Egyetem, Bp.

3. Gyakorlat Áramlástani feladatok és megoldásuk

JAVÍTÁSI ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

Citoszkeleton. Sejtek rugalmassága. Polimer mechanika: Hooke-rugalmasság. A citoszkeleton filamentumai. Fogászati anyagtan fizikai alapjai 12.

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok.

BIOFIZIKA I OZMÓZIS Bugyi Beáta (PTE ÁOK Biofizikai Intézet) OZMÓZIS

ramlás. Az áramlások fajtái Bernoulli törvt I = t Bernoulli egyenlet általános alakja: Áramlás ferde csıben Bernoulli törvénye:

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

KERINGÉS, LÉGZÉS. Fejesné Bakos Mónika egyetemi tanársegéd

Biofizika I

Polimerek reológiája

Kollár Veronika

Polimerek reológiája

Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetése az Európai Unió új társadalmi kihívásainak a Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen

Hogyan működünk? I. dr. Sótonyi Péter. Magyar Máltai Szeretetszolgálat Mentőszolgálat Mentőápoló Tanfolyam 7. előadás november 30.

A PITVARI ÉS KAMRAI TERHELTSÉG EKG JELEI. Dr. Szabados Eszter

ÁRAMLÁSTAN MFKGT600443

Orvosi élettan. Bevezetés és szabályozáselmélet Tanulási támpontok: 1.

Kémiai reakciók sebessége

FOLYADÉK BELSŐ SÚRLÓDÁSÁNAK MÉRÉSE

Átírás:

A vérkeringés és szívmködés biofizikája Kellermayer Miklós Folyadékok fizikájának jelentsége I. Hemodinamika Milyenek a véráramlási viszonyok az érrendszerben? Folyadékok fizikájának jelentsége A FOLYADÉKÁRAMLÁS BIOFIZIKÁJA II. Folyadékban történ mozgások Mekkora ert kell legyznie egyetlen spermatocitának mozgása során? Alapfogalmak Folyadékok fajtái Áramlások fajtái Törvények, összefüggések Orvosi, biológiai jelentség

Alapfogalmak I. Alapfogalmak II. Viszkozitás (bels súrlódás) Térfogati áramersség (Q): V A y A v F y A v F Átlagsebesség: Q = V t = A s t = Av v = Q A s F=nyíróer A=folyadéklemez területe =viszkozitás v=áramlási sebesség y=folyadéklemezek közötti távolság F/A=nyírófeszültség ( ) v/y=sebesség grádiens (D) F v = A y = D A viszkozitás mértékegységei: 1Pas = 1 Ns = 10P( poise) 2 m Folyadékok fajtái I. Folyadékok fajtái II. Sebességgrádiens és nyírófeszültség összefüggése reális folyadékokban 1. Ideális súrlódásmentes, nem összenyomható =konstans, =0 D St.Venant Newton Bingham Casson 2. Nem ideális (reális) a. Newtoni (viszkózus) független a nyírófeszültségtl f b. Nem-newtoni (anomális) a nyírófeszültséggel változik f =folyási határ (küszöbfeszültség) Viszkoelasztikus anyagok: elasztikus test + viszkózus folyadék (pl. polimer-, makromolekula-oldatok) Stressz-relaxáció: feszültség lecsengése id függvényében hirtelen megnyújtott viszkoelasztikus testben. NB: A vér nem-newtoni folyadék!

Áramlások fajtái Törvényszerségek ideális folyadékokban I. 1. Stacionárius Cskeresztmetszeten idegység alatt átáramló folyadékmennyiség konstans Kontinuitási egyenlet 2. Lamináris Folyadékrétegek nem keverednek 3. Turbulens Folyadékrétegek keverednek Reynolds szám: 100 R = vr stacionárius lamináris turbulens 1000 v=folyadékáramlási sebesség (m/s) r=cs sugara (m) =folyadék srsége (kg/m 3 ) =viszkozitás (Ns/m 2 ) R A 1 v 1 A 2 v 2 A 1 v 1 = A 2 v 2 = konst A=keresztmetszet v=áramlási sebesség Törvényszerségek ideális folyadékokban II. Törvényszerségek viszkózus folyadékokban I. Bernoulli törvény p + 1 2 v2 + gh = konst 1 2 v2 gh p=sztatikus nyomás =dinamikus nyomás =hidrosztatikai nyomás Stokes törvény F = v = 6rv p 1 p 2 v v 1 2 F= er = közegellenállási (súrlódási) együttható, alaki faktor v= folyadékáramlási sebesség r= gömb sugara = viszkozitás

Törvényszerségek viszkózus folyadékokban II. Orvosi, biológiai jelentség Hagen-Poiseuille törvény Bernoulli törvény: Hagen-Poiseuille törvény: p 1 l V=térfogat t=id (V/t=Q = térfogati áramersség) r=cs sugara =viszkozitás p=nyomás l=cs hossza (dp/dl=nyomásgrádiens, fenntartója p 1 -p 2 ) r p 2 V t = r 4 dp 8 dl Elágazódó érszakasz aneurysma, értágulat: áramlás csökken (kontinuitási egyenlet alapján) nyomás n tágulat fokozódik V t = r 4 dp 8 dl Átáramló vérmennyiség drasztikusan csökken pathologiás állapotokban: érszkület (pl. diabetes, Bürger-kór) vérviszkozitás-változás (pl. láz, anaemia) A VÉRKERINGÉS BIOFIZIKÁJA 1. Vér mint folyadék 2. A vérviszkozitás meghatározói 3. Az érrendszer 4. Erek mint rugalmas falú csövek 5. A vérkeringés segéderi A VÉR MINT FOLYADÉK Testtömeg 55-60%-a víz 42 kg (70 kg testsúly) 2/3 1/3 extracelluláris intracelluláris 14 kg 28 kg 1/3 vérplazma 4-5 kg Vér 2/3 intersticium 9-10 kg Átlagos térfogat: 5 l Átlagos viszkozitás: 5 mpas Átlagos srség: 1.05 g/cm 3 Összetétel: 40-45 % alakos elem, 55-60 % plazma

A VÉRVISZKOZITÁS MEGHATÁROZÓI I. A VÉRVISZKOZITÁS MEGHATÁROZÓI II. 1. Hematokrit (htc, ): Normálérték: 0.4-0.5. htc = sejtek össztérfogat 2. Plazmaviszkozitás Elssorban a plazmafehérjéktl függ. Paraproteinaemiákban (Myeloma multiplex v. plasmocytoma) az immunglobulinok mennyisége kórosan fokozódott, mely viszkozitásnövekedéshez vezet. A vér mint szuszpenzió viszkozitása (az élettanilag releváns htc tartományban): s =szuszpenzió viszkozitása A, B=tapasztalati állandók lg s = A + B 3. Vörösvértestek deformálhatósága Vvt-méret szilárd részecskék 65%-os szuszpenziója téglakemény. 95%-os vvt-szuszpenzió viszkozitása csupán 20 mpas! Deformáció: csepp, ejterny, nyílhegy alakú sejtek. A VÉRVISZKOZITÁS MEGHATÁROZÓI III. A VÉRVISZKOZITÁS MEGHATÁROZÓI IV. 4. Vörösvértestek aggregációs készsége Pénztekercsképzdés (Rouleaux). Alacsony áramlási sebességnél fokozott hajlam. (mpas) 5 5. Áramlási sebesség, sebességgrádiens Pénztekercs 0 0 0.05 V (m/s)

A vérviszkozitás meghatározói V. AZ ÉRRENDSZER 6. Érátmér (mpas) 5 2 0 0 500 50 N.B.: -Érátmér csökkenésével a vér anomális (nem-newtoni) viselkedése kerül eltérbe. Érátmér (μm) -Axiális migráció: a vvt-k az ér tengelyébe, sejtoszlopba állnak be: tengely közelében csökken, az érfal közelében n a sebességgrádiens (csökken a látszólagos viszkozitás, Fåhraeus-Lindquist effektus). 5 A. Feladata: Sejtek környezeti állandóságának biztosítása Transzport: Gázok Metabolitok Hormonok, jelátviv anyagok Immunglobulinok H B. Áramlástani igények: Lassú Egyenletes Egyirányú C. Az érrendszer zárt, önmagába visszatér csrendszer Az érrendszer zárt, önmagába visszatér csrendszer Folyadékáramlás csrendszerben Kontinuitási egyenlet - emlékeztet A 1 v 1 = A 2 v 2 = konst A 1 v 1 A 2 v 2 A=keresztmetszet v=áramlási sebesség A 2 v 2 A 1 v 1 A 3 v 3 A 1 v 1 = A () v átlag = konst A =összkeresztmetszet

Az érrendszer felépítése és fizikai paraméterei Az erek rugalmas falú csövek Nyomás Áramlási átlagsebesség 100 Hgmm 0.33 m/s 2500 cm 2 0.22 m/s Nem-lineáris elaszticitás Megnyúlás nem arányos a feszüléssel. Feszülés 8 cm 2 Összkeresztmetszet 2.5 cm 2 0.0003 m/s Aorta Artériák Arteriolák Kapillárisok Vénák Nyomás: áramlást fenntartó nyomás, "vérnyomás". Nyomáscsökkenés oka: energia zöme hvé alakul. Sebesség és összkeresztmetszet fordított arányban változik, a kontinuitási egyenlet alapján (Av=állandó). Sebesség általában nem haladja meg a kritikus sebességet (l. Reynolds szám), és az áramlás lamináris marad. (De: aortabillenty mögötti szakasz, érszkületek, viszkozitáscsökkenéssel járó állapotok, Korotkov hang). Arteriolák: (vegetatív beidegzés alatt álló, simaizommal ellátott erek) mint vérnyomásszabályzók: "rezisztencia erek". Vértérfogat jelents része a vénás rendszerben: "kapacitás erek". Térfogat Érfali rugalmasság meghatározói: Elasztikus rostok Kollagén Simaizom Érfali rugalmasság hatása: Potenciális (elasztikus) energia tárolódás Pulzáló nyomás elsimul Állandó áramlási sebesség Az áramersség és nyomás összefüggése A vérkeringés segéderi Áramersség (I) 1. Artériafalak rugalmassága (elasztikus rostok->potenciális, elasztikus energiatárolás) P c Nyomás (P) 2. Vénabillentyk (Harvey-féle kísérlet). On the Circulation of the Blood (1628). 3. Izommunka 4. Negatív mellri nyomás N.B.: -A görbék nem 0-nál metszik a Nyomás tengelyt: kritikus záródási nyomás (P c ). 5. Atrioventricularis sík fel-le mozgása (kamrasystoléval szinkron átmeneti negatív nyomás a jobb pitvarban) Harvey-féle kísérlet

Szív: A keringési rendszer pumpája A szívmködés biofizikája Összehúzódások száma Továbbított vértérfogat 1 perc ~70 ~6 l 1 nap ~100.000 ~8600 l Élet (70 év) ~2.5 x 10 9 ~220 x 10 6 l Szívmködés biofizikája A szív vázlatos felépítése Aorta A. pulmonalis 1. A szív vázlatos felépítése 2. Koordinált összehúzódás 3. A szívciklus 4. A szív munkája Jobb pitvar Aorta billenty Bulbus aortae Tricuspidalis billenty Jobb kamra Bal pitvar Mitralis (bicuspidalis) billenty Bal kamra Septum

A szívizom funkcionális szerkezete Koordinált mechanikai mködés aktiválása Sinus csomó EKG AV csomó (Tawara-Aschoff) mv R mm myocyta His-köteg 10 mm (1 mv) T P 3.5 mm Szerkezeti és mködési egység: szarkomer Tawara-szárak Purkinjerostok 0,08 s Q S 0,15 s 0,08 s ST t (s) Z-csík Titin (rugó funkció) Vékony filamentum (aktin) M-csík Vastag filamentum (miozin) Z-csík A szívciklus A szív kontrakciós (systole) relaxációs (diastole) ciklusa A szívciklus eseményei 1-2: pre-ejekciós periódus (PEP) 2-3: ejekciós periódus (EP) 3-4: izovolumetriás relaxáció (IVR) 4-1: kamrateldés (KT) Aorta Nyomás systole diastole pitvar 0,1 s 0,7 s kamra 0,3 s 0,5 s Térfogati áramersség Bal kamra 1-3: kamra systole 3-1: kamra diastole Bulbus aortae Nyomás A. pulmonalis Jobb kamra Pulzusszám (1/perc) Semilunaris billenty Atrioventricularis billenty Id

A bal kamra nyomás-térfogat diagramja M m =Izovolumetriás nyomásmaximum A szív munkája (bal kamra munkája) P (kpa) 16 M b =Izobar térfogatminimum R=Relaxált kamra Indikátordiagram: egyszersített nyomástérfogat összefüggés 10,6 IVR EP L PEP EP 0 50 KT 130 V (ml) IVR PEP KT L = pv + 1 2 mv2 pv=térfogati munka (statikus komponens) 1/2mv 2 =sebességi munka (dinamikus komponens) p=nyomás V=vertérfogat (pulzustérfogat) Residuális volumen Vertérfogat 13,310 3 N /m 2 0,08 10 3 m 3 + 1 0,08kg 1m /s 2 ( )2 =1,06Nm + 0,04Nm =1,1J Spermatocita motilitás Mekkora ert kell legyznie egyetlen spermatocitának mozgása során? Stokes törvény: F = v = 6rv r = 1.6 μm = 1.6 x 10-6 m v= 50 μm/s = 5 x 10-5 m/s = 10-3 Pas = 6r = 6 1.6 10 6 10 3 = 310 8 Ns/m F = v = 3 10 8 Ns/ m 5 10 5 m /s =1.5 10 12 N =1.5 pn

Kapilláris keringés, folyadékcsere Pulzustérfogat meghatározása Fick-elv 1. Kapillárisok: Hossz: 400-700 μm Átmér: 0.5 μm 2. Nyitott állapot funkciófügg Nyitott kapillárisok száma izomban Nyugalomban 5/mm 2 Aktivitás során 200/mm 2 3. Kapilláris folyadékcsere plazma és intersticium közötti folyadékvándorlás hajtóer: vérnyomás és kolloid ozmotikus nyomás közötti különbség Kolloid ozmotikus (onkotikus) nyomás: kolloidális fehérjék által létrehozott ozmotikus nyomás (2.6 kpa) Arteriolák Kapillárisok Venulák Vérnyomás 4.0 kpa 2.6 kpa 1.3 kpa Kolloid ozmotikus nyomás 2.6 kpa 2.6 kpa 2.6 kpa a. Egy légvétel alatt a tüdn át bejuttatott O 2 mennyisége egyenl az ugyanennyi id alatt a tüdn átáramló vér O 2 -dúsításra használt O 2 mennyiségével. b. Belégzett levegben 21% O 2. Kilégzett levegben 16% O 2. Különbség 5%. c. Mivel egy légvétel térfogata (átl.) 500 ml, 25 ml abszorbeálódott az átáramló vérben. d. Artériás vér O 2 tartalma 20%, a vénásé 12%, a különbség 8%. Azaz, az egy légvétel alatt a tüdn átáramló vértérfogat (x) 8%-a 25 ml, azaz x=312 ml. e. Mivel egy légvételre átl. 4 szívciklus esik, a pulzustérfogat ~80 ml. A pulzustérfogat szabályozása Frank-Starling mechanizmus Szív munkája megntt nyomás ellen Kompenzáló vertérfogatnövekedés