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 taintható (ulzus) és mérhető Legnagyobb érték: szisztolés vérnyomás Legkisebb érték: diasztolés vérnyomás A vér kinetikai energiája részben az érfal otenciális (elasztikus) energiájává alakul é á ö é á = + 1 3 ( ) Vérnyomás Szisztolés (Hgmm) Diasztolés (Hgmm) Bal kamra 120 0 Aorta 120 75 Venae cavae ~ 0 ~ 0 Jobb itvar 4,5-4,5 Jobb kamra 35 0 Tüdőartéria 35 7-9 Tüdővéna 7 7 Bal itvar 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 1
Perifériás keringés Perifériás keringés feladata: egyenletes, egyirányú és lamináris (viszonylag lassú) áramlás fenntartása Leírható a hidrodinamikai törvények alaján 1. Kontinuitási egyenlet = = = = Ezt módosítja: erek rugalmassága szív szakaszos működése vértérfogat változása (nyirokkéződés) = Σ =állandó Σ á 750 Perifériás ellenállás 2. Hagen-Poiseuille törvény =( =) 8 Kirchoff törvények: nyomásgrádiens = ellenállás soros kacsolás verőtérfogat ő = + + + Az ellenállás az egyes érszakaszokon eltérő, és függ a áramlási viszonyoktól vér viszkozitásától erek keresztmetszetétől Disztributív erek nagy nyomás aorta, artériák Rezisztenciaerek nagy ellenállás arteriolák Diffuzív erek kis sebesség, filtráció kaillárisok Kaacitív erek alacsony nyomás vénák, nyirokerek árhuzamos kacsolás 1 ő = 1 + 1 + + 1 Sok kis árhuzamos alvérkör Kisebb eredő ellenállás Az áramlás helyi, független szabályozása Jobb oxigénellátás Sorba kacsolt kaillárisok csak seciális helyeken (l. két vérkör is!) Aneurizma Viszkozitás ozitív 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 1 nő csökken nő Függ a 1. hematokritértéktől (l. leukémia) A 2 v 2 2 2. lazmafehérjék koncentrációjától (l. globulinémia) kontinuitási egyenlet Bernoulli törvénye 3. sejtes elemek (vvt) deformálhatóságától hasonló méretű szilárd részecskék szuszenziója téglakemény, a 95% vvt-szuszenzió viszkozitása csak ~20 mpa s 2
Érkeresztmetszet 4. vvt aggregációs kéességétől (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 lazmalefölözés Az áramlás általában a kritikus sebesség alatti, lamináris Egyes helyeken (billentyűk, érszűkület) felgyorsulhat, ami turbulenciát okoz Ez különféle zörejekként (szívhangok, Korotkov-hang) érzékelhető fizikai munka Kamrasystole 0,3s Isovolumetrikus kontrakció Ejekció Kamradiastole 0,5s Isovolumetrikus relaxáció Gyors kamratelődés Diastasis Pitvari systole nyugalom Pitvarsystole 0,1s Pitvardiastole 0,7s Ingerkézés htt://library.med.utah.edu/kw/harm/hyer_heart1.html 3
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) 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 itvari 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) 4. Gyors kamratelődés Az előző három szakaszban a itvarok diastoléba kerültek, és megteltek, bennük a nyomás megnőtt Kamrai nyomás a itvari nyomás alá esik, az AV billentyűk megnyílnak Kamratérfogat gyorsan növekszik, a vér ide áramlik a itvarokból A tágulás miatt a vérnyomás a kamrában a minimumon van Harmadik szívhang (általában kóros állaotokban, a túl gyors asszív kamratelődés miatt l. DCHF, MI, magas vérnyomás, billentyűzavar) 5. Diastasis Lassuló kamratelődés 6. Pitvari systole A itvar izomzata összehúzódik, benne megnő a vérnyomás Az eddigi asszív 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 itvari vérnyomás EKG: a sinuscsomóban ingerület kéződik, amely ráterjed a itvarokra (Phullám), majd a itvar-kamrai csomóhoz halad (PQ-szakasz) Negyedik szívhang (általában kóros állaotokban, ha a itvari ürülés a kontrakció után ér véget l. HCHF, tüdőembolia, billentyűzavar) Pumaműködés Perctérfogat = ulzustérfogat x szívfrekvencia Pulzustérfogat = végdiasztolés térfogat végszisztolés térfogat 120 50 70 í é x 75 í é 5.250 Naonta Évente ~ 108.000 szívverés (75x60x24) ~ 7.560 L vér továbbítása (5,25x60x24) ~ 40 millió szívverés ~ 2,76 millió L (2.760m 3 ) vér továbbítása 4
2015.11.12. A ulzustérfogat összetevői Ejekciós frakció (EF) A ulzustérfogat és a végdiasztolés térfogat aránya 70 60% 120 Kontraktilitás A szívizomsejtek által összehúzódáskor kifejtett erő Frank-Starling törvény: a ulzustérfogat egyenesen arányos a végdiastolés kamratérfogattal nagyobb előterhelés a szívizomsejtek nagyobb feszülését (nagyobb sarcomerhossz) okozza, ami fokozza a kontraktilitást Előterhelés (reload) e A ulzustérfogat összetevői 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 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 ulmonáris nyomás A szívizom 1,6µm 1,0µm További hatás: az izomrost feszülése fokozza a troonin-c Caérzékenységét, ami növeli az aktin-miozin kereszthidak számát A szív munkája Térfogat-nyomás diagram A. B. C. D. Mitrális billentyűk záródnak Aortabillentyű nyílik Aortabillentyű záródik Mitrális billentyűk nyílnak h 100Hgmm 13,5kPa h 3Hgmm 0,5kPa statikus komonens t u ^ kinetikus komonens v wh] ] x 13 105 : 70 10yz x + 0,5 0,07 (0,5 8 ) 910mJ + 9mJ ]cv} jobb kamráé 160mJ összesen ^, ^} teljesítmény: P 1,1J ^, 0,8s 5
Összefoglalás KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! A keringési rendszer feléítése A vérnyomás A erifériás keringés Áramlási viszonyok Viszkozitás Érkeresztmetszet A szívciklus eseményei A erctérfogat és összetevői, Frank-Starling törvény A szív munkája 6