Лабораторна робота № 20
ФІЗИЧНІ ОСНОВИ КЛІНІЧНОГО МЕТОДУ ВИМІРЮВАННЯ ТИСКУ КРОВІ
Мета роботи. Ознайомитися з моделями системи кровообігу. Вивчити методику вимірювання артеріального тиску крові, конструкцію і принцип роботи електронного вимірювача тиску.
гемодинаміка # 45; область біомеханіки, що вивчає рух крові по судинній системі.
Фізична модель системи кровообігу
Серцево-судинна система в організмі людини і тварин представлена серцем, кровоносними судинами і лімфатичними судинами.
Фізичну модель серцево-судинної системи можна уявити у вигляді замкнутої, багаторазово розгалуженою і заповненою рідиною системи трубок з еластичними стінками. Рух рідини відбувається під дією ритмічно працює нагнетательного насоса # 45; серця. У найбільш простий гідродинамічної моделі кровоносної системи, запропонованої О.Франком, артеріальна частина моделюється у вигляді пружного резервуара (УР). Ця модель представлена на рис.1. Кров із серця надходить в УР (артерії) через отвір До 1. При стисненні пружного резервуара міститься в ньому обсяг крові проштовхується через отвір К2 в периферичну систему судин, викликаючи в них просування крові.
Периферична система (артеріоли, капіляри) представляє постійна і багаторазове розгалуження великого числа трубок, особливо в її середній частині, загальний просвіт яких має настільки велике перетин, що швидкість рідини тут знижується майже до нуля. Однак внутрішнє тертя в пристінкових шарах цих трубок настільки велике, що саме ця частина системи являє найбільший опір течією рідини і обумовлює максимальне падіння тиску.
Фізична модель серцево-судинної системи дозволяє встановити зв'язок між ударним об'ємом крові (об'єм крові, що викидається шлуночком серця за одну систолу), гідравлічним опором периферійної частини системи кровообігу і зміни тиску в артеріях.
Так як кров знаходиться в УР. то її обсяг V в будь-який момент часу залежить від тиску (р) наступним чином:
де k # 45; коефіцієнт пропорційності, залежить від еластичності пружного резервуара; # 45; обсяг резервуара при відсутності тиску (р = 0).
Продифференцировав за часом рівняння (1), отримаємо
Кількість крові, що протікає через поперечний переріз судини за одиницю часу, називається об'ємною швидкістю кровотоку. нехай Q # 45; об'ємна швидкість кровотоку, що надходить в УР. # 45; об'ємна швидкість кровотоку, що виходить з УР в периферичну систему. Якщо припустити, що гідравлічний опір периферичної системи постійно, тоді можемо записати:
Рівняння (3) вказує, що об'ємна швидкість кровотоку з серця в артерії дорівнює швидкості відтоку крові з УР і швидкості зростання обсягу УР.
Використовуючи рівняння Пуазейля для периферичної системи, можемо записати
гідравлічний опір периферичної системи;
# 104; # 45; в'язкість крові; # 45; довжина судин; R # 45; радіус судини; р # 45; тиск в пружному резервуарі; # 45; венозний тиск, який може бути прийнято рівним нулю.
Тиск р в пружному резервуарі УР за час серцевого скорочення змінюється від максимального до мінімального. Максимальний тиск називається сістоліческімрс. а мінімальне # 45; діастоліческімрд.
Експериментальна крива залежності тиску від часу в сонної артерії приведена на рис. 2. На малюнку показана тривалість систоли Тс і діастоли Тд. період пульсу Тп. діастолічний (мінімальний) тиск рд. систолічний (максимальне) тиск рс.
2. Пульсовахвиля
При скороченні серця (систоли) кров викидається з серця в аорту і відходять від неї артерії. Особливістю системи кровообігу є еластичність стінок судин. Якби стінки кровоносних судин були жорсткими, про тиск, що виникає в крові на виході з серця, зі швидкістю звуку передалося б до периферійних судинах. Еластичність стінок судин призводить до того, що під час систоли кров виштовхується серцем, розтягуючи аорту, тобто великі судини сприймають за час систоли більше крові, ніж її відтік до периферії. Систолічний тиск людини в нормі дорівнює приблизно 16 кПа (16 × 10 3 Па). Під час розслаблення серця (діастола) розтягнуті кровоносні судини скорочуються, і потенційна енергія цих судин переходить в кінетичну енергію крові, яка починає рухатися в судинах з деякою швидкістю. При цьому підтримується діастолічний тиск, приблизно рівне 11 кПа.
Хвиля підвищеного тиску, що розповсюджується по аорті та артеріях під час систоли, називається пульсової хвилею. Швидкість пульсової хвилі можна оцінити за формулою Моенса # 45; Кортевега:
де Е # 45; модуль пружності судин; # 114; # 45; щільність речовини судини; а # 45; товщина судини; R # 45; радіус судини.
Цікаво відзначити, що у людини з віком модуль пружності зростає, тому стає більше і швидкість пульсової хвилі.
Пульсовахвиля поширюється зі швидкістю 5 # 45; 10 м / с. тому за час систоли (Тс # 126; 0,3 с) вона повинна пройти відстань від серця до кінцівок. Це означає, що фронт пульсової хвилі досягає кінцівок раніше, ніж почнеться діастола. Пульсової хвилі відповідає пульсування швидкості кровотоку у великих артеріях, однак швидкість крові істотно менше швидкості поширення пульсової хвилі і, приблизно, дорівнює 0,3 # 45; 0,5 м / с. При цьому потік крові приймає безперервний характер.
При такому механізмі просування крові тільки частина енергії, що розвивається м'язом при скороченні, передається безпосередньо крові в аорті і переходить в її кінетичну енергію. Інша частина енергії переходить в потенційну енергію розтягування еластичних стінок великих судин і потім вже в міру повернення їх в початковий стан ця енергія передається крові в період діастоли. Цим і пояснюється безперервний характер течії крові.
На рис. 3 наведені графіки зміни тиску і швидкості руху крові в основних частинах судинної системи. Тиск (р) # 45; це надлишковий тиск над атмосферним.
Рух крові по судинах, особливо розподіл її між різними частинами кровоносної системи, залежить не тільки від роботи серця, але і від загального просвіту судин. В еластичних стінках посудини є гладкі м'язові волокна, від ступеня скорочення яких залежить просвіт судини. Має значення також загальна кількість циркулюючої крові і її в'язкість. Всі ці фактори знаходяться під регулюючим впливом центральної нервової системи. Таким чином, фізіологічні чинники, накладаючись на фізичні закономірності, регулюють кровообіг в різних ділянках.
3. Фізичні основи клінічного методу вимірювання тиску крові
Знання тиску крові грає важливу роль при діагностиці багатьох захворювань і контролі за ефективністю проведеного лікування. Систолічний та діастолічний тиск в артерії можна виміряти безпосередньо за допомогою голки, з'єднаної з манометром. Однак в медицині широко використовується безкорівний метод, запропонований Н.С.Коротковим. Він полягає в тому, що вимірюють тиск, який необхідно прикласти зовні, щоб стиснути артерію до припинення в ній струму крові. Це тиск дуже близько до тиску крові в артерії. Вимірювання зазвичай проводиться на плечовій артерії вище ліктьового згину (рис. 4).
Стиснення артерії здійснюється за допомогою манжети, яка представляє собою гумову камеру в чохлі з тонкого матеріалу. Манжету обгортають навколо руки між плечем і ліктем. Під час накачування повітря через шланг за допомогою гумової груші тиск в манжеті зростає. Величина тиску визначається по манометру, з'єднаному з манжетою. В процесі накачування повітря в манжету стежать за пульсом на променевій артерії за допомогою датчика (фонендоскоп або п'єзоелектричний перетворювач). Повітря накачують в манжету до тиску на 10 # 45; 20 мм рт.ст. вище того, при якому перестає прослуховуватися пульс на променевої артерії. Потім, повільно відкриваючи випускний клапан гумової груші, поступово знижують тиск в манжеті, прислухаючись до звуків в фонендоскоп (або динаміці). Співвідношення між зміною тиску (р) в манжеті і "тонами Короткова" показано схематично на рис. 5. Поки артерія стиснута повністю, ніякі звуки непрослуховуються. При зниженні в манжеті тиску починають прослуховуватися чіткі тони (ділянка а на рис. 5). Ці тони обумовлені вібрацією стінок артерії безпосередньо за манжетою під дією потужних поштовхів крові, які проходять крізь стислий манжетою ділянку судини тільки в моменти систоли серця. Показання манометра, відповідне моменту появи тонів, визначає систолічний тиск.
При подальшому зниженні тиску в манжеті тони доповнюються шумами (ділянка б на рис. 5). Ці шуми обуслов- лени турбулентним плином крові через частково стислий манжетою ділянку артерії. Потім шуми зменшуються і в фонендоскоп знову прослуховуються чисті тони (ділянка в на рис. 5). Ці тони швидко згасають, в артерії встановлюється ламінарний плин крові. Показання манометра в момент різкого ослаблення тонів відповідає діастолічному тиску.
Для здорового нормального людини рс = 10 # 45; 120 мм рт.ст. рд = 70 # 45; 80 мм рт.ст.
4. Конструкція і принцип роботи вимірювача артеріального тиску (ІАД-1)
При використанні ИАД-1 немає необхідності застосовувати фонендоскоп. Високочутливий пьезодатчик, вбудований в манжету, дозволяє проводити вимірювання тиску крові через сорочку або іншу легкий одяг.
Зовнішній вигляд вимірювача зображений на рис. 6. У нього входять наступні елементи:
1 # 45; вимірювальний блок; 2 # 45; манометр, 3 # 45; світловий індикатор розряду батарей, об'єднаний з індикатором реєстрації тонів Короткова; 4 # 45; динамік; 5 # 45; манжета; 6 # 45; мітка розташування датчика; 7 # 45; гумова трубка; 8 # 45; клапан нагнітача; 9 # 45; нагнітач (гумова груша).
Зверніть увагу, що на місці розташування пьезодатчика на манжету нанесена спеціальна мітка. Чутливий елемент датчика (пілот) повинен бути звернений до поверхні манжети, яка прикладається до руки.
# 9; Принцип роботи вимірювача полягає у виділенні і перетворенні тонів Короткова в звукову та світлову індикацію з одночасним візуальним спостереженням за величиною тиску по стрілочному манометру. Початок спрацьовування індикації відповідає систолі тиску, закінчення спрацьовування індикації # 45; диастолическому тиску.
Вимірювач ИАД-1 включається автоматично при створенні в системі надлишкового тиску повітря. Вимикається вимірювач також автоматично після виходу повітря з системи.
5. Порядок вимірювання тиску крові
1. Розгорніть манжету, перевірте правильність установки датчика.
2. Щільно з'єднайте конусний штуцер гумової трубки з гніздом "повітря", а штекер датчика # 45; з гніздом "ДТК" вимірювального блоку.
3. Переважно тиск вимірювати на лівій руці. Перш ніж надіти манжету, визначте місце найбільшої пульсації плечової артерії. Найчастіше це місце розташоване на 3 - 5 см вище ліктьового згину, на поверхні передпліччя, зверненої до тулуба. Місце, де пульс прослуховується найбільш сильно, є оптимальним для розташування датчика.
4. Одягаючи манжету, намагайтеся розташувати датчик в тому місці, яке ви вважаєте найбільш оптимальним. При цьому орієнтуйтеся по мітці, якій зазначено місце розташування датчика в манжеті.
5. Покладіть руку пацієнта на стіл, загорніть вентиль на клапані, створіть тиск в манжеті на 10 - 20 мм рт.ст. вище наявного систолічного тиску.
6. Плавно відкрийте вентиль клапана, встановіть швидкість зниження тиску в межах 3 - 8 мм рт.ст. в секунду і стежте за показаннями манометра і світлового індикатора.
7. Запишіть показання манометра при першому (рс) і останньому (рд) звуковому і світловому сигналах, які повинні бути періодичними і відповідати ритму серцевої діяльності.
Порядок виконання роботи.
Вправа 1. Перевірте працездатність вимірювача. Для цього поверніть манжету в рулон і зафіксуйте її затягуванням. Загорніть вентиль клапана і створіть тиск в манжеті 90 - 100 мм рт.ст. контролюючи його по манометру. Тиск, що показується манометром, не повинно змінюватися більш ніж на 2 мм рт.ст. за секунду. Перевірте функціонування приладу легкими ударами пальця по згорнутої манжеті, при цьому світловий індикатор і звукова сигналізація спрацьовує в момент удару по манжеті.
Вправа 2. Виміряйте артеріальний тиск на лівій руці пацієнта за методикою, описаною в п. 5. Запишіть результати вимірювання систолічного і діастолічного тиску і порівняйте їх з нормальними значеннями.
Вправа 3. Виміряйте артеріальний тиск на правій руці пацієнта, запишіть результати вимірювань. Порівняйте ці значення з результатами вправи 2, поясніть можливі розбіжності в результатах вимірювань.
Питання для самоконтролю
- Поясніть, чому в методі Короткова тиск повітря в манжеті можна вважати рівним тиску крові в артерії.
- Поясніть, чому метод Короткова непридатний для вимірювання тиску води у водопроводі?
- Поясніть з фізичної точки зору безперервність кровотоку в кровоносній системі.
- Поясніть (по рис. 3) залежність тиску в кровоносних судинах від їх діаметрів і віддаленості від серця.
- Поясніть (по рис.4) хід виконання вимірювання тиску крові в артерії методом Короткова.
- Поясніть, чому тиск крові в артерії лівої руки більше, ніж у правій.
- Чи існують інші методи (крім методу Короткова) вимірювання тиску крові?
- В яких одиницях вимірюється тиск в системі СІ? В яких одиницях прийнято вимірювати тиск крові? Яка взаємозв'язок між цими одиницями тиску?
- Як пояснити, що атмосферний тиск у кілька разів перевершує тиск крові в кровоносних судинах? Якщо це дійсно так, то атмосферний тиск повинен розчавити людину, але цього чомусь не відбувається. Спробуйте пояснити цей парадокс.