Гемодинамика и работа сердца

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ ВПО

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РЕФЕРАТ

Физика и биофизика

Тема: Гемодинамика и работа сердца

Выполнили: Боронова Екатерина Владимировна

Барнаул 2011

Введение

Цель: Изучить законы гемодинамики, научиться рассчитывать работу и мощность сердца..

Сердце - главный орган системы кровообращения. Ныне это столь очевидно, споры прежних веков о его предназначении кажутся нелепыми. В Древнем Китае верили, что сердце участвует в пищеварении, в Египте были убеждены, что оно причастно к образованию мочи, а также грудного молока, семенной жидкости и слёз. Древние египтяне, индийцы, греки и арабы полагали, что сердце - вместилище души. Мысль, что сердце - сложно устроенная мышца, привилась далеко не сразу. Гален думал, что оно не более чем кузнечный мех, а кровь гонит по сосудам внутренний «жар». Английский философ 17 в. Томас Гоббс был не ближе к истине, считая, что сердце - пружина.

Что же известно о сердце сегодня? Наш «пламенный мотор» развивается из простой трубочки с толстой мышечной стенкой, которая начинает сокращаться в теле человеческого зародыша на пятой неделе внутриутробной жизни. К моменту рождения ребёнка это уже полноценный полый мышечный орган, принимающий кровь из вливающихся в него венозных стволов и прогоняющий её в артериальную систему.

Предназначение сердца - обеспечивать безостановочное движение крови по сосудам.

1. Сердце

1.1 Строение сердца

Сердце - центральный орган кровеносной системы животных и человека, нагнетающий кровь в артериальную систему и обеспечивающий движение её по сосудам.

Стенка сердце состоит из 3 оболочек: внутренней - эндокарда, средней - миокарда и наружной - эпикарда. Эндокард выстилает полости сердце, построен из соединительной ткани, содержащей коллагеновые, эластичные и гладкомышечные волокна, сосуды и нервы. На свободной поверхности эндокард покрыт эндотелием. Клапаны сердца представляют складки эндокарда. Миокард - наиболее толстая оболочка, подразделяется на 2-3 слоя. В предсердиях достигает толщины 2-3 мм, в правом желудочке - 5-8 мм, в левом - 10-15 мм. Разница в толщине связана с различной функциональной нагрузкой. Миокард состоит из поперечно-полосатых мышечных клеток - миоцитов. Длина их колеблется от 50 до 120 мкм, ширина равна 15-20 мкм. В центральной части миоцита расположены 1-2 ядра. Сократительный элементы - миофибриллы занимают периферическую часть саркоплазмы. Способность сердца к непрерывной работе связана с содержащимися в миоцитах митохондриями - носителями ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных процессах, обеспечивающих клетки энергией. Между смежными миоцитами находятся вставочные диски, с помощью которых миоциты объединяются в мышечные волокна. Через вставочные диски проводится возбуждение с одной клетки на другую. Мышечные волокна как предсердий, так и желудочков начинаются от фиброзных колец сердца, окружающих предсердно-желудочковые отверстия. Мускулатура предсердий, обособленная от мускулатуры желудочков, состоит из 2 слоев: наружного циркулярного и глубокого продольного, волокна которого петлеобразно охватывают устья полых вен, впадающих в предсердия. Мускулатура желудочков имеет 3 слоя: наружный и внутренний - продольные, между ними поперечный - циркулярный. Перегородка между желудочками построена главным образом из мышечной ткани и выстилающих её листков эндокарда, за исключением самого верхнего участка, где желудочки отделены друг от друга лишь двумя листками эндокарда с прослойкой фиброзной ткани между ними.

В сердце содержатся образования из атипической мышечной ткани, клетки которой бедны миофибриллами и богаты саркоплазмой. Эта ткань образует т. н. проводящую систему сердца, состоящую из синусно-предсердного узла, расположенного в стенке правого предсердия между верхней полой веной и правым ушком; предсердно-желудочкового узла, находящегося в стенке между предсердиями над правым предсердно-желудочковым клапаном; предсердно-желудочкового пучка Гиса, идущего от предсердно-желудочкового узла в межжелудочковой перегородке. Пучок Гиса делится на правую и левую ножки, разветвляющиеся в миокарде желудочков в виде волокон Пуркине.

Клетки проводящей системы генерируют ритмические импульсы возбуждения и передают их вначале на миокард предсердий, а затем на миокард желудочков, последовательно вызывая сокращение этих камер сердца, Эпикард плотно прилегает к миокарду и состоит из соединительной ткани. Свободная его поверхность покрыта мезотелием. У основания сердца эпикард заворачивается и переходит в околосердечную сумку - перикард. Между эпикардом и перикардом находится щелевидная полость, содержащая небольшое количество серозной жидкости, уменьшающей трение стенки сердца во время его работы.

Кровоснабжение сердца осуществляется правой и левой венечными артериями, отходящими от восходящей аорты. Крупные вены сердца собираются в венечный синус, впадающий в правое предсердие, куда впадают, кроме того, и мелкие вены. В сердце имеется густая капиллярная сеть, каждое мышечное волокно сопровождается капиллярами. Лимфа от сердца оттекает в средостенные и левые трахеобронхиальные узлы. Сердце иннервируют блуждающие и симпатические нервы. Внутри сердце расположены внутрисердечные ганглии, содержащие т. н. эфферентные нервные клетки, передающие импульсы из подходящих к ним волокон блуждающего нерва на миокард и венечные сосуды. Кроме того, в ганглиях сердца имеются и чувствительные (афферентные) нервные клетки, окончания отростков которых образуют чувствительные приборы (рецепторы) на миокарде и венечных сосудах. Эти клетки контактируют с внутрисердечными эфферентными нейронами, образуя внутрисердечные рефлекторные механизмы.

1.2 Функции сердца

Деятельность сердца как насоса протекает в виде периодически повторяющихся циклов. В каждом цикле происходит наполнение сердца и изгнание крови из него. Цикл начинается с возникновения автоматического импульса возбуждения, которое распространяется по предсердиям. Результатом этого является быстрое (0,1 с) сокращение предсердий, и кровь выжимается в желудочки. Последние начинают сокращаться после того, как их волокна будут охвачены возбуждением, распространяющимся по волокнам проводящей системы. Импульс возбуждения переходит с предсердий на желудочки после некоторой задержки, необходимой для завершения сокращения предсердий. Комплекс QRS на ЭКГ отражает процесс распространения возбуждения по желудочкам, после чего начинается процесс развития давления в них и последующего изгнания.

В целом процессы развития давления и изгнания обозначаются термином "систола", а процессы снижения давления и наполнения желудочков - термином "диастола". Общая длительность цикла при частоте 75 сокращений в минуту составляет 0,8 с, при этом на долю систолы приходится 0,3 с, а диастолы - 0,5 с. В пересчете на сутки систола занимает 9 ч, а диастола - 15 ч.

С механической точки зрения насосная функция желудочков сердца описывается динамическим соотношением между их объемом и давлением (рис. 2). В процессе диастолы относительно легко растяжимые камеры желудочков заполняются кровью, причем давление растет незначительно (первая фаза). Объем сердца в конце диастолы максимален в ходе цикла. Вторая фаза начинается с развития давления, но изгнание крови не может начаться, пока давление в желудочках не превысит уровень давления в крупных сосудах. Продолжающееся быстрое повышение давления в желудочках создает необходимое превышение давления, и кровь изгоняется в аорту и легочную артерию (третья фаза). Изгнание прекращается, как только в ходе начавшегося расслабления давление в желудочках становится ниже, чем давление в крупных сосудах. В ходе продолжающегося расслабления давление в желудочках падает ниже уровня давления в предсердиях (четвертая фаза) и начинается наполнение желудочков (первая фаза).

Изгоняемая при сокращении желудочков порция крови носит название "ударный объем", а оставшаяся в желудочках после изгнания - "остаточный объем". Обычно соотношение между ударным и диастолическим объемом (фракция изгнания) равно примерно 0,6, его значительное уменьшение отражает слабость желудочка. Произведение ударного объема на частоту сокращений в минуту дает величину минутного объема, который в среднем составляет 4,5-5,5 л/мин.

сердце орган кровообращение

2. Типы сердца

2.1 Сердце рыб (двухкамерное)

Двухкамерное сердце, которое состоит из предсердия и желудочка, расположенных у рыб на вене, а у пластинчатожаберных (к этому подклассу принадлежат акулы и скаты) на артериальном сосуде. У головастиков вначале двухкамерное сердце, один круг кровообращения, после 3--4 месяцев у сердца появляется ещё одна камера. В отличие от сердца других позвоночных, сердце рыб не приспособлено для разделения (даже частичного) обогащенной кислородом крови (аортальной) от не обогащенной (венозной). Структурно сердце рыб представляет собой последовательную серию из камер, заполненных венозной кровью: венозный синус, предсердие, желудочек и артериальный конус. Камеры сердца разделены клапанами, которые позволяют крови при сокращении сердца двигаться только в одном направлении (от венозного синуса к артериальному конусу), но не наоборот.

2.2 Сердце пресмыкающихся и земноводных (трехкамерное)

Предсердия разделены полной перегородкой; каждое открывается в желудочек самостоятельным отверстием, снабженным клапаном из полулунных складок. Желудочек имеет неполную перегородку, разделяющую его на две части: в момент систолы перегородка доходит до спинной стенки желудочка, на короткое время полностью разделяя его, что имеет значение для разделения потоков крови с разным содержанием кислорода (у крокодилов перегородка полная, но с отверстием в центре); Венозная пазуха слита с правым предсердием.

Артериальный конус редуцирован и от разных участков желудочка отходят самостоятельно три сосуда. От правой части желудочка, содержащей венозную кровь, отходит легочная артерия, делящаяся на правую и левую; от содержащей артериальную кровь левой части желудочка начинается правая дуга аорты, от которой отделяются сонные и подключичные артерии; от средины желудочка отходит левая дуга аорты. Обогнув сердце, левая и правая дуги аорты сливаются в спинную аорту. В легочную артерию поступает венозная кровь, в правую дугу аорты и в отходящие от нее сонные и подключичные артерии - артериальная, а в левую дугу аорты идет смешанная кровь. Поэтому в спинной аорте смешанная кровь с преобладанием артериальной; ею по отходящим от спинной аорты артериям снабжаются внутренние органы, туловищная мускулатура и задние конечности.

Венозная система подверглась меньшим перестройкам. Хвостовая вена в области таза делится на две подвздошные или тазовые вены, принимающие в себя вены от задних конечностей. Подвздошные вены отделяют от себя воротные вены почек и после этого сливаются в брюшную вену. Брюшная вена вместе с несущей кровь от кишечника воротной веной печени распадаются в печени на капилляры. В печени происходит детоксикация продуктов распада белка, начинается синтез продуктов выделения, отлагаются запасы гликогена и осуществляются некоторые процессы кроветворения. Капилляры воротной системы печени сливаются в печеночные вены, впадающие в проходящую через печень заднюю полую вену. Последняя образуется слиянием вен, выносящих кровь из почек, и впадает в правое предсердие. От головы кровь несут парные яремные вены. Соединяясь с подключичными венами, они образуют правую и левую передние полые вены, впадающие в правое предсердие. Левое предсердие принимает легочную вену, образовавшуюся слиянием правой и левой легочных вен (несут артериальную кровь).

2.3 Сердце млекопитающих (человека) и птиц (четырехкамерное)

Сердце млекопитающих и птиц -- четырёхкамерное. Различают (по току крови): правое предсердие, правый желудочек, левое предсердие и левый желудочек. Между предсердиями и желудочками находятся фиброзно-мышечные клапаны -- справа трикуспидальный, слева митральный. На выходе из желудочков соединительнотканные клапаны (лёгочный справа и аортальный слева). Из одной или двух передних (верхних) и задней (нижней) полых вен кровь поступает в правое предсердие, затем в правый желудочек, затем по малому кругу кровообращения кровь проходит через легкие, где обогащается кислородом, поступает в левое предсердие, затем в левый желудочек и, далее, в основную артерию организма -- аорту (птицы имеют правую дугу аорты, млекопитающие -- левую). В связи с наличием в системе кровообращения двух кругов (малого и большого) сердце состоит из двух частей: правой, накачивающей кровь в малый круг и левой, изгоняющей кровь в большой круг. Мышечная масса левого желудочка примерно в четыре раза больше, чем правого, что обусловлено значительно более высоким сопротивлением большого круга, но остальные черты структурной организации практически идентичны. Каждая камера имеет свою мышечную стенку, и, кроме того, слой циркулярно расположенных мышечных волокон оплетает оба желудочка. При условии синхронной активации это обеспечивает одновременность выброса из обоих желудочков.

Роль предсердий состоит не только в генерации возбуждения, но также и в обеспечении непрерывного притока крови к сердцу по венам. Высокое давление, возникающее в желудочках при сокращении, препятствует притоку крови в них. Тем не менее приток крови к сердцу не прекращается, поскольку расслабленные тонкостенные предсердия свободно растягиваются и вмещают дополнительное количество крови, которое затем изгоняют в уже расслабленные желудочки.

Однонаправленность потока в сердце обеспечивается наличием клапанов между предсердиями и желудочками, а также между последними и крупными артериальными стволами. Поэтому при сокращении желудочков развиваемое ими высокое давление закрывает предсердно-желудочковые клапаны, предотвращая обратный отток крови, и открывает клапаны на выходе из желудочков, способствуя изгнанию крови. После расслабления желудочков клапаны на выходе из желудочков закрываются под более высоким давлением, существующим в артериальных стволах, а входные клапаны, напротив, открываются, способствуя поступлению крови из предсердий в желудочки.

2.4 Искусственное сердце

Искусственное сердце -- представляет собой технологическое устройство, предназначенное для поддержания достаточных для жизнедеятельности параметров гемодинамики.

В настоящее время под искусственным сердцем понимается две группы технических устройств.

§ К первой относятся гемооксигенаторы, также их называют аппараты искусственного кровообращения. Они состоят из артериального насоса, перекачивающего кровь, и блока оксигенатора, который насыщает кровь кислородом. Данное оборудование активно используется в кардиохирургии, при проведении операций на сердце.

§ Ко второй относятся кардиопротезы, то есть технические устройства, имплантируемые в организм человека, призванные заменить сердечную мышцу и повысить качество жизни больного. Следует отметить, что в настоящее время данные устройства являются лишь экспериментальными и проходят клинические испытания.

В 2009 году еще не было создано эффективного имплантируемого человеку протеза всего сердца. Ряд ведущих кардиохирургических клиник проводит успешные частичные замены органических компонентов на искусственные. Например, производится замена клапанов, крупных сосудов, предсердий, желудочков. Также следует отметить, что вполне успешно производится пересадка донорского сердца.

По состоянию на 2010 год существуют прототипы эффективных имплантируемый искусственно человеку протезов всего сердца. В центре имени Бакулева 26 марта 2010 года была произведена операция по полной замене сердца человека на искусственный аналог кардиохирургом Лео Бокерия, совместно с его американским коллегой. Данный аппарат обеспечивает адекватное кровоснабжение органов и тканей пациента, главным его недостатком является наличие аккумулятора весом в 10 кг, нуждающимся в перезарядке каждые 12 часов. В настоящее время данные протезы рассматриваются как временная мера позволяющая пациенту с тяжелой сердечной патологией дожить до момента пересадки сердца.

Помимо кардиохирургического, существует и медико-психологический аспект проблемы искусственного сердца. Так, у четверти пациентов после операции протезирования клапанного аппарата сердца в послеоперационный период формируется специфический психопатологический симптомокомплекс получивший наименование Кардиопротезный психопатологический синдром, описанный в 1978 г. Не исключено, что с подобной проблемой придется столкнуться при проведении более масштабных операций по имплантации искусственного сердца.

3. Работа сердца

3.1 Ход исследования

Работа сердца за одно сокращение будет складываться из двух составляющих.

A₁ - работа, которая идет на преодоление давления и перенос массы крови;

A₂ - работа, которая идет на сообщение крови кинетической энергии.

Представим V_у - ударный систолический объём крови (у человека приблизительно 60 см³) в виде цилиндра (участка аорты) объёмом , при действующей силе .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сердце проталкивает (переносит) этот объём V_у по аорте сечением на расстояние , при давлении .

Работа по переносу:

. (1)

Для сообщения кинетической энергии этому объёму затрачивается работа:

. (2)

Работа правого желудочка составляет 0,2 от работы левого, тогда полная работа сердца за одно сокращение будет равна:

, (3)

(4)

Мощность сердца рассчитывается по формуле:

,

где - время сокращения левого желудочка.

Реальные значения параметров составляют:

ь плотность крови ;

ь скорость крови ;

ь систолический (ударный) объём ;

ь время систолы .

Размещено на Allbest.ru