2015.11.06.
A kardiovaszkuláris rendszer élettana 35. Hemodinamika: Biofizikai alapjelenségek 36. Hemoreológia
Dr. Domoki Ferenc 2015. november 6.
Az eddig elhangzottakból szükséges lesz Szabályozáselméleti alapok: Reflexes szabályozás, reflexív fogalma, reflexek csoportosítása, hormonális szabályozás A vegetatív idegrendszer szimpatikus és paraszimpatikus divíziójának funkcionális anatómiája és neurokémiája A primer és szekunder érzősejt fogalma, a primer szenzoros neuronok morfológiája és ingerületképzésének alapjai A simaizom élettana
1
2015.11.06.
Bevezetés helyett: a kardiovaszkuláris rendszer funkciójáért 3 főszereplő felelős A vér A szív Az érrendszer E három tényező tulajdonságait, kölcsönhatásait, és funkciójuk szabályozását kell megismerni.
A kardiovaszkuláris élettan 9 tantermi előadása Hemodinamika, hemoreológia A szívműködés mechanikája A szívműködés szabályozása Az elektrokardiográfia Az érrendszer egyes elemeinek (artériás rendszer, mikrocirkuláció, vénás rendszer) funkcionális jellemzése (2 előadás) A szisztémás keringésszabályozás A lokális keringésszabályozás egyes szervek (szív, vázizom, tüdő) keringési jellegzetességei
2
2015.11.06.
Hemodinamika-alapfogalmak vérnyomás: a vérnek az erek falára kifejtett nyomása. Értéke a szívfunkciótól és az ér szívhez viszonyított pozíciójától is függ. Jele P, SI mértékegysége Pa, de az élettanban megszokottan a Hgmm-t használják. Áramlás az érrendszer két pontja között akkor jön létre ha az eret kitöltő vér nyomásában a két pontnál különbség van. Ezt nyomásfőnek (nyomásgrádiensnek) nevezzük. Jele ∆P (=P1-P2) A keringésben a nyomásfőt (∆P) a szív szívó-nyomó pumpa aktivitása alakítja ki
3
2015.11.06.
Hemodinamika-alapfogalmak Áramlás: a cső keresztmetszetén időegység alatt átáramló folyadékmennyiség (∆V/∆t), a szisztémás vérkeringésre vonatkoztatva a teljes áramlás neve keringési perctérfogat (PTF). Jele Q, mértékegysége térfogat/idő (pl liter/perc) Vigyázat! áramlás ≠ áramlási sebesség (v), utóbbi alatt az áramló folyadék részecskéinek átlagos sebessége értendő (m/s). Q=A·v, ahol A a cső keresztmetszete.
Hemodinamika-alapfogalmak Hogy adott nyomásfő mellett mekkora áramlás jön létre a csőben, azt a hidraulikus ellenállás szabja meg, ezt a nagyvérkörre vonatkoztatva teljes perifériás ellenállásnak/rezisztenciának (TPR) nevezzük. Jele R (TPR), mértékegysége nyomás·idő/térfogat (Hgmm·perc/liter)
4
2015.11.06.
A hemodinamika alaptörvénye: az Ohm törvény Áramlás=nyomásfő/hidraulikus ellenállás Q=∆P/R PTFnagyvérkör=(Paorta-Pjobb pitvar)/TPR PTFkisvérkör=(Pa.pulm-Pbal pitvar)/Rtüdő PTFnagyvérkör =(≥) PTFkisvérkör
Mitől függ a hidraulikus ellenállás?
5
2015.11.06.
HAGEN-POISEUILLE törvény Nyomás h
Q
Hossz L Sugár r Viszkozitás
2h Q
2L
Q
2r
η Q
Q = ∆P
2Q
Q ∝ ∆P
½Q
1 L
16 Q (24Q) Q ∝ r4
2η ½ Q
r4 π Lη 8
Q∝
R=
1 Q∝η
Lη 8 r4 π
A tudósok Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869) Matematikát és fizikát tanul az École Politecnique-ben, majd fiziológusként a vér áramlását tanulmányozza. Eredményeit 1840ben publikálja. Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen (1797-1884) fizikus, a viszkozitást méri meg először pontosan vékony csövekben, eredményeit 1840-ben publikája.
6
2015.11.06.
A Hagen-Poiseuille törvény teljesülésének kritériumai, összevetve a keringési rendszer tényeivel Hengeres nem elágazó, merev csövek newtoni folyadék stacioner áramlás lamináris viszonyok
Rugalmas, elágazó csövek, a vénák nem hengeresek nem-newtoni folyadék (a vér) pulzáció néha turbulens áramlás
Az egyenlőség tehát nem állhat fenn, mégis a törvény kijelöli a fontos faktorokat
Mitől függ a hidraulikus ellenállás? az áramló folyadék saját anyagi tulajdonsága: viszkozitás (η) A cső geometriájától: a hosszúsággal (L) egyenesen arányos, a cső sugarának (r) a negyedik! hatványával fordítva arányos Hagen-Poiseuille törvény: Q= ∆P x π/8 x r4/L x 1/η
R= 8/π x L/r4 x η
7
2015.11.06.
A Fehér fagyöngy (Viscum album) Örökzöld, parazita cserje Bogyójából ragasztót, lépet állítottak elő (lépre csalni vmit/vkit) A viszkozitás tehát ragadósságot jelent (ragad, mint a lép)
Hemoreológia: a vér folyékonyságával foglalkozó tudományág „rhei” görög szó, folyót jelent, közismertté a „Panta rhei!”- Minden folyik!- filozófiai aforizma tette (semmi nem állandó, minden változik) A lamináris áramlás jellemzése, Newton viszkozitás törvénye:, nyírófeszültség, nyírási sebesség, viszkozitás fogalmának bevezetése a newtoni folyadékok és a nem-newtoni, komplex folyadék: a vér viszkozitása Az áramló vér viszkozitásának jellemzése, a vörösvérsejt adaptációja Turbulens áramlás fogalma. Reynolds szám.
8
2015.11.06.
Newton viszkozitástörvénye I.
mozgó üveglap
F
rögzített üveglap
Egy folyadékkal elválasztott két üveglapot elmozdítva egymás felett, az elmozdított üveglap alatti folyadék is elmozdul, mégpedig úgy, hogy a folyadék részecskéi egymással párhuzamos rétegekben (laminákban), egymáshoz képest is elmozdulnak. Ez a sebességgrádiens (dv/dx) a folyadékban homogén, és az üveglapot elmozdító erővel arányos.
Newton viszkozitástörvénye II. Nyírófeszültség, nyírási erő (shear stress): az a tangenciális erő, ami egységnyi felszínre hatva elmozdítja egymáson a rétegeket, jele τ, mértékegysége N/m2 (Pa) Nyírási sebesség (shear rate): az a sebesség (v), amivel az áramló folyadék egymástól x távolságban levő rétegei elcsúsznak egymáshoz képest, jele γ=dv/dx, mértékegysége 1/s Newton viszkozitás törvénye szerint az egyszerű (newtoni) folyadékokban τ és a hatására létrejövő γ között egyszerű arányosság áll fenn, az arányossági tényezőt a folyadék belső súrlódásának, viszkozitásnak hívják. A viszkozitás jele η=τ/γ , mértékegysége Pa·s ill. P (poise). átváltás: 1 Pa·s = 0.1 P. A viszkozitás a hőmérséklet emelkedésével csökken (lsd hideg vs. meleg méz csurgatása)
9
2015.11.06.
Lamináris véráramlás Egymáson elcsúszó folyadékrétegek (laminák) Csövekben a laminák koncentrikus körökként képzelhetők el, a folyadékrétegekben mozgó részecskék lineáris sebessége centrum-periféria irányban csökken Parabola formájú áramlási sebességgrádiens alakul ki
Nyíró-erő
Shear stress
A pair of SHEARS
Shear stress
10
2015.11.06.
(1642-1727)
A vér viszkozitása A vérplazma newtoni folyadék, viszkozitása a plazmafehérjék összetételétől és koncentrációjától függ (kiszáradás!) A vér azonban nem newtoni folyadék (η≠τ/γ), viszkozitása a nyíróerőktől is függ, és a csőgeometria is befolyásolja. 1. A hematokrit növekedése növeli a vérviszkozitást. 2. A nyírási sebesség növelése drasztikusan csökkenti a vérviszkozitást. 3. Az érátmérő csökkenése csökkenti a vérviszkozitást. A legtöbb jelenségre a vörösvérsejt membrán különleges, nem rugalmas, hanem folyadékszerű (viszkózus) deformálhatósága szolgál, amely az áramláshoz való alkalmazkodást jelzi.
11
2015.11.06.
Ad 1.
A vér viszkozitásának hematokrit-függése
RELATIV VISZOZITÁS
8 7 6
Normálérték
5 4 3 plazma víz
2 1 0
0 10 20 30 40 50 60 70 HEMATOKRIT
Ad 2.
Vörösvérsejt aggregátumok ≠ alvadékok! Alacsony nyírási sebességnél a vörösvérsejtek aggregátumokat képeznek, ez a „pénztekercsképződés” viszkozitásemelkedésként jelentkezik. Az aggregációs hajlam a plazmafehérjék összetételétől függ, a globulinok arányának emelkedésével nő. Ez a reverzibilis aggregáció az alapja a vörösvérsejt süllyedési sebesség és a plazma diszproteinémiája közötti kapcsolatnak is (a süllyedési sebesség nő, amikor az albumin/globulin arány csökken).
12
2015.11.06.
Ad 2.
Nyíróerő (shear stress) hatására a membrán passzív rotációt végez, miközben a vörösvérsejt alakja áramvonalas formát vesz fel
Ad 2.
Kísérleti felvétel: a vörösvérsejtek nyírási sebesség (shear rate) növekedésével fokozódó alakváltozáson esnek át, a membránhoz csatolt jelző segítségével a membránrotáció is vizualizálható
13
2015.11.06.
Ad 2.
A nyírási sebesség növelésével a vér viszkozitása látványosan csökken: ennek mechanizmusa: 1. a stagnáló vérben keletkező vérsejtaggregátumok diszperziója (globulin-függő pénztekercsképződés megszűnése) 2.a vérsejtek áramvonalas alakváltozása
Ad 3.
Az ér méretének hatása a vér viszkozitására A vér viszkozitása az érátmérő 300µm alá csökkenésekor látványosan csökkenni kezd, ~7-10 µm átmérőnél megközelíti a plazma viszkozitását. Ez a Fåhraeus-Lindquist effektus (1918). THE VISCOSITY OF THE BLOOD IN NARROW CAPILLARY TUBES Am J
Physiol March 1, 1931 96:(3) 562-568.
A tudósok: Robert Sanno Fåhraeus (18881968) Johan Torsten Lindquist (1906-) svéd hemato-patológusok
14
2015.11.06.
Ad 3.
Relatív viszkozitás
A Fåhraeus-Lindquist effektus
plazmaviszkozitás
érátmérő (µm)
Ad 3.
a Fåhraeus-Lindquist effektus mechanizmusai 1. Axiális migráció és 2. plazma skimming: a vékonyabb erekben a sejtek a tengelyáram közepén, gyorsan haladnak, míg a szélen lassabb, sejtmentes plazmaáram alakul ki: az érben a hematokrit effektív értéke csökken. Ez a mechanizmus főleg a nagyobb mikroerekben (30-300 µm) játszik szerepet 3. A kapillárisokban az egy sejtsorban áramló vörösvérsejtek folyadékcseppszerű adaptációja tökéletessé válik, egymással nem érintkeznek, felveszik a paraboloid sebességprofilt. A kapillárisokba kerülő fehérvérsejtek viszont viszkozitásemelkedést hoznak létre.
15
2015.11.06.
Vékony csövekben (kapillárisokban) az alakváltozás megközelíti a parabolikus sebességprofilt, a vörösvérsejtek lövedék vagy papucs konformációt vesznek fel, miközben bennük szinte semmilyen rugalmas erő NEM ébred!
Fehérvérsejt mint viszkozitásemelkedés
16
2015.11.06.
Take home message #1: A vörösvérsejt a keringésben soha nem hasonlít cukrászipari termékekre (fánk, babapiskóta), hanem passzívan a nyíróerőknek megfelelő bármilyen formát vesz fel!
Turbulens áramlás
A folyadékrétegek szabálytalan áramlása mindig viszkozitás-növekedéshez vezet, fokozva az áramlási ellenállást. A turbulencia kialakulását elősegíti a csőrendszer tágassága, szabálytalansága (érszűkület, elágazás, irányváltás), valamint a magas áramlási sebesség, a folyadék alacsony viszkozitása
17
2015.11.06.
Reynolds szám: a turbulencia kialakulásának valószínűségét jelző mutató Mértékegység nélküli szám Re=d ·v · ρ/η, ahol d az átmérő, v az áramlási sebesség, ρ sűrűség és a viszkozitás (cm, cm/s, g/cm3, és Poise-ben mérve, CGS szisztéma). Ha a szám meghaladja 2000-t a turbulencia kialakulásának valószínűsége nagy A keringésben az artériás rendszerben alakulhat ki turbulencia (nagy érátmérő+nagy sebesség).
Mi ebből a fontos egy orvosnak? A vér viszkozitása fiziológiásan nem szabályozza a hidraulikus ellenállást, de képes azt jelentősen befolyásolni Magas hematokrit (policitémia, kiszáradás) fokozza a viszkozitást, emelve az ellenállást Alacsony hematokrit következtében csökkenő viszkozitás fokozza a turbulens áramlás veszélyét, ami érsérüléshez ill. ellenállásfokozódáshoz vezet A véráramlás sebességének kóros csökkenése pénztekercsképződéshez, ún. strukturális viszkozitásfokozódáshoz vezet, tovább rontva a keringést A vörösvérsejt veleszületett vagy szerzett membrándefektusai rontják a deformálhatóságot és a fluiditást, ezek a vér viszkozitásának jelentős fokozódásához vezetnek, rontva a keringést.
18
2015.11.06.
Van-e jelentősége a reológiai státusz vizsgálatának a betegágy mellett: IGEN! : Reológiai tesztek viszkozimetria Ozmotikus grádiens ektacitometria: deformabilitási index Kritikus stressz: az a lgkisebb nyíróerő, ami diszpergálja az aggregálódott vörösvérsejteket etc…
Take home message #2: Az emlős vörösvérsejt az evolúciós siker egyik kulcsa!
Béka (bal), és ember (jobb) vörösvérsejt és kapilláris
19
2015.11.06.
Take home message #2: Az emlős vörösvérsejt az evolúciós siker egyik kulcsa!
Az emlősök ugyanakkora vértérfogatból ~16-szor több kapillárist képesek perfundálni, mint a béka, a diffúziós távolságok lerövidítése alapvetően lehetővé tette a nagy metabolikus aktivitású szövetek (agy) felépítését!
20
