Notiuni de hemodinamica

Hemodinamica este un capitol al biofizicii, care se ocupa de fenomenele fizice legate de circulatia sangelui.

Sistemul cardiovascular este alcatuit din inima, cu rol de pompa aspiro-respingatoare, si o retea continua de vase inchise cu sectiuni diferite (artere,vene si capilare) prin care circula sangele.

Circulatia sangvina, in afara parametrilor ce caracterizeaza curgerea oricarui lichid (vascozitate, gradient de presiune, diametrului conductei), are si particularitati datorita proprietatilor specifice ale sangelui si ale peretilor vaselor sangvine:

sangele este un lichid nenewtonian;

peretii vaselor sangvine sunt elastici;

circulatia sangelui nu este continua, ci pulsatorie.

Vascozitatea relativ mare a sangelui, neomgenitatea lui, expulzarea ciclica sub presiune mare, precum si forma diferita si variabila a vaselor sangvine determina o curgere care nu este strict laminara, profilul vitezei nefiind parabolic. Curgerea turbulenta propriu-zisa se observa, in mod normal, doar in partea initiala a aortei si a arterei pulmonare. In celelalte vase mari apare o microturbulenta, adica un regim intermediar intre curgerea laminara si cea turbulenta. Acest tip de curgere favorizeaza schimburile intre sange si peretii vasului, precum si omogenizarea substantelor dizolvate.

Pentru ca hematiile sa poata sa treaca prin capilare, acestea se orienteaza perpendicular pe axul tubului. In cazul cand diametrul capilarului este mai mic decat cel al hematiilor, acestea se deformeaza elastic, pentru a fi posibila curgerea sangelui.

Viteza de curgere a sangelui in diferite zone ale aparatului circulator depinde de sectiunea si rezistenta la curgere a vaselor sangvine. Aria totala a sectiunii transversale a capilarelor este de 700-800 ori mai mare decat a aortei, deci viteza medie in capilare va fi de 10³ mai mica decat in aorta unde valoarea mediei este de 0,5 m/s, iar la nivelul capilarelor de 0,5 mm/s. (vezi Fig.6.6)

Fig.6.6. Variatia vitezei medii a sangelui in vasele sangvine.

Presiunea sangelui sufera variatii mari in aparatul circulator. Este maxima la nivelul orificiilor ventriculare ale marilor artere (aorta): 120-130 mm Hg, scade la nivelul capilarelor: 10-30 mm Hg, si ajunge la valoarea minima de 2-5 mm Hg la nivelul marilor vene.

Presiunea arteriala este caracterizata de doua valori: maxima, care corespunde presiunii ventriculare in timpul sistolei (p_s), si minima, care este presiunea diastolica (p_d). Tabelul 6.2. sunt prezentate presiuni arteriale pentru organismele vii.

Tabelul 6.2. Valori ale presiunii arteriale

Curgerea turbulenta este consumatoare de energie si s-a constat ca la mamifere exista o adaptare a arborelui cardiovascular, pentru evitarea acestui tip de curgere.

Tinand cont de valoarea critica a numarului Reynolds, pentru o curgere laminara trebuie indeplinita conditia:

< (6.6) si de relatia pentru debitul sangvin:

(6.7)

Combinand relatiile (6.6) si (6.7) rezulta ca valoarea minima a razei vasului sangvin trebuie sa satisfaca urmatoarea inegalitate:

(6.8)

Stiind ca r = 1,1 g/cm³ si h = 0,03 Poise, avem:

r 0,013Q (6.9) In figura 6.7. sunt prezentate valorile experimentale ale ale razelor aortei umane si ale unor specii de mamifere.

Fig. 6.7. Valori ale razei aortei pentru diferite mamifere.

Se stie ca turbulenta poate sa apara la nivelul aortei unde viteza sangelui este cea mai mare. In aorta umana debitul sangvin este Q = 100 cm³/s, introducand aceasta valoare in relatia (6.9) se obtine r 1,3 cm. Experimental, pentru raza aortei s-agasit valoarea    r_exp =1,5 cm.

Se poate constata ca relatia (6.9) este satisfacuta si pentru alte mamifere, ceea ce arata ca natura vie poate sa evite aparitia curgerii turbulente, care este consumatoare de energie metabolica.