Що таке гемодинаміка?

Гемодинаміка – це дослідження кровотоку . Він зосереджується на тому, як серце розподіляє або перекачує кров по всьому тілу. Вивчення гемодинаміки об’єднує ряд наук, включаючи біологію, хімію і фізику.

Оскільки серце перекачує кров через кровоносні судини , воно допомагає постачати кисень до органів і тканин тіла. Цей процес життєво важливий для того, щоб організм міг підтримувати себе. Проблеми з гемодинамічною системою можуть спричинити серйозні проблеми зі здоров’ям, найпоширенішою з яких є гіпертонія.

Ключові терміни

• Гемодинаміка : дослідження кровотоку
• Частота серцевих скорочень (або пульс): кількість ударів серця за хвилину
• Ударний об’єм : об’єм крові, який перекачує шлуночок кожного разу, коли він скорочується
• Серцевий викид : міра того, наскільки ефективно серце рухає кров тілом
• Системний судинний опір : опір, який має подолати серце, щоб успішно перекачувати кров тілом
• Артеріальний тиск : сила, з якою кров діє на стінки кровоносних судин, коли вона протікає крізь них

Гемодинамічна система

Ключові елементи гемодинамічної системи включають частоту серцевих скорочень, ударний об’єм, серцевий викид, системний опір судин і артеріальний тиск .

Частота серцевих скорочень або пульс — це кількість ударів серця за хвилину. Ударний об’єм – це кількість крові, яку накачує шлуночок , коли він скорочується. На основі пульсу та ударного об’єму ми можемо розрахувати серцевий викид , який є показником того, скільки крові серце (зокрема, лівий або правий шлуночок) може перекачати за одиницю часу. Розраховується за такою формулою:

Середній ударний об’єм для людини становить 75 мл на одне серцебиття. При цьому ударному об’ємі серце, яке б’ється 70 разів на хвилину, матиме серцевий викид, приблизно еквівалентний загальному об’єму крові в тілі.

Таким чином, серцевий викид є показником того, наскільки ефективно серце може рухати кров по всьому тілу. У нашій звичайній повсякденній діяльності продуктивність має бути такою, щоб тіло могло розподіляти кров відповідно до вимог, які до нього пред’являються. Звичайним прикладом необхідності збільшення серцевого викиду є виконання фізичних вправ.

Серцевий викид пов’язаний із законом Ома . Закон Ома стверджує, що струм, що проходить через деякий провідник, пропорційний напрузі на опорі. Подібно до кругообігу, шлях кровотоку через тіло пов’язаний із опором кровотоку, який чинять кровоносні судини. Системний судинний опір – це опір, який має подолати серце, щоб успішно перекачувати кров тілом. Серцевий викид, помножений на системний опір судин, дорівнює артеріальному тиску.

Коли серцевий викид порушується (наприклад, через серцеву недостатність), організму буде важко справлятися зі своїми щоденними потребами. Зменшення серцевого викиду призводить до зменшення надходження кисню до тканин і органів тіла.

Гемодинамічний моніторинг

Дослідження гемодинаміки є життєво важливим, оскільки для функціонування організму потрібен кисень. У медицині гемодинамічний моніторинг використовується для оцінки цього зв’язку між серцево-судинною системою та потребою тканин організму в кисні. Такі оцінки призначені для того, щоб дозволити медичним працівникам приймати правильні рішення для своїх пацієнтів.

Подібним чином, коли ці оцінки вказують на те, що пацієнт має проблеми із задоволенням власних потреб у кисні , його класифікують як гемодинамічно нестабільний. Таким пацієнтам надають механічну або фармакологічну підтримку, щоб вони могли підтримувати необхідний артеріальний тиск і серцевий викид.

40.1: Огляд кровоносної системи

У всіх тварин, крім декількох простих типів, кровоносна система використовується для транспортування поживних речовин і газів по організму. Проста дифузія дозволяє деякій кількості води, поживних речовин, відходів та газу обмінюватися примітивними тваринами, які мають товщину лише в кілька шарів клітин; однак об’ємний потік є єдиним методом, за допомогою якого доступ до всього тіла більших складніших організмів.

Архітектура кровоносної системи

Кровоносна система ефективно являє собою мережу циліндричних судин: артерій, вен, капілярів, які виходять від насоса, серця. У всіх хребетних організмів, а також деяких безхребетних це замкнута система, при якій кров не вільна в порожнині. У замкнутій кровоносній системі кров міститься всередині кровоносних судин і циркулює в одному напрямку від серця навколо системного кровоносного шляху, потім знову повертається до серця, як показано на малюнку \(\PageIndex\) а На відміну від замкнутої системи, членистоногі – в тому числі комахи, ракоподібні та більшість молюсків – мають відкриту кровоносну систему, як показано на малюнку \(\PageIndex\) б., У відкритій кровоносній системі кров не укладена в кровоносні судини, а закачується в порожнину, яка називається гемоколем і називається гемолімфою , оскільки кров змішується з інтерстиціальної рідиною . Коли серце б’ється і тварина рухається, гемолімфа циркулює навколо органів всередині порожнини тіла, а потім знову потрапляє в серця через отвори, звані остією . Цей рух дозволяє здійснювати обмін газу та поживних речовин. Відкрита кровоносна система не використовує стільки енергії, скільки замкнута система для роботи або підтримки; однак існує компроміс з кількістю крові, яка може бути переміщена до метаболічно активних органів і тканин, які потребують високого рівня кисню. Насправді, одна з причин того, що комахи з прольотами крил шириною до двох футів (70 см) сьогодні немає навколо, ймовірно, тому, що вони були переповнені приходом птахів 150 мільйонів років тому. Вважається, що птахи, що мають замкнуту кровоносну систему, рухалися більш спритно, дозволяючи їм швидше отримувати їжу і, можливо, полювати на комах.

Малюнок \(\PageIndex\) : У (а) замкнутих кровоносних системах серце перекачує кров через судини, відокремлені від міжтканинної рідини організму. Більшість хребетних і деякі безхребетні, як цей анелелідний дощовий черв’як, мають замкнуту кровоносну систему. У (б) відкритих кровоносних системах рідина, звана гемолімфою, перекачується через кровоносну судину, яка спорожняється в порожнину тіла. Гемолімфа повертається в кровоносну судину через отвори, звані остією. Членистоногі, як ця бджола, і більшість молюсків мають відкриту кровоносну систему.

Варіація системи кровообігу у тварин

Кровоносна система варіюється від простих систем у безхребетних до більш складних систем у хребетних. Найпростіші тварини, такі як губки (Porifera) та ротифери (Rotifera), не потребують кровоносної системи, оскільки дифузія дозволяє адекватний обмін водою, поживними речовинами та відходами, а також розчиненими газами, як показано на малюнку \(\PageIndex\) а. організми, які є більш складними, але все ще мають лише два шари клітини в своєму плані тіла, такі як желе (Cnidaria) і гребінці желе (Ctenophora) також використовують дифузію через свій епідерміс і внутрішньо через шлунково-судинний відсік. Як їх внутрішні, так і зовнішні тканини купаються у водному середовищі і обмінюються рідифузією з обох сторін, як показано на малюнку \(\PageIndex\) b Обміну рідин сприяє пульсування тіла медуз.

Малюнок \(\PageIndex\) : Прості тварини, що складаються з одного клітинного шару, такого як (а) губка або лише кілька клітинних шарів, таких як (б) медузи, не мають кровоносної системи. Натомість гази, поживні речовини та відходи обмінюються дифузією.

Для більш складних організмів дифузія не ефективна для циркуляції газів, поживних речовин та відходів ефективно через організм; отже, розвивалися більш складні системи кровообігу. Більшість членистоногих і багатьох молюсків мають відкриту кровоносну систему. У відкритій системі подовжене б’ється серце проштовхує гемолімфу по тілу і м’язові скорочення допомагають переміщати рідини. Більші більш складні ракоподібні, включаючи омарів, розробили артеріальноподібні судини, щоб проштовхувати кров по своєму тілу, а найактивніші молюски, такі як кальмари, розвинули замкнуту кровоносну систему і здатні швидко рухатися, щоб зловити здобич. Закриті системи кровообігу є характеристикою хребетних; однак існують значні відмінності в будові серця та циркуляції крові між різними групами хребетних через адаптацію під час еволюції та пов’язані з цим відмінності в анатомії. Малюнок \(\PageIndex\) ілюструє основні системи кровообігу деяких хребетних тварин: риб, земноводних, плазунів, ссавців.

Малюнок \(\PageIndex\) : (а) Риби мають найпростіші системи кровообігу хребетних: кров тече однонаправлено від двокамерного серця через зябра, а потім і решту тіла. (б) Земноводні мають два шляхи кровообігу: один для оксигенації крові через легені та шкіру, а інший для прийому кисню до решти тіла. Кров перекачується з трикамерного серця з двома передсердями і одним шлуночком. (c) Плазуни також мають два шляхи кровообігу; однак кров насичується киснем лише через легені. Серце трикамерне, але шлуночки частково відокремлені, тому деяке змішування насиченої киснем та дезоксигенізованої крові відбувається за винятком крокодилів та птахів. (d) Ссавці та птахи мають найефективніше серце з чотирма камерами, які повністю розділяють насичену киснем та дезоксигенаційну кров; він перекачує лише насичену киснем кров через тіло та дезоксигенаційну кров до легенів.

Як показано \(\PageIndex\) на малюнку Риби мають єдиний контур для кровотоку і двокамерне серце, яке має тільки одне передсердя і єдиний шлуночок. Передсердя збирає кров, яка повернулася з організму, і шлуночок перекачує кров до зябер, де відбувається газообмін і кров повторно оксигенується; це називається зябровий кровообіг . Потім кров триває через решту тіла до прибуття назад в передсердя; це називається системним кровообігом . Цей односпрямований потік крові виробляє градієнт кисню до дезоксигенізованої крові навколо системного контуру риби. Результатом є обмеження в кількості кисню, яке може досягати деяких органів і тканин організму, знижуючи загальну обмінну здатність риби.

У земноводних, плазунів, птахів і ссавців кровотік спрямований двома контурами: один через легені і назад до серця, що називається легеневим кровообігом , а інший по всій решті тіла і його органів, включаючи мозок (системний кровообіг). У земноводних газообмін також відбувається через шкіру під час легеневого кровообігу і називається пульмошкірним кровообігом .

Як показано на малюнку \(\PageIndex\) b, земноводні мають трикамерне серце, яке має два передсердя і один шлуночок, а не двокамерне серце риб. Два передсердя (верхні камери серця) отримують кров з двох різних контурів (легенів і систем), а потім відбувається деяке змішування крові в шлуночку серця (нижня камера серця), що знижує ефективність оксигенації. Перевагою такого розташування є те, що високий тиск в судинами штовхає кров до легенів і організму. Змішування пом’якшується хребтом всередині шлуночка, який відводить багату киснем кров через системну кровоносну систему та дезоксигенаційну кров до пульмошкірного контуру. З цієї причини земноводних часто описують як мають подвійну циркуляцію .

Більшість рептилій також мають трикамерне серце, схоже на серця-амфібії, яке направляє кров в легеневий і системний ланцюги, як показано на малюнку \(\PageIndex\) c Шлуночок більш ефективно ділиться частковою перегородкою, що призводить до меншого змішування насиченої киснем і дезоксигенірованої крові. Деякі рептилії (алігатори і крокодили) є найпримітивнішими тваринами, щоб виставити чотирикамерне серце. Крокоділіани мають унікальний механізм кровообігу, коли серце шунтує кров з легенів до шлунка та інших органів протягом тривалих періодів занурення, наприклад, в той час як тварина чекає здобич або залишається під водою, чекаючи, коли здобич гниє. Одна адаптація включає дві основні артерії, які залишають одну і ту ж частину серця: одна бере кров до легенів, а інша забезпечує альтернативний шлях до шлунка та інших частин тіла. Дві інші пристосування включають отвір в серці між двома шлуночками, званий отвором Паніцца, який дозволяє крові рухатися з одного боку серця на іншу, і спеціалізовану сполучну тканину, яка уповільнює приплив крові до легенів. Разом ці пристосування зробили крокодилів і алігаторів однією з найбільш еволюційно успішних груп тварин на землі.

У ссавців і птахів серце також розділене на чотири камери: два передсердя і два шлуночка, як показано на малюнку 40.1.3d. Насичена киснем кров відокремлюється від дезоксигенізованої крові, що покращує ефективність подвійного кровообігу і, ймовірно, потрібно для теплокровного способу життя ссавців і птахів. Чотирикамерне серце птахів і ссавців еволюціонувало незалежно від трикамерного серця. Незалежна еволюція тієї ж або подібної біологічної ознаки називається конвергентною еволюцією.

Резюме

У більшості тварин кровоносна система використовується для транспортування крові по організму. Деякі примітивні тварини використовують дифузію для обміну водою, поживними речовинами та газами. Однак складні організми використовують кровоносну систему для перенесення газів, поживних речовин та відходів через організм. Кровоносні системи можуть бути відкритими (змішаними з інтерстиціальної рідиною) або закритими (відокремленими від інтерстиціальної рідини). Закриті системи кровообігу є характеристикою хребетних; однак існують значні відмінності в будові серця та циркуляції крові між різними групами хребетних через пристосування під час еволюції та пов’язані з цим відмінності в анатомії. Риби мають двокамерне серце з односпрямованим кровообігом. Земноводні мають трикамерне серце, яке має деяке змішування крові, і вони мають подвійну циркуляцію. Більшість непташиних рептилій мають трикамерне серце, але мають мало змішування крові; вони мають подвійну циркуляцію. Ссавці і птахи мають чотирикамерне серце без змішування крові і подвійний кровообіг.

Глосарій

передсердя (множина: передсердя) камера серця, яка отримує кров з вен і відправляє кров до шлуночків закрита кровоносна система система, в якій кров відокремлюється від тілесної інтерстиціальної рідини і міститься в кровоносних судинах подвійна циркуляція потік крові в двох контурах: легеневий контур через легені і системний контур через органи і тіло зябровий кровообіг кровоносна система, характерна для тварин з зябрами для газообміну; кров тече через зябра для оксигенації гемокоель порожнину, в яку перекачується кров у відкритій кровоносній системі гемолімфа суміш крові та інтерстиціальної рідини, яка міститься у комах та інших членистоногих, а також більшості молюсків інтерстиціальна рідина рідина між клітинами відкрита кровоносна система система, в якій кров змішується з інтерстиціальної рідиною і безпосередньо охоплює органи Остіум (множина: остія) отвори між кровоносними судинами, що дозволяють переміщати гемолімфу по тілу комах, членистоногих і молюсків з відкритою кровоносною системою пульмошкірний кровообіг кровоносна система у земноводних; приплив крові до легенів і вологій шкірі для газообміну легеневий кровообіг потік крові від серця через легені, де відбувається оксигенація, а потім знову повертається до серця системний кровотік приплив крові від серця до мозку, печінки, нирок, шлунка та інших органів, кінцівок і м’язів тіла, а потім повернення цієї крові до серця односпрямована циркуляція потік крові в єдиному контурі; відбувається у риб, де кров тече через зябра, потім повз органів і решти тіла, перш ніж повернутися до серця шлуночок (серце) велика нижня камера серця, яка перекачує кров в артерії