Қанайналымды зерттеу әдістері. Реология

ҚАРАҒАНДЫ МЕМЛЕКЕТТІК МЕДИЦИНА УНИВЕРСИТЕТІ

Медициналық биофизика және информатика кафедрасы

 

 

 

 

СӨЖ

РЕФЕРАТ

 

Тақырыбы: Қанайналымды зерттеу әдістері.Реология

 

Дайындаған: Тастубай А.С

1-015 топ ЖМФ

Тексерген: Сеитов Е.Т.

 

 

 

 

 

 

 

2014 – 2015 оқу жылы

 

Жоспар:

 

1.қанның  реологиялық  қасиеттері. 
2.ньютондық  және  ньютондық емес сұйықтар.  
3.қанның  ірі қан тамырларындағы қозғалысы.  
4. қанның  реологиялық  қасиеттерін  анықтайтын факторлар, тұтқырлық; қанның  макрореологиялық  қасиеттеріне  ықпал етпейтін  факторлар.  
5.қанның  микрореологиялық  қасиеттері. 
капиллярлардағы  эритроциттердің бағдарлану  формалары.

6.қорытынды

7.пайдаланған әдебиеттер

 

Қанайналымды зерттеу әдістері.Реология

Жүрек-қан тамыр жүйесі қанның тамырлардың тұйықталған жүйесі бойынша қанның айналымын қамтамасыз етеді. Қанның ағзадағы циркуляциясы арқылы мүшелерге қызметтерін атқару үшін қажет заттар жеткізіледі. Тамырлар бойынша қанның жылжуы кез келген түтіктер жүйесіндегі сұйықтардың жылжуы бағынатын заңдарға бағынады.

 

Қан айналымының биофизикалық талдауы дегеніміз қысым мен қанның ағуының жылдамдығы арасындағы байланыстарды және олардың қанның, қан тамырларының және жүректің физикалық параметрлеріне тәуелдігін сипаттау.

Қан айналым жүйесі адам мен басқа омыртқалы жаңуарларда механиканың көз қарасынан гидравликалық жүйе болып табылады. Бұл жүйенің құрамына камералық насостар кіреді – жүректің оң жақ және сол жақ бөлімдері (көктамырлар, олардың клапандары, қанқалы бұлшық еттер).

 

Жүрек және тамырлар физикалық және физиологиялық факторлардың әсерінен өздерінің геометриялық және механикалық сипаттамаларын өзгерте алады. Қанның ағуы мен қысым тербелмелі түрде өзгереді. Жүрек-қан тамырлар жүйесінің қызмет атқаруының математикалық сипаттамасын беру өте қиын, қазіргі заманда қан айналымының биофизикалық зерттеуі көбінесе екі мәселенің шешуімен айналысуда:

1. Қанның тамырлар бойымен ағуын сипаттайтын физикалық заңдылықтарын анықтау.
2. Қанның жеке тамырлардағы немесе тамырлар жүйесіндегі ағуының теориялық және тәжірибелік талдауы.

Қан айналым жүйесіндегі бірқатар процесстерді сипаттау үшін физикалық, аналогтық және математикалық модельдеу әдістері қолданылады.

 

1. Қанның реологиялық қасиеттері

 

Реология (rheos - ағу, ағын, logos – ғылым, грек тілінен) – заттың деформациясы мен аққыштығы туралы ғылым. Қанның реологиясы (гемореология) дегеніміз қанның тұтқыр сұйық ретіндегі биофизикалық ерекшеліктерін зерттеу.

Сұйықтық  ағу формалары сұйықтықтың физикалық қасиеттернен тәуелді. Бұл қасиеттерді бірқатар параметрлер сипаттайды:

1. тығыздық

(9.1),

мұнда сұйықтың массасы,  көлемі

2. меншікті салмақ  
   (25.29)

 сұйықтың салмағы, көлемі

 

3. ішкі үйкеліс коэффициенті, немесе сұйықтың тұтқырлығы.

 

Сұйықтың тұтқырлығы (ішкі үйкелісі) – сұйықтың бір бөлігінің басқа бөлігінің жылжуына қарсылық көрсету қасиеті. Сұйықтың тұтқырлығы ең алдымен молекулалардың қозғалғыштығын шектейтін молекулааралық әрекеттесулерге тәуелді.

Егер де ағып жатқан сұйықтық қозғалмайтын бетпен әрекеттесе (мысалы сұйықтықтың түтіктің ішіндегі ағуы, оңдай сұйықтың әртүрлі қабаттары әртүрлі жылдамдықтармен ағады. Жылдам ағатын қабаттар тезірек аққысы келсе, баяу қабаттары оны тежейді.

Тұтқырлықтың болуы сұйықтың жылжуын жүргізетін сыртқы  көз болып табылатын энергиясының шашырауына, оның жылуға көшуіне әкеледі. Тұтқырлықсыз сұйық (идеалды сұйық) абстрактты ұғым. Барлық табиғи сұйықтар тұтқырлықпен сипатталады.

 

Тұтқыр ағыстың негізгі заңын  1687 ж. И. Ньютон ойлап шығарған:

    (9.1)

мұнда:

F [Н] – қабаттар жылжиған кездегі  олардың арасындағы болатын ішкі  үйкеліс күші;

h [Па-с] – сұйықтың оның қабаттарының ығысуына қарсыласуын сипаттайтын динамикалық тұтқырлық  коэффициенті;

dV /dz [1/c] – жылдамдық градиенті, яғни ығысу жылдамдығы;

S [м2] - әрекеттесетін қабаттар ауданы.

 

Сонымен ішкі үйкеліс күші жылдам қабаттарды тежейді, ал баяу қабаттарды тездетеді. Динамикалық тұтқырлық коэффициентімен қатар кинематикалық тұтқырлық коэффициенті де қарастырылады:

; мұнда r - сұйықтықтың тығыздығы.

2. Ньютондық және ньютондық емес  сұйықтықтар

 

Сұйықтар өздерінің тұтқырлықтарымен байланысты қасиеттері бойынша екі топқа бөлінеді: ньютондік және ньютондық емес.

Ньютондық сұйықтықтың тұтқырлық коэффициенті тек қана оның табиғатына және температураға тәуелді. Олар үшін Ньютон формуласын қолдануға болады, тұтқырлық коэффициенты сұйықтың ағу шарттарына тәуелсіз тұрақты параметр болып табылады.

Ньютондық емес сұйықтардың тұтқырлық коэффициенты тек қана заттың табиғаты мен температурасына емес, сонымен бірге сұйықтың ағу шарттарына, яғни жылдамдық градиентіне тәуелді. Бұл жағдайда тұтқырлық коэффициенті заттың константасы болмайды. Сұйықтың тұтқырлығын шартты тұтқырлық коэффициенті сипаттайды. Тұтқырлық күші жылдамдық градиентіне  сызықсыз түрде тәуелді:

    (9.1, а)

мұнда n ағыстың  механикалық қасиеттерін сипаттайды.

Ньютондық емес сұйықтықтардың мысалы ретінде суспензияларды келтіруге болады. Егер де сұйықтықтықтың ішінде қатты әрекеттеспейтін бөлшектер біркелкі таралған болса, ондай ортаны біртекті деп қарастыруға болады. Ондай ортаның қасиеттері ең алдымен сұйықтың тұтқырлығына тәуелді. Ал жүйенің өзінің тұтқырлығының шамасы h¢ одан да жоғары болады және бөлшектердің формасы мен концентрациясына тәуелді болады. Егер де бөлшектердің концентациясы С төмен болса, онда келесі формуланы қолдануға болады:

   (9.2)

мұнда К - геометриялық фактор – бөлшектердің геометриясына тәуелді коэффициент.

Егер де бөлшектердің құрылымы өзгерсе (мысалы, ағыс шарттары өзгерсе), онда (9.2) формаласындағы К коэффициенты, ал сонымен бірге ондай суспензияның тұтқырлығы h' де өзгереді. Ондай суспензия ньютондық емес сұйық болып саналады. Барлық жүйенің тұтқырлығының көбеюі суспензияның ағуы үшін сыртқы күштін жұмысы тек қана нақты (ньютондық емес) тұтқырлықты женуге емес, сонымен бірге сұйық  пен құрылымдық  элементтердің арасындағы әрекеттесулерді жеңуге жұмсалатындығымен байланысты.

Қан – ньютондық емес сұйқтық. Оның ішкі құрылымы – ерітіндегі (плазмадағы) ерітілген элементтердің сұспензиясы. Элементтердің 93% эритроциттер болғанымен, қанды физиологиялық ерітіндегі эритроциттердің суспензиясы деп атауға болады.

Эритроциттердің ерекше сипаттамасы – қандағы ығысу жылдамдықтары төмен болса эритроциттердің агрегаттары құрылады. Бұл агрегаттар ығысу жылдамдығы өскен кезде ыдырайды, сондықтан тиімді тұтқырлық төмендейді.

Агрегаттардың ірі және кішкене тамырлардағы құрылу шарттары әртүрлі. Олар тамырдың, агрегаттың және эритроциттердің диаметрлерінен тәуелді.

1. Ірі тамырлар (қолқа тамыры, артериялар):

Тамыр диаметрі агрегаттың диаметрінен үлкен, ал эритроциттің диаметрінен едәуір үлкен. Бұл жағдайда ығысу жылдамдығының градиенті төмен болады, эритроциттер тиындардан тұратын бағандарға ұқсайтын агрегаттарға жиналады. Бұл жағдайда қанның тұтқырлығы h = 0,005 Па • с.

2. Кішкене тамырлар (кішкене артериялар, артериолалар):

Тамырлардың диаметрі агрегаттың диаметрінен үлкен, ал эритроциттердің диаметрлерінен 5-20 есе рет үлкен. Артериолаларда ығысу жылдамдығының градиенті едәуір көбейеді, сонымен қатар жүйенің тұтқырлығы төмендейді.  Диаметрі 5 эритроциттердің диаметрлеріне тең тамырларда қанның тұтқырлығы ірі тамырлардағы қанның тұтқырлығынан 1,5 есе рет төмен болады.

3. Микротамырлар (капиллярлар):

Микротамырдың диаметрі эритроцит диаметрінен төмен болады.  Тірі тамырларда эритроциттер  оңай деформацияға ұшырайды, олар күмбездің формасын қабылдайды да диаметрі 3 микрометрге тең микрокапиллярлардан бүлінбей  өте алады.

Нәтижесінде эритроциттердің  деформацияланбаған эритроциттермен салыстырғанда капилляр қабырғасымен жанасу беті үлкейіп, алмасу процессеріне  жағдай жасайды. 

Егер 1 және 2 жағдайда эритроциттер деформацияланбайды деп түйетін болсақ жүйе тұтқырлығының өзгеруін сапалы түрде сипаттап жазу үшін (9.2) формуласын қолдануға болады, мұнда  (К )   агрегаттардан тұратын  жүйе үшін және  К ): К Ф К болып келетін  ірі және ұсақ қан тамырларындағы қан тұтқырлығының өзгешелігіне негізделген  жеке эритроциттер жүйесі үшін геометриялық фактор айырмашылғын  ескеруге мүмкіндік болады. Микротамырлардағы процесстерді жазып беру үшін формуласы (9.2) қолданылмайды, себебі бұл жағдайда ортаның біртекті болуы мен бөлшектердің қатты болу талаптары орындалмайды.  Осылайша қанның ішкі құрылымы және  оның тұтқырлығы (9.2) қан тасылатын арнаның бойында ағыс шарттарына сәйкес бірдей болмай шығады.  Қан ньютондық емес сұйық. Қанның тамырлармен ағысы үшін тұтқырлық күшінің жылдамдық градиентіне    тәуелдігі Ньютон формуласына (9.1) бағынбайды және сызықтық емес болып келеді.

Ірі тамырлардағы қан ағысына тән тұтқырлық қалыпты кезде :  h= (4,2 - 6) • Т)^; анемияда h= (2 - 3) hв,  полицитемида h=(15-20) hв. Плазма тұтқырлығы  hпл == 1hв. Су тұтқырлығы  hв. = 0,01 Пуаз .(1 Пуаз = 0,1 Па • с).

Кез келген сұйық сияқты  қан тұтқырлығы да температура көтерілуімен өсіп, температура төмендеуімен азайып отырады. Мысалы температура 37° -тан  17°-ге дейін төмендегенде қан тұтқырлығы 10 %-ға төмендейді..

 

Қан ағысының режимдері.

Қан ағысының режимдерін ламинарлық және турбуленттік деп бөледі.. Ламинарлық ағыс  - бұл сұйықтың реттелген ағысы, сұйық біркелкі қабаттар сияқты ағыс бағытына параллель орын ауыстырады ( 9.2, а сурет). Ламинарлық ағыс үшін жазық, квазипараллель  траекториялар тән. Ламинарлық ағыста түтіктің қимасында жылдамдық парабола заңымен өзгереді:

Мұнда  R – түтік радиусы , Z – осьтен қашықтығы, V0 –ағыстың осьтік (максималь) жылдамдығы .

 Қозғалыс жылдамдығының өсуімен  ламинарлық ағыс   турбуленттік ағысқа айналады. Сұйық қабаттары интенсивті түрде араласып,ағын ішінде көлемі әр түрлі иірімдер пайда блады. Бөлшектер күрделі траекториялы хаосты қозғалыстар жасайды.  Турбуленттік ағыс үшін белгілі уақыт ішінде өте  ретсіз,ағынның әр  нүктесіндегі жылдамдық өзгерісі тән. Кеңістіктің әр нүктесіндегі  жылдамдықтың көп уақытаралығындағы нақты мәндерінің нәтижесінен  орташа есептелген жылдамдық мәні ұғымын енгізуге болады. Бұл ағыс қасиеті айтарлықтай өзгереді. Олар атап айтқанда, ағын құрылымы,жылдамдық профилі,қарсыласу заңы.  Түтіктегі турбуленттік ағыстың орташа жылдамдық профилі ламинарлық ағыс үшін қолданылған параболалық профильден өзгеріп, түтік қабырғасына қарай жылдамдығы тез өсіп,ағыстың орташа тұсында қисықтығы азаяды( 9.2, о  сурет).Түтік қабырғасындағы жіңішке қабатты есептемегеннің өзінде жылдамдық профилі логарифдік заңмен жазылады.    Сұйықтың ағыс режимі  Рейнольдс санымен сипатталады: Re. Дөңгелек түтіктегі сұйық ағысы үшін :

 

 

мұнда V – түтіктің көлденең қимасына перпендикуляр ағыстың орташа жылдамдығы, R түтік радиусы.

 

1. сурет.Ламинарлық ағыс (а) ,турбуленттік ағыс үшін (б) орташа жылдамдықтар профилі.

 

Re»2300 кризистік мәнінен аз болғанда ағыс ламинарлықболады. Ал Re > ReКР ,яғни кризистік мәнінен көп болғанда ағыс турбулентті болады.Ереже бойынша тамырлардағы қан ағысы ламинарлық болып есептеледі.Дегенмен кейбір жағдайларда турбуленттік ағыс пайда болуы мүмкін. Аортадағы турбуленттік ағыс оған кіре берісте пайда болады: ағынның ұйтқуларының нәтижесінде пайда болады, себебі қан жүрек қарыншаларынан аортаға қарай лақтырылады.Бұл құбылыс  доплер-кардиографияда анық байқалады.Тамырлар тармақталған жерде ,сонымен бірге қан ағысының жылдамдығы өскенде ( бұлшық ет жұмысы кезінде) артерияда да турбулентті болуы мүмкін. Турбуленттік ағыс тамыр оңаша  тарылған жерлерде ,мысалы тромб пайда болғанда болуы ықтимал. Турбуленттік ағыс сұйық қозғалысы кезінде қосымша энергия жұмсалуымен байланысты, сондықтан қан ағысы  жүйесінде  жүрекке қосымша күш түсіруі мүмкін.Турбуленттік ағыс кезінде пайда болатын шу ауру диагностикасында пайдаланылуы мүмкін. Жүрек клапандарының бұзыуынан пайда болатын жүрек шулары деп аталатындар қанның турбуленттік ағысынан болады.

Қан айналымының гемодинамикалық көрсеткіштері көбінесе барлық жүрек-қан тамыр жүйесінің биофизикалық параметрлерімен, ең алдымен жүрек қызметінің өзінің сипаттамаларымен (қанның соққы көлемімен), тамырлардың құрылымдық ерекшеліктерімен (олардың радиусы мен созылу қабілетімен) және қанның өзінің қасиеттерімен (тұтқырлықпен) байланысты.

ӘДЕБИЕТТЕР:

1. Көшенов.Б  Медициналық биофизика . Алматы  .2008
2. Владимиров Ю.А. с соавт. Биофизика. М., Медицина, 1983.
3. Костюк П.Г. с соавт. Биофизика. Киев, 1988.
4. Рубин А.Е. Биофизика. 1-2 том. М.,1987.
5. Рубин А.Е. Биофизика: Теоретическая биофизика -1 том. –  М. Книжный дом «Университет», 2000
6. Рубин А.Е. Биофизика: Биофизика клеточных процессов -2 том. –  М. Книжный дом «Университет», 2000