Современные взгляды на биомеханику кровообращения

К. Бутова:

Здравствуйте, дорогие друзья, в эфире канал Медиадоктор, программа «Сосудистая хирургия». В студии Ксения Бутова. Сегодня мы поговорим о современных взглядах на биомеханику кровообращения, узнаем, как движется кровь по сосудам, и в этом нам поможет наш эксперт, кандидат медицинских наук, сердечно-сосудистой хирург Марк Алексеевич Соборов. Здравствуйте, Марк. 

М. Соборов:

Здравствуйте. 

К. Бутова:

Рада приветствовать Вас в нашей студии. Давайте сразу поговорим, что же такое гемодинамика. 

М. Соборов:

Два латинских слова – «гемо» и «динамика». Гемо – это кровь, а динамика – это движение. Если по-русски говорить, то это движение крови. Кровь движется не просто в каком-то неопределенном пространстве, кровь движется по сердечно-сосудистой системе, а сердечно-сосудистая система – это интегральное понятие, и ее составляет достаточно большое количество различных структур. Это сердце, конечно, это сосуды, которые делятся на вены, капилляры, микрососудистое русло, затем есть большие вены. Сердце тоже имеет много разных разделов. Мы сейчас будем говорить о том, как движется кровь во всей этой структуре, то есть во всей сердечно-сосудистой системе. Особенное внимание мы уделим двум компонентам этой системы. Один из них – это сердце и другое – это аорта. 

К. Бутова:

Какие факторы приводят в движение кровь по сосудам?

М. Соборов:

Очень много различных факторов. Мы живем на планете Земля. На все тела, которые находятся на планете, действуют различные силы, они действуют как на одушевленные предметы, так на неодушевленные, непосредственно на человека и его сердечно-сосудистую систему. И они являются факторами движения крови. Первый из них, который можно назвать, это давление атмосферы Земли. Что такое атмосферное давление? Иными словами, атмосферное давление – давление столба воздуха на единицу площади. Это первый фактор, который является пусковым, который приводит кровь в движение. Следующий фактор – это сила гравитации планеты. В данном случае это наша Земля. Помимо этого, еще существует гидростатическое давление – это давление водного столба или столба жидкости на единицу площади. Говоря о притяжении планеты, я еще не назвал один очень важный фактор – это ускорение свободного падения, то есть это сила, которая создается за счет вращения как раз планеты. В нашем случае для планеты Земля она равна 9,8. 

К. Бутова:

Как много факторов, которые приводят кровь в движение.

М. Соборов:

Это факторы, которые являются статическими. Но главный фактор, который заставляет двигаться кровь по сосудам, это не один из тех, которые я перечислил, а давление, которое создается сердцем. 

Дело в том, что если давление это будет статическим, и оно будет одинаковым во всех абсолютно компонентах сердечно-сосудистой системы, то, естественно, кровь двигаться по сосудам не будет. Обязательно должна быть разница давлений в различных участках сердечно-сосудистой системы. Очень много факторов действует на кровь, вообще, на сердечно-сосудистую систему, в частности, на стенку сосуда на кровь извне. Давление внутри сосуда и внешнее давление – эти внешние факторы, которые находятся вне сосуда, мы их вычитаем. У нас остается только давление, которое находится внутри сосуда. Вот это давление приблизительно внутрисосудистое давление. По-другому мы еще его называем артериальным. Это давление еще можно назвать трансмуральным, то есть давление, которое находится между стенок. Его можно назвать артериальным давлением, то, что мы привыкли измерять.

Измеряется оно в миллиметрах ртутного столба. Рива-Роччи придумал аппарат, которым измеряют это давление, все его знают прекрасно, называется он тонометр Рива-Роччи. Имеется давление, которое возникает сразу после выброса крови, это систолическое давление. Давление, которое возникает после того, как аортальный клапан закроется, это будет диастолическое давление.

Но мы сейчас говорим о среднем давлении. Среднее давление около 100 мм ртутного столба. Вот это давление существует внутри сосудов, трансмуральное. Но если касаться движения крови, то кровь движется в результате разности давлений. Основным механизмом, который эту разность создает, является сердце. Именно сердечный толчок запускает движение крови. Но для чего вообще нужно, чтобы кровь двигалась по сосудам? Дело в том, что происходит обмен, то есть организм наш существует за счет того, что происходит обмен организма с окружающей средой. Обмен это происходит за счет того, что выделяется определенное количество энергии. Для того, чтобы эта энергия выделялась, нужен кислород, кислород переносит кровь. Доставка крови ко всем имеющимся сердечно-сосудистым бассейнам и является главным фактором и главной задачей сердечно-сосудистой системы и, в частности, сердца. Поэтому кровь должна обогатиться кислородом и двигаться к тканям, чтобы его там отдать. Как мы уже сказали, в движение кровь приводит сердце.

Кровь движется в результате разности давлений. Основным механизмом, который эту разность создает, является сердце. Именно сердечный толчок запускает движение крови.

Толчок, который создает сердце, создается его отделом, который называется левый желудочек. Дело в том, что коэффициент полезного действия сердца очень невысокий, на толчок сердце тратит всего 40 % своей работы. Остальные 60 % тратятся на то, чтобы поддержать форму сердца, его тонус и электролитный баланс, энергетический баланс. Поэтому эта работа сердца должна быть чрезвычайно эффективна.

Раньше считалось, что если сердце толкнуло кровь, то сокращение произошло сразу, одномоментно, левый желудочек имеет полость конуса, и по всему этому конусу одновременно произошло сокращение. Но по современным представлениям оказалось, что это совершенно не так. Для того, чтобы была эффективность потока, нужно, чтобы поток в сердце был, прежде всего, закрученный, скажем так, не ламинарный. Как это достигается? Достигается это следующим образом. Дело в том, что для того, чтобы кровь поступала в левый желудочек, существует такой отдел, который называется левое предсердие. В левое предсердие впадают 4 сосуда, они называются легочные вены, которые приносят туда обогащенную кислородом кровь из легких. И все эти легочные вены входят в сердце не под прямым углом, а под острыми, под различными углами. И когда уже кровь попадает в левое предсердие, уже поток закручивается. Далее открывается митральный клапан – это клапан, который находится между левым предсердием и желудочком сердца. И вот этот закрученный поток попадает внутрь левого желудочка. Наступает так называемая фаза изотонического расслабления, то есть сердце расслабляется. Оно приобретает шарообразную форму. При этом поток попадает в полость левого желудочка, там уже есть часть остаточного потока, процентов от 40 до 20 % крови. И эти два потока сливаются, дальше кровь поднимается вверх и закрывает створки клапана, через которые она туда попала, то есть через митральный клапан. Желудочек постепенно становится шарообразным, а потом происходит его сокращение. 

К. Бутова:

Давайте поговорим о таком факторе, как вязкость крови, как она влияет на движение?

М. Соборов:

Может быть, нам следует начать не с вязкости, а с подразделения сердечно-сосудистой системы?

К. Бутова:

Давайте тогда с подразделения и потом коснемся вязкости. 

М. Соборов:

Да, потому что все, о чем мы сказали, о чем мы сейчас говорили, это инерционные силы, то есть сердце создает инерцию крови, которая уже начинает двигаться. А именно вязкость – это тот механизм, за счет которого кровь движется только в одном отделе сердечно-сосудистой системы – микроциркуляторном русле. Вязкость по-другому можно назвать неоднородностью свойства и состава крови. За счет этого происходит само движение крови.

Вязкость – это тот механизм, за счет которого кровь движется только в одном отделе сердечно-сосудистой системы – микроциркуляторном русле. Вязкость по-другому можно назвать неоднородностью свойства и состава крови. За счет этого происходит само движение крови.

Возвращаемся к подразделению сердечно-сосудистой системы на различные отделы. Мы уже сказали про левый желудочек, есть еще правый желудочек, левое, правое предсердие. Желудочки сердца создают инерцию, они создают толчок крови. Аорта имеет две функции: это, прежде всего, проведение крови и доставка, в зависимости от потребности, к различным сосудистым бассейнам. Следующий отдел – артериолы, это сосуды более мелкого диаметра. По этим сосудам происходит распределение крови внутри отдела сердечно-сосудистой системы, внутри сосудистого бассейна. Например, печень мы можем назвать, нижние конечности. Помимо отделов непосредственно самого тела человека, каждый из этих отделов имеет свое отдельное кровоснабжение, в котором происходит регуляция потока крови и обменных процессов. Артериолы осуществляют распределение крови внутри такого отдела.

Далее идет микрососудистое русло, то есть это капиллярчик. На уровне от этого капилляра уже давление не действует в такой степени, начинаются процессы за счет движения, за счет вязкости крови, за счет неоднородности. Можно представить себе какой-то водоем или лучше море, сверху греет солнышко, снизу идет холодный поток, сбоку течение, и начинают слои перемешиваться. Вот, собственно говоря, это те силы, которые заставляют кровь двигаться по микроциркуляторному руслу.

Дальше идет венозная система. Венозная система – это резервуар крови, достаточно большое количество, 14-15 % находится в депо от циркуляторного русла, и при необходимости эта кровь высвобождается и поступает по большим крупным венам непосредственно в предсердие. После этого, в нашем случае это правое предсердие, она идет в правый желудочек, из правого желудочка обогащается в легких кислородом и уже дальше попадает по легочным венам в левое предсердие.

Теперь мы возвращаемся к тому процессу, о котором мы говорили. Попадает в левое предсердие, происходит закручивание потока, и закрученный поток поступает в область левого желудочка, фаза изотонического расслабления, фаза диастолы, расслабляется левый желудочек, заполняется кровью, закрывается митральный клапан, через который кровь проникла из левого предсердия. Далее желудочек превращается в такую сферу, происходит сокращение желудочка. При этом открывается аортальный клапан, и кровь в виде закрученного потока выходит из левого желудочка непосредственно в аорту. Как мы уже с Вами сказали, левому желудочку нужно работать чрезвычайно эффективно. И раньше мы действительно считали, что все его слои одновременно сокращаются, в аорту выделяется кровь. Причем все частицы крови текут с одинаковой скоростью, это называется ламинарном потоком. Оказывается, что это не вполне так, поскольку левый желудочек имеет не совсем такую структуру.

В 1993-м году итальянский доктор Торент предложил немножко другую структуру желудочка сердца. То есть если отсечь предсердие, то правый и левый желудочек можно развернуть в одну ленту, я имею в виду миокард правого и левого желудочка. Одна треть – это миокард правого желудочка и две трети – это миокард левого желудочка. Миокард левого желудочка имеет четыре слоя: два прямых, правый и левый, затем два косых, нисходящий и восходящий косые слои. Закручено это все в виде кулечка, как раньше продавали ягоды или семечки. Идет возбуждение, а затем сокращение миокарда, уже мышцы левого желудочка, сначала идет сверху-вниз. Сокращается только немножечко, наружные слои левого желудочка. Потом, наоборот, снизу-вверх уже внутренние слои. И там задействуются все структуры, которые относятся к митральному клапану, то есть и папиллярные мышцы, и хорды, и створки. И кровь в виде такого закрученного потока выходит и попадает в аорту. Это то, что касается самого сокращения сердца. 

К. Бутова:

Это Вы нам сейчас озвучили современные взгляды на левый желудочек. Это уже новейшие, получается. 

М. Соборов:

Да, сейчас более современные взгляды. Раньше как изучали кровообращение? Либо на экспериментальных моделях, на животных, либо теоретически, либо строили механические аппараты, которые воспроизводили отделы сердечно-сосудистой системы. И на основании данных измерений приборов и расчета формул делались предположения о том, что на этом участке кровь вот так должна двигаться. 

Сейчас у нас существуют другие методики: мультиспиральная компьютерная томография, магнитная резонансная томография с очень высоким разрешением, эхокардиографические, звуковые методики, допплерографические, цветные, которые демонстрируют структуру самого потока, который находится в аорте. И вот эти методики позволяют эти потоки у живого человека сделать в трехмерном пространстве, сопрячь их со временем, то есть сопоставить с временными фазами, сделать массу картинок. И эти цветные красивые картинки нам демонстрируют, как у живого, здорового человека в реальности может двигаться кровь. 

К. Бутова:

Марк Алексеевич, про сердце мы поговорили, давайте поговорим про аорту. Какие особенности гемодинамики по аорте?

М. Соборов:

Произошло сокращение левого желудочка. В аорте уже у нас поток крови, то есть стоит столб крови в аорте. И, как раньше описывали исследователи, такое впечатление, что этот толчок был как будто по какой-то наполненной структуре, как по мешку ударили молотком. В результате произошла вот такая инерция.

Чтобы оценить гемодинамику, нам нужно оценить то, как работает стенка аорты и то, как движется сама жидкость, то есть кровь внутри этих стенок аорты.

Как только произошел выброс крови внутрь аорты, возникла волна, она идет по жидкости и непосредственно идет по стенке аорты. Плотность у этих двух структур разная. Стенка аорты плотнее, волна крови менее плотная, поэтому по стенке аорты волна распространяется быстрее. Что происходит: особенность стенки аорты в том, что это сосуд эластичного типа, то есть там одним из компонентов стенки является белок, который является эластином, и он очень эластичен, сильно растягивается. Как только туда попала порция крови, произошло растяжение стенки аорты. Стенка растянулась, потом произошло сокращение стенки, и произошел выброс. Но инерционные силы приводят к тому, что стенка проскакивает равновесное положение, и все это на протяжении всей аорты, практически всей артериальной системы.

Особенность стенки аорты в том, что это сосуд эластичного типа, то есть там одним из компонентов стенки является белок, который является эластином, и он очень эластичен, сильно растягивается.

Как только произошло сокращение, стенка проскакивает равновесное положение, и начинается колебательное движение стенки. Соответственно, по аорте идет волна давления. Амплитуда и скорость волны, я имею в виду крови, давления, по мере приближения к окончанию аорты уменьшается. Но давление при этом нарастает. Почему? За счет того, что плотность аорты, плотность самой стенки постепенно увеличивается, в нижних отделах уже будет преобладать другой белок, который называется коллаген. За счет этого плотность увеличивается, давление внутри аорты тоже увеличивается, а скорость волны уменьшается. Но при этом колебания, наоборот, увеличиваются, потому что по мере приближения к дистальному концу аорты плотность стенки увеличилась.

Свойства аортальной стенки могут меняться за счет того, что, во-первых, могут быть какие-то заболевания. Во-вторых, из-за того, что от аорты отходят ветви, и из-за этого меняется это соотношение. На эту систему еще действует закон Лапласа, который регулирует соотношение между твердым телом и жидкостью. Поэтому если радиус сосуда и давление внутри него возрастают, то, соответственно, плотность, напряжение самой стенки должно увеличиваться непропорционально. И напряжение самой стенки должно увеличиваться гораздо больше, то есть ее растяжение. Тогда только в данном случае будет равновесие. Если равновесия между этой системой не будет, то может произойти катастрофа.

Помимо этого, есть еще другая особенность, это нелинейность потока, нелинейности движения крови. Что это такое? Это когда вершина волны движется быстрее, чем ее основание. Сердце же выбрасывает, идет волна, и основание может догнать вершину. Этот феномен наблюдается повсеместно. Все мы бывали на море и видели, как волны бьются о берег. При этом выделяется большое количество пены. Но когда вершина догоняет основание, происходит выделение энергии. Если этот процесс происходит медленно, и энергия рассеивания и амплитуда волны не очень большая, то рассеивание энергии постепенно, оно незаметно. Но если амплитуда волн большая, как при некоторых заболеваниях, например, при аортальной недостаточности очень большой выброс из левого желудочка, либо свойства стенки недостаточны, она не плотная, не соответствует нормальным показателям, растяжимость высокая, то в данном случае выделяется очень большое количество энергии. И это может провести к разрыву аорты. 

К. Бутова:

Давайте поговорим про отражение волн. 

М. Соборов:

Этот феномен тоже важен, потому что это то, о чем мы сейчас говорим. Эти представления были разработаны на основании экспериментальных методик либо с животными, либо аппаратных, механических. Феномен отражения тоже был открыт на основании этих методик.

Можно представить любой сосуд в виде трубки. У трубки есть ветвления, она может делиться на 2, может быть просто закрытой трубкой, может быть полностью открытой. Аорта – это тоже трубка, она тоже имеет ветвление, и от этих ветвлений происходит отражение. Часть потока крови продолжает двигаться по всем этим ответвлениям, при этом количество крови, которая поступила, должно быть одинаково с тем объемом крови, который поступил туда из общего ствола. И часть крови обратно отражается, волна начинает идти обратно. Если диаметр этих сосудов большой и превышает диаметр аорты, то это отражение, как от открытого конца.

Например, это дуга аорты и отходящие от нее сосуды. Если сложить диаметр трех сосудов, которые отходят от дуги аорты, то он существенно превышает диаметр самой дуги аорты. Поэтому отражение минимально, обратная волна, которая поступает в аорту в результате и подходит уже непосредственно к створкам аортального клапана, не имеет большой силы, и это отражение называется отрицательным отражением. То есть это как отражение от открытого конца.

Наоборот, если диаметр сосудов небольшой, как на уровне бифуркации аорты, ее разделения внизу, в брюшной полости, там на 20 % диаметр сосудов меньше, чем диаметр самой аорты, то отражение достаточно мощное, и кровь, отражаясь, опять поднимается вверх по сосуду. Вот это отражение называется положительным отражением. И эти феномены определяют движение крови по аорте. В 80-х годах было открыто, что поток там неоднородный, что там имеется несколько потоков, один идет вниз – он называется антеградный, другой идет обратно – ретроградный. 

Если сложить диаметр трех сосудов, которые отходят от дуги аорты, то он существенно превышает диаметр самой дуги аорты.

К. Бутова:

Еще хотелось бы узнать, в чем заключается опровержение теории ламинарного движение крови. 

М. Соборов:

Благодаря тому, что эти потоки были открыты, стало понятно, что кровь движется не по совсем классическим законам физики. То есть мы говорили, что обязательно должна быть разница давлений, градиент, и кровь должна двигаться от области с большим давлением в область с меньшим давлением. Это не происходит на практике. Мы уже сказали, что в сосудах, допустим, на 10-20 мм нижних конечностей давление выше, чем в аорте, например, в восходящих отделах аорты и что существуют такие обратные потоки, то есть феномен отражения.

Потом было выявлено при исследованиях, что аорта имеет три слоя: интима, медиа, адвентиция. И клетки, которые составляют интиму, расположены неровно, по спирали. В экспериментах было тоже доказано, что они располагаются в соответствии с движением потока крови. Затем было доказано, что если в сердце есть сосуды Виллизиева круга, которые непосредственно внутри самой полости левого желудочка, через которые кровь проникает в толщу миокарда, из полости левого желудочка, то в аорте таких сосудов нет, и кровоснабжение аорты происходит снаружи. Сосуды называются Vasa Vasorum, и проходят они снаружи, из адвентиции, и доходят примерно до одной трети, в некоторых случаях двух третей толщины аорты, до медии. Переноса массы жидкости, массы потока, то есть переноса протока горизонтального в аорте нет, есть только вертикальный поток. Это тоже было доказано. То есть нет боковых потоков в аорте, и она не снабжается кровью. Это основные факторы, которые и заставили ученых задуматься: а какой же, на самом деле, поток в аорте.

Было много предположений. Еще академик Бакулев, Бурковский выдвигали версию о том, что поток в аорте не ламинарный, а закрученный. Но это были гипотезы, скорее, и они не были доказаны. И где-то в середине 80-х годов отечественный ученый Владимир Николаевич Захаров предложил теорию распределенного сердца. Что это за теория? Он на основании анализа различных биологических структур пришел к выводу, что, например, в стеблях растений движение жидкости происходит по спирали. Он предположил, что то же самое может происходить внутри человеческого организма, в частности, в аорте.

Как это происходит? Он описал это так, что при сокращении левого желудочка сохраняется кинетическая энергия, и кровь поступает в аорту. Стенка аорты состоит из трех слоев, пятый раз мы с Вами уже это повторяем: интима внутренняя, к которой кровь прилежит, адвентиция наружняя, между ними находится медиа. В медии имеется эластический каркас и гладкомышечные волокна. Эти волокна приплетены к эластическому каркасу и производят движение. Происходит сокращение и расширение этого сосуда, участвуют в этом процессе активно вот эти волокна. Захаров предположил, что сердце задает им ритм, и они синхронно с движением, с сокращением левого желудочка тоже сокращаются, и тоже винтообразно. Это придает потоку закрученность. Таким образом он посчитал, что поток в аорте является центростремительным, закрученным, и скорость потока самая высокая в его центре, то есть посередине аорты. А поскольку нет параллельного переноса массы, поток очень энергетически эффективный. 

Поток в аорте является центростремительным, закрученным, и скорость потока самая высокая в его центре, то есть посередине аорты. А поскольку нет параллельного переноса массы, поток очень энергетически эффективный. 

К. Бутова:

Давайте поговорим еще о компьютерном моделировании на основе УЗИ и МРТ. 

М. Соборов:

Учитывая все эти данные, эта теория, о которой мы сейчас говорили, была на Западе воспринята. И тогда предложили создать компьютерные программы, на основании которых можно было бы моделировать движение жидкости в той или иной структуре. На основании этих компьютерных цифровых моделей было высказано предположение о том, что поток в аорте закрученный, идет движение потока по малой кривизне аорты, потому что это наиболее энергетически эффективно. Далее винтообразный, закручен он по часовой стрелке, доходит до уровня дуги, до уровня окончания дуги аорты и перехода ее в грудной отдел. Поворачивает обратно, движение наступает против часовой стрелки, далее происходит кровоснабжение вот этих ветвей, то есть кровь поступает в ветви, там тоже поток закрученный. И далее обратная часть потока, в том числе отраженного, о котором мы с Вами тоже говорили, идет обратно в аорту. Вот эта масса крови закручивается в синусах Вальсальвы, и уже непосредственно этот закрученный поток поступает в коронарные артерии. Но это было только предположение, была компьютерная модель, и оно не было доказано. Не было подтверждено данными непосредственно на живых моделях. 

К. Бутова:

Хотелось бы поговорить о формировании патологии аорты. Какая патология может сформироваться в данном сосуде?

М. Соборов:

На основании современных методик, МРТ и методов ультразвукового исследования, допплерографии было доказано, что действительно поток в аорте закрученный. На формирование патологии оказывают влияние три фактора: это стенка сосуда, это геометрия самого русла и структура, то есть динамика потока. В любом случае, страдают не два наружных слоя аорты, а страдает средний слой. Если есть поражение среднего слоя, значит формируется патология.

Если мы берем врожденные дегенеративные процессы, дисплазии соединительной ткани, наиболее частые причины поражения аорты, то там происходит разряжение соединительной ткани, она теряет свои физические свойства, в результате формируется ее расслоение. Если мы возьмем, например, атеросклероз, то возникает отложение жировых, атеросклеротических масс под интимальным слоем, но в последующем в этот процесс вовлекается средний слой. И вот тогда, когда в этот процесс действительно вовлечен средний слой аорты, когда там происходит разделение фрагментации мышечных эластических структур, наступает потеря физических свойств.

Стенка – это единая структура аорты. Она одна интегральная структура, она выполняет одну функцию. Как только произошли нарушения ее структуры, какой-то разлад в самих этих компонентах, сразу же происходит разделение ее на слои. И вот когда происходит разделение на слои вследствие этих двух наиболее частых патологических процессов, которые случаются в организме, вот тогда может произойти и отслойка интимы, а потом, когда используется феномен схлопывания и разрыва аорты, то есть разрыв интимы. 

К. Бутова:

Спасибо, Марк Алексеевич. Сегодня у нас была очень сложная, но очень интересная тема про гемодинамику кровообращения. В студии Ксения Бутова, наш гость Марк Соборов, кандидат медицинских наук, сердечно-сосудистой хирург. До свидания.