Přednášky z lékařské biofyziky Masarykova univerzita v Brně Biofyzika kardio-vaskulárního a respiračního systému Předpoklady Mechanické vlastnosti kardiovaskulárního systému Uzavřený oběhový a transportní systém * Hlavní části: O/ Srdeční sval O/ Uzavřený systém cév O/ Krev * Hlavní funkce: O/ Dodávání výživy a kyslíku buňkám, O/ Transport hormonů a jiných chemických signálů, O/ Odstraňování odpadních a vedlejších produktů z buněk (tkání) O/ Přenos tepla Mechanické vlastnosti cév Pružníkové a muskulární cévy Reynoldsovo číslo * Proudění krve: laminární * turbulentní * Reynolds (1883) * Reynoldsovo číslo: * (r -- hustota kapaliny, v[s] -- střední rychlost toku, r -- poloměr cévy, h -- koeficient dynamické viskozity) * Kritická rychlost: Teoretický a skutečný rychlostní profil toku krve v cévě Průtok krve v cévě s překážkou Tlak v jednotlivých částech krevního oběhu Periferní odpor cév * Analogie elektrického odporu ( R = U/I ) * napětí U odpovídá tlak p * proudu I odpovídá průtočný objem Q * R = Dp/Q * Vycházíme z Hagen-Poiseuilleova vzorce pro průtočný objem: Periferní odpor cév * Podíl jednotlivých úseků krevního oběhu na celkovém periferním odporu: O/ artérie ......... 66 % O/ (z toho arterioly 40 %) O/ kapiláry ........ 27 % O/ vény ............. 7 % * Při vasodilataci R klesá - zátěž srdce se snižuje * Při vasokonstrikci R roste - zátěž srdce se zvyšuje Mechanický výkon srdce Práce srdce při jedné systole (odhad) * p = konst. TH W = p.DV * Levá komora Pravá komora p[stř.] = 13.3 kPa p[stř.] = 2.7 kPa DV = 70 ml DV = 70 ml W = 0.93 J W = 0,19 J * Z toho W[k] : = 0.009 J = 0,0018 J (dle vzorce 1/2.rv^2DV, r = 1.06 x 10^3 kg.m^-3, v[stř.] = 0.3 m.s^-1, resp. 0.22 m.s^-1) Filtrační pochody v kapilární kličce !!!!!!!!!!!!! Práce ledvin a glomerulární ultrafiltrace * Osmotická práce potřebná pro přenesení látky z prostředí o koncentraci C[2] do prostředí o koncentraci C[1]. Jedná se o přenos tělu potřebných látek z primární moči zpět do krve. W = 2,3 n.R.T.logC[1]/C[2 ]* Glomerulární ultrafiltrace: Hydrostatický tlak v glomerulárních kapilárách je asi 6,6 kPa (50 mm Hg). Proti tomuto tlaku působí hydrostatický tlak v Bowmanově pouzdře - 1,3 kPa (10 mm Hg) a onkotický tlak plasmatických bílkovin - 3,3 kPa (25 mm Hg), takže výsledný filtrační tlak v glomerulu je za normálních okolností 2 kPa (15 mm Hg). Glomerulus http://coe.fgcu.edu/faculty/greenep/kidney/Glomerulus.html Ventilační pohyby * Účastní se především mezižeberní svaly a bránice * dýchání hrudní (převažuje u žen) a břišní (převažuje u mužů) Difuze O[2] a CO[2] v plazmě Výměna dýchacích plynů Změny negativního nitrohrudního tlaku během dýchání Dechové objemy a kapacity O/ vzduch v dýchacích trubicích - mrtvý prostor - 150 ml O/ reziduální objem vzduchu v alveolech - RO - 1 l O/ exspirační rezervní objem - ERO - 1,5 l O/ (klidový) dechový objem - DO - 0,5 l O/ inspirační rezervní objem - IRO - 2,5 l O/ vitální kapacita VK = ERO + DO + IRO O/ funkční reziduální kapacita FRK = RO + ERO O/ Mírou ventilace plic je minutový objem MO = DO.f Pneumothorax Dýchací odpory * Elastický odpor plic a hrudníku - dán napětím elastických vláken v plicní tkáni, podobný vliv má povrchové napětí alveolů. * Neelastický odpor tkání (též tkáňový viskózní odpor). Vzniká třením plicní tkáně, hrudníku, dýchacích svalů a orgánů dutiny hrudní. * Proudový odpor dýchacích cest - komplex odporů, které kladou vzdušnému proudu dýchací cesty - viskozita, turbulence. Dýchací práce * při překonávání souhrnu dýchacích odporů platí: W = p.DV p je rozdíl tlaku nitrohrudního a nitroplicního Výpočty dýchací práce při klidovém dýchání: minutový objem MO = 7 l dechová frekvence DF = 14 min^-1 tlak p: 0,7 kPa dechový objem V : 0,5 l (5.10^-4 m^3) práce W = 0,35 J - pro jeden vdech 294 J - za 1 hodinu při velké zátěži: MO = 200 l DF 100 min^-1 p = 0,7 kPa V = 2 l (2.10^-3 m^3) W = 1,4 J - pro jeden vdech 8400 J - za 1 hodinu Měření dechových objemů - spirografie Spirogram Další biofyzikální aspekty dýchání * Projevy fyzikálních vlastností plic v některých oblastech diagnostiky a terapie: O/ největší plocha kontaktu s vnějším prostředím O/ možnost ovlivnění funkcí organismu prostřednictvím dýchání (hyperventilace) O/ rušivý vliv dýchacích pohybů na diagnostické obrazy O/ negativní kontrast při rtg. vyšetřeních O/ rizika v UZ diagnostice a při litoripsi Good appetite!