Биофизические основы измерения артериального давления

Цель работы: исследование биофизических основ измерения кровяного давления (АД); корректное измерение АД более распространёнными способами, в том числе, способом Короткова; освоить методику сопоставления характеристик 2-ух выборок способом проверки статистических гипотез.

Оборудование: тонометр, фонендоскоп и др. оборудование для измерения АД; статистические таблицы.

Теория работы

Контроль АД лежит в базе диагностики многих болезней, в том Биофизические основы измерения артериального давления числе и такового распространённого, как артериальная гипертензия (современное заглавие гипертонии), которая встречается у ≈40% взрослого населения. Согласно воззрению профессионалов ВОЗ, обычное систолическое АД должно быть ниже 140 мм рт. ст., а диастолическое - ниже 90 мм рт.ст. независимо от возраста и пола (систематизацию уровней АД см. в таблице 1):

Таблица 1

Категории Систолич. давление Диастолич Биофизические основы измерения артериального давления. давление
Обычное Наименее 130 Наименее 85
Завышенное обычное 130-139 85-89
Артериальная гипертензия
Степень I 140-159 90-99
Степень II 160-179 100-109
Степень III Более 180 Более 110

Уровень давления крови формируется и поддерживается благодаря взаимодействию 2-ух причин: 1) нейрогуморального (регулирующее воздействие мозга на силу и частоту пульса и ширину кровеносных сосудов) и 2) гемодинамического (объём крови в сосудистой системе, сопротивление сосудов, вязкость крови Биофизические основы измерения артериального давления), конкретно определяющего величину АД.

Разглядим некие законы гидродинамики, лежащие в базе гемодина- мического фактора АД.

Левая и правая половины сердца (любая половина состоит из предсердия и желудочка, соединённых меж собой клапанами, - см. рис. 1) сообщаются меж собой через кровяные сосуды, образующие систему поочередно и параллельно соединённых трубок, обеспечивающих неразрывность потока Биофизические основы измерения артериального давления крови.

Сердечко сокращается как единое целое. Фаза сокращения (систола) продолжается приблизительно 0,3 с. Левый желудочек 1, сокращаясь, создаёт лишнее над атмосферным АД и выбрасывает артериальную кровь в аорту 2. Из неё кровь через капилляры 3 попадает во все органы, с возвращением венозной крови в период диастолы (расслабления) в правое предсердие 4 (большой Биофизические основы измерения артериального давления круг кро вообращения). Сразу правый желудочек 5, сокращаясь, выбрасывает кровь в лёгочную артерию 6 под давлением в 5 раз меньше, чем в аорте, т. е. 120/5=24 мм рт. ст., образуя малый круг кровообращения. Сопротивление малого круга меньше, потому довольно давления в 24 мм рт. ст.

Диастола приводит к уменьшению лишнего давления в предсердиях Биофизические основы измерения артериального давления и венах до 0 мм рт. ст., другими словами до атмосферного. В итоге большой круг кровообращения работает за счёт разности давлений 120-0=120 мм рт. ст., а малый 24-0=24 мм рт. ст., что и составляет 20% от мощности огромного круга.

В аорте же давление при диастоле падает не до нуля, а до 80 мм рт. ст., что обеспечивает Биофизические основы измерения артериального давления непрерывное продолжение движения крови по большенному кругу кровообращения.

Итак, движение крови по сосудам обосновано наличием разности давлений сначала и в конце сосудов. Основной предпосылкой, создающей эту разность давлений в сосудах, является работа сердца. Другая причина движения крови по сосудам – это сокращение скелетных мускул (молвят, что мускулы – это «второе сердце»), что Биофизические основы измерения артериального давления приводит к сдавливанию вен, и, благодаря наличию в их клапанов, наблюдается движение крови в большей степени в одну сторону – в сторону сердца. Не считая того, притоку крови к сердечку по венам содействует отрицательное давление в плевральной области.

Работа, выполняемая сердечком, в главном, обоснована левым желудочком (работа правого ≈0,2 от работы Биофизические основы измерения артериального давления левого). Работа, выполняемая левым желудочком Ал, складывается из работы по нагнетанию крови в аорте (статический компонент) и работы по сообщению крови кинетической энергии mv2/2 (кинетический компонент):

Ал=Vу p + mv2/2 (1)

где Vу=60 мл – ударный объём крови, выкидываемый желудочком, v = 0,5 м/с – скорость крови в аорте, p = 16 к Па – среднее Биофизические основы измерения артериального давления давление в аорте. Т.к. m=ρVу, где ρ = 1050 кг/м3 – плотность крови, то работа левого желудочка равна Ал = 0,81 Дж. С учётом правого желудочка работа всего сердца Ас = Ал·1,2 = 1 Дж.

Сосудистая система состоит из поочередно и параллельно соединённых участков, для которых производится условие неразрывности струи: s·v = const, откуда следует, что Биофизические основы измерения артериального давления скорость течения крови в сосуде переменного сечения назад пропорциональна площади этих сечений. Так, площадь сечения аорты в 600-800 раз меньше суммарной площади сечения капилляров – во столько же раз скорость течения в аорте (0,5 м/c) будет больше, чем скорость в капиллярах (0,0003-0,0005 м/с).

Для безупречной воды полная энергия некого Биофизические основы измерения артериального давления объёма V при течении по трубе остаётся постоянной. Полная энергия складывается из возможной энергии давления pV (создаётся наружным источником – насосом), возможной mgh и кинетической mv2/2 энергий:

pV + mgh + mv2/2 = const (2)

Разделив правую и левую часть уравнения (2) на V, получим уравнение Бернулли:

p + ρgh + ρv2/2 = const (3)

Уравнение отлично производится и для реальных Биофизические основы измерения артериального давления жидкостей, внутреннее трение которых невелико. Величина р в (3) именуется статическим давлением, ρgh – гидростатическое давление, ρv2/2 – динамическое давление. Кинетический компонент mv2/2 работы сердца составляет всего несколько процентов от величины общей работы сердца, т. к. сосудистая система обладает значимым сопротивлением, причём около 60-80℅ сопротивления сосудистого русла падает на артериолы и капилляры.

Падение давления в Биофизические основы измерения артериального давления сосуде можно отыскать из уравнения Гагена – Пуазейля:

p0 – p = ∆p = Q·Z, (4)

где ∆p = p0 – p – разность давлений сначала (p0) и в конце (р) сосуда, Z= - гидравлическое сопротивление сосуда с радиусом r и длиной l, Q – объёмная скорость кровотока (объём, протекающий за 1 с через 1 м2 площади сечения). Q Биофизические основы измерения артериального давления можно отыскать из формулы Пуазейля: Q = ∆p·π·r4/8ηl. Тогда, зная объёмную скорость кровотока Q, и величину сопротивления сосудов, можно из (4) отыскать кровеное давление р в хоть какой точке сосудистой системы:

р = p0 - Q·Z, (5)

где p0 – кровеное давление в желудочке, Z – сопротивление сосудов меж желудочком и данной точкой. Из (5) следует Биофизические основы измерения артериального давления принципиальный вывод: величина давления в хоть какой точке сосудистой системы может регулироваться оковём: 1) конфигурации исходного давления p0 в сердечко, 2) конфигурации объёмной скорости кровотока Q, 3) конфигурации сопротивления сосудов Z. Колебания p0 и Q могут происходить в итоге конфигурации режима работы сердца, а конфигурации Z - за счёт конфигурации просвета сосудов Биофизические основы измерения артериального давления.

Течение крови в сосудистой системе в норме имеет ламинарный нрав. При физической нагрузке либо в местах резкого сужения сосудов течение становится турбулентным, сопровождаясь звуковыми явлениями.

Для измерения АД употребляют прямые (конкретные) и непрямые (косвенные) способы (см. таб. 2), посреди которых известны последующие: пальпаторный, аускультативный, осциллометрический, тахоосциллографический и др. Разглядим Биофизические основы измерения артериального давления более распространённые из их.

Прямые способы.

Более четким способом измерения АД является прямой внутриартериальный способ, а эталоном величины АД – кровеное давление в аорте. В хирургической практике прямое измерение давления в полости сердца делается способом катетеризации (рис. 2), т. е. введения через один из больших сосудов узкого зонда, на конце которого находится маленький электроманометр Биофизические основы измерения артериального давления поперечником 1-2 мм. Датчиком в нём служит силиконовое сопротивление, соединённое с мембраной, воспринимающей наружное давление. Катетеризация кровеносных сосудов была в первый раз выполнена в 40-х годах 20 века и с того времени является одним из принципиальных способов получения инфы о работе сердца.

В первый раз АД было измерено английским священником А. Хейлзом Биофизические основы измерения артериального давления в 1733 году: он соединил гибкой трубкой бедренную артерию лошадки с длинноватой вертикальной латунной трубкой с открытым верхним концом. После снятия зажима на соединительной трубке, кровь заполнила латунную трубку и поднялась до высоты 2 м. Давление столба крови в трубке уравновешивалось кровяным давлением и составляло ≈20 кПа (у человека Биофизические основы измерения артериального давления 16 кПа). Уровень крови в трубке колебался с частотой сокращений сердца. Позже в 1834 году Пуазейль для уменьшения высоты поднятия крови приставил ртутный манометр к латунной трубке Хейлза (потому до сего времени АД определяют в мм рт. ст.), а Людвиг, добавив поплавок, изобрёл кимограф, который позволил создавать непрерывную запись кровяного давления.

Косвенные способы.

Бескровный Биофизические основы измерения артериального давления способ измерения АД предложил в 1896 году итальянский доктор С. Рива-Роччи. Способ предугадывает внедрение сфигмоманометра (от греческого sphygmos – импульс, толчок) и манжеты с ртутным манометром для измерения давления в ней. Его пальпаторный способ позволяет с определённой точностью найти только систолическое давление. Также как и в способе Короткова, в манжете Биофизические основы измерения артериального давления, накладываемой на плечо (либо бедро), создаётся давление, превышающее наибольшее давление в лучевой артерии на 20-30 мм рт. ст., – при всем этом пульсация прекращается. Приотворив вентиль, медлительно выпускают воздух из манжеты, отмечая пальпаторно на участке артерии ниже манжеты показания манометра в момент возникновения пульса, что и соответствует систолическому давлению. При предстоящем понижении давления Биофизические основы измерения артериального давления пульс становится всё более отчётливым, но в определённый момент его завышенная интенсивность исчезает и он приобретает обыденные характеристики. В момент последней сильной пульсовой волны манометр покажет величину диастолического АД. Но, диастолическое давление найти этим метом существенно сложнее, а систолическое АД, обычно, на 5-15 мм рт. ст. меньше, чем при Биофизические основы измерения артериального давления аускультативном, потому способ Короткова употребляется везде. Коротков изменил способ Рива-Роччи так, чтоб можно было точно определять и диастолическое давление.

Российский доктор Николай Сергеевич Коротков (1874-1920) был участником русско-японской войны 1905 г. (старший хирург в отделении Красноватого Креста). Следя большие кровопотери в военных действиях, он сообразил значимость наличия резвого и обычного способа Биофизические основы измерения артериального давления контроля АД. 5 ноября 1905 года Коротков выступил с докладом в Императорской военно-медицинской академии (всего 281 слово) о новеньком способе измерения АД, который, благодаря простоте и доступности, сразу захватил всеобщее признание. Во время 1-ой мировой войны продолжил работать доктором, награждён орденом святой Анны за выдающиеся труды в помощи нездоровым и раненым бойцам Биофизические основы измерения артериального давления. Разглядим биофизические базы способа Короткова (рис. 3).

1). Меж плечом и локтем на руку 2 накладывают манжету 1 на уровне сердца – в данном случае давление в артерии 3 совпадёт с давлением крови в наиблежайшей к сердечку части аорты. При всем этом лишнее давление ∆р воздуха в манжете отсутствует (А).

2). При закачивании воздуха в Биофизические основы измерения артериального давления манжету при помощи груши 4 создаётся давление, сдавливающее плечевую артерию. Когда давление в манжете превзойдет систолическое (∆р>120 мм рт. ст. в норме), кровоток прекращается (В). Если рука расслаблена, то давление воздуха снутри манжеты приблизительно равно давлению в мягеньких тканях, соприкасающихся с манжетой (основная физическая мысль способа).

3). Выпуская воздух из манжеты Биофизические основы измерения артериального давления при помощи клапана, уменьшают давление и в мягеньких тканях (С). Когда давление на артерию станет равным систолическому, кровь через неё начнёт проталкиваться. Это сопровождается шумами (тоны Короткова), прослушиваемыми в фонендоскоп, накладываемый на плечевую артерию в области плечевого сгиба. Тоны Короткова обоснованы а) вибрацией стен артерии под действием толчков от порций Биофизические основы измерения артериального давления крови, проталкиваемых через сжатый участок сосуда, что сопровождается образованием слабенькой ударной волны, б) на эти звуки накладываются шумы, вызванные турбулентностью потока крови, проходящей через сужение сосуда. На рисунке 4 ровная линия указывает изменение давление в манжете, а изменение давления в артерии условно показано в виде волны. На участках 1-2, 3-4, 5-6, 7-8, давление в артерии Биофизические основы измерения артериального давления выше, чем в манжете, потому в точках 1,3,5,7,9, где давление в манжете и артерии уравнивается, артерия хлопком расправляется, приводя в колебание окружающие ткани с образованием тонов Короткова. Различают 5 фаз тонов Короткова (см. табл. 3).

4). И, в конце концов, когда давление в манжете станет меньше диастолического (точка 9 на рис. 4), артерия Биофизические основы измерения артериального давления совсем расправляется, кровоток прерываться перестаёт, шумы прекращаются. Исчезновение последнего тона соответствует ДАД.

Таблица 3

I Возникновение слабеньких звуков, которые по мере сдувания манжеты становятся боле чёткими и насыщенными. 1-ый из, по последней мере, 2-ух поочередных звуков соответствует САД (систолическому АД).
II К тонам присоединяются звуки с шуршащим цветом.
III Тоны становятся более чёткими Биофизические основы измерения артериального давления и насыщенными, с хрустящим цветом.
IV Резкое приглушение тонов, которые становятся глухими, дующими.
V Исчезновение последнего тона, что соответствует ДАД (диастолическому АД).

Осциллометрический способ, предложенный в 1876 году Е. Марей, подразумевает помещение конечности человека в особое устройство (аква плетизмограф), создающее регулируемое давление на конечность и сразу регистрирующее маленькие пульсации объёма Биофизические основы измерения артериального давления конечности. Потом от плетизмографа отказались в пользу обыкновенной манжеты, соединившей внутри себя устройство для сотворения давления и датчик пульсаций артерии. При выпуске воздуха из манжеты то давление в манжете, при котором пульсации начинают резко расти, соответствует систолическому, а когда пульсации резко понижаются – диастолическому давлению. Пульсовые конфигурации кровяного давления в Биофизические основы измерения артериального давления артериях под манжетой приводят к маленьким осцилляциям давления в той же манжете, что отражается на колебаниях уровня ртути в манометре. В 1976 году был выпущен 1-ый автоматический измеритель АД, основанный на осциллометрическом способе: падение давления в манжете происходит ступенчато на 6-8 мм рт. ст. и на каждой ступени анализируется Биофизические основы измерения артериального давления амплитуда микропульсаций давления в манжете от артерий. В текущее время измерители АД на базе осциллометрического способа составляют ≈ 80% всех автоматических и автоматических аппаратов для измерения АД (в том числе и для измерений АД с манжетой на запястье).

Циклические способы измерения АД являются более точными, но время измерения составляет 2-3 минутки. Способ основан на непрерывной оценке Биофизические основы измерения артериального давления объёма артериальных сосудов пальца способом фотоплетизмографии. В манжете, обвивающей палец, при помощи электропневмосистемы ЭПС, управляемой фотодатчиком Ф, поддерживается давление, противодействующее растяжению проходящих под манжетой артериальных сосудов. Как следует, при поддержании всепостоянства поперечника пальцевых артерий, поддерживается и сохранение близкого к нулю растягивающего давления в артериях. В данном случае Биофизические основы измерения артериального давления давление в манжете повторяет кровеное давление в артериях пальца. В конечном итоге устройство регистрирует долгое время весь график АД неинвазивным способом.

Определение АД способом тонометриив первый раз описано в 1963 году и подразумевает частичное сдавливание поверхностно залегающих артерий конечности (к примеру, на запястье) и регистрацию при помощи интегрированных в Биофизические основы измерения артериального давления окклюзионный браслет тензодатчиков бокового давления, передаваемого на их через стену сосуда. В базе работы тензодатчика лежит явление тензоэффекта, состоящее в изменении сопротивления проводников (к примеру, узкой проволоки, наклеенной на бумагу) при их механической деформации.

Мысль исследования движения артериальных стен с мощью ультразвука (УЗ) принадлежит Веа и осуществлена Кардон (1971 г.). в фазометрическом способе. Под Биофизические основы измерения артериального давления манжету на поверхность конечности накладывается излучатель УЗ и приёмник УЗ. Передвигающаяся артериальная стена отражает УЗ и отражённый сигнал будет другой частоты относительно начального сигнала (эффект Доплера): ∆ν = 2ν v/c, где ∆ν – сдвиг частоты биений, лежащий в слышимом спектре частот ν – частота генератора (ν = 8 МГц), v – скорость движения стены артерии, с – скорость Биофизические основы измерения артериального давления звука в ткани. Как давление в манжете становится меньше систолического (см. точку 1 на рис. 4 ) слышится маленький щелчок открытия артерии, а потом - щелчок закрытия артерии (см. точку 2 на рис. 4 ). При предстоящем уменьшении давления интервал времени меж обоими щелчками становится всё больше, пока щелчок закрытия не совпадёт с щелчком открытия. Их совпадение Биофизические основы измерения артериального давления значит, что давление в манжете равно диастолическому. Погрешность способа составляет 2-4 мм рт. ст..

АД даже у здорового человека не является размеренным и находится в зависимости от времени суток, состояния покоя либо бодрствования, физической, интеллектуальной нагрузки, чувственного состояния (рис. 8). К примеру, у значимой части пациентов при посещении доктора появляется парадокс Биофизические основы измерения артериального давления «белого халата» - увеличение АД на 30-40 мм рт. ст. в сопоставлении с домашними измерениями. Потому долгое мониторирование АД (к примеру, в течение суток через каждые 0,5 часа) позволяет выявить закономерности дневных колебаний и открывает дополнительные диагностические и целительные способности.


bilini-doklad.html
bill-brewster-frank-broughton-stranica-15.html
bill-brewster-frank-broughton-stranica-20.html