Moduł 12, MEDYCYNA, Fizjologia z biochemią
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Biofizyka układu krążenia człowieka
Biofizyka układu krążenia człowieka
1. Biofizyczne podstawy funkcjonowania układu krążenia człowieka
2. Elektryczna i magnetyczna aktywność serca
3. Wykorzystanie zjawisk biofizycznych do diagnostyki serca i układu krążenia
3.1. Elektrokardiograficzne podstawy diagnostyki serca
3.2. Wykorzystanie zjawiska echa i zjawiska Dopplera w diagnostyce serca i układu krążenia
Literatura podstawowa
Literatura dodatkowa
Bibliografia
1
Biofizyka układu krążenia człowieka
1. Biofizyczne podstawy funkcjonowania
układu krążenia człowieka
Krew wypełniająca łożysko krwionośne stanowi tkankę płynną, odgraniczoną od innych
tkanek organizmu co najmniej jedną warstwą komórek, którą tworzą komórki śródbłonka
naczyniowego.
Całkowita objętość krwi (TBV —
Total Blood Volume
) wypełniająca łożysko krwionośne
stanowi od 1/20 do 1/13 masy ciała. Krew w układzie krążenia rozprowadza przede
wszystkim w organizmie człowieka gazy oddechowe — tlen i dwutlenek węgla — zarówno
w postaci roztworu fizjologicznego, jak i w postaci związków chemicznych. Krew
dostarcza substancji odżywczych od organów, w których są one wchłaniane lub
magazynowane, do miejsc ich wykorzystania. Wytwarzane tam produkty przemiany
materii rozprowadza po kolei do organów lub do układów, w których następuje ich dalsze
wykorzystanie. Krew pozwala także transportować nośniki informacji (hormonów),
witamin i substancji katalizujących (enzymów), wytwarzanych w organizmie.
Ze względu na duże ciepło właściwe wody zawartej we krwi, jest ona zdolna do
przenoszenia dużych ilości ciepła wytwarzanego w wyniku przemian metabolicznych.
Ciepło to jest oddawane do otoczenia przez płuca i powierzchnię skóry. W ten sposób
krew uczestniczy w procesach termoregulacji. Z krwią także transportowane są
przeciwciała.
Wiliam Harvey
w 1628 roku dowiódł, że serce jest rodzajem pompy, tłoczącej do tętnic
krew, która po przejściu przez tkanki organizmu wraca żyłami do serca. Tlen
rozpuszczony fizycznie stanowi tylko niewielką część tlenu przenoszonego przez krew
(w temperaturze 37
o
C 100 ml krwi może przenieść 0,003 ml O
2
/mmHg). Jeden gram
hemoglobiny może związać maksymalnie 1,39 ml O
2
, ponieważ jednak niewielka część
hemoglobiny występuje już w warunkach fizjologicznych jako Met-Hb — methemoglobina
(i tym samym jest bezwartościowa jako czynnik transportujący tlen do tkanek), zdolność
wiązania tlenu przez krew odpowiada 1,34 ml O
2
na jeden gram Hb. Jeśli przyjąć
zawartość Hb we krwi równą około 15 g/100 ml, to w warunkach pełnego (100%)
wysycenia tlenem krew zawiera około 20 ml O
2
/100ml. Zatem dla zapewnienia
właściwego zaopatrzenia tkanek niezbędna jest odpowiednia ilość hemoglobiny we krwi.
2
Biofizyka układu krążenia człowieka
Stopień wysycenia hemoglobiny tlenem i dysocjacja oksyhemoglobiny zależy od
prężności dwutlenku węgla oraz odpowiedniej zmiany pH krwi. Zwiększenie prężności CO
2
sprzyja dysocjacji hemoglobiny (tzw. efekt Bohra).
W ustroju człowieka krążenie obejmuje:
płyny ustrojowe (krew, chłonkę i płyn tkankowy),
łożysko krwionośne — serce i układ naczyń krwionośnych.
3
Biofizyka układu krążenia człowieka
2. Elektryczna i magnetyczna aktywność serca
Serce
jest rodzajem pompy, która znajduje się w ciągłym ruchu i dzięki temu może
spełniać swoje liczne funkcje transportowe. Rytmiczne skurcze i rozkurcze serca
wymuszają ruch krwi w układzie krążenia. Określenie pracy wykonywanej przez serce
sprawia wiele trudności, gdyż składa się na nią wiele czynności nieobjawiających się
bezpośrednio w energii krążenia. Można ograniczyć się do wyznaczenia p r a c y
zewnętrznej, związanej z uruchomieniem przepływu krwi w krążeniu małym i dużym.
Na pracę tę składa się praca objętościowa:
W
=
p
∆
V
,
związana z przemieszczeniem pewnej objętości ∆
V
krwi, wykonana przeciw ciśnieniu
p
,
panującemu w aorcie (w przypadku komory lewej) i tętnicy płucnej (w przypadku komory
mV
2
prawej) oraz praca związana z nadaniem krwi energii kinetycznej
.
2
Przyjmując średnie ciśnienie w tętnicy płucnej 15 mmHg = 1990 Pa oraz pozostałe
parametry takie same jak dla komory lewej, otrzymamy pracę objętościową prawej
komory:
Pr
∆
V
= 0,139 J/skurcz
i pracę kinetyczną prawej komory identyczną jak lewej:
1/2
Pv –
2∆
V
= 0,006 J/skurcz.
Zatem łączna praca objętościowa lewej i prawej komory serca w warunkach
spoczynkowych wynosi około 1,1 J/skurcz, a sumaryczna praca kinetyczna obu komór —
jedynie około 0,012 J/skurcz. Praca kinetyczna w warunkach spoczynkowych jest
znikomo mała i stanowi zaledwie 1% pracy objętościowej.
Elektryczna i magnetyczna aktywność serca jest rezultatem złożonych zjawisk
bioenergetycznych, zachodzących we włóknach mięśnia sercowego, stanowiącego główną
część sierdzia (
myocardium
), związanych z wykonywaniem pracy mechanicznej (komórki
kurczliwe) i we włóknach układu przewodzenia.
4
Biofizyka układu krążenia człowieka
Komórki mięśniowe w sercu połączone są ze sobą tzw. wstawkami o niewielkim oporze
elektrycznym. W takiej sytuacji wzbudzenie dowolnego elementu przedsionków lub
komór wzbudza wszystkie pozostałe komórki
myocardium
i układu przewodzenia.
Komórki układu przewodzenia są nazywane komórkami rozrusznikowymi. Są to komórki
węzła zatokowo-przedsionkowego, niektóre komórki przedsionkowe, węzła
przedsionkowo-komorowego, pęczka Hisa oraz tzw. włókien Purkiniego.
Zjawiska elektryczne wiążą się nierozłącznie z życiem organizmu ludzkiego,
a w niektórych procesach życiowych odgrywają zasadniczą rolę. Istnieje ogromna
różnorodność zachodzących w organizmie człowieka zjawisk bioelektrycznych.
Dotychczasowe ich poznanie jest nadal niepełne.
Błonę komórkową
komórek stanowią dwie warstwy substancji białkowych przedzielone
substancjami tłuszczowymi (fosfolipidami). Przeciętna komórka składa się z koloidów
i elektrolitów zamkniętych w otoczce (błonie komórkowej). W błonie komórkowej istnieją
pory o średnicy kilku dziesiątych nanometra, które ułatwiają wymianę z otoczeniem
substancji o małych masach cząsteczkowych.
Błonę komórkową traktuje się jako niedoskonały dielektryk. Wskutek niejednakowej
przepuszczalności błony dla różnych jonów, a także dzięki innym czynnikom, między
wnętrzem komórki a środowiskiem otaczającym istnieje różnica potencjałów rzędu
kilkudziesięciu mV. Jest to tzw. p o t e n c j ał spoczynkowy. Wnętrze komórki ma
potencjał niższy niż otoczenie. Ustrój żywy sam może być generatorem prądu, gdy
okazuje czynne właściwości elektryczne.
Między różnymi częściami organizmu występują niewielkie (u człowieka rzędu 0,1 mV),
stałe w czasie, różnice potencjałów, np. między obiema dłońmi, między gojącą się raną
lub guzem nowotworowym a zdrową częścią skóry. Te potencjały metaboliczne są
niewątpliwie związane z różnicami w przemianie materii w różnych częściach ustroju.
Takie części organizmu ludzkiego, jak pracujące mięśnie, nerwy przewodzące impulsy
itd., są źródłem różnic potencjałów rzędu 0,1 mV do 100 mV, a więc także
towarzyszących im prądów — mówimy wówczas o potencjałach i prądach
czynnościowych. Na powierzchni ciała potencjały te występują już znacznie osłabione.
Korzystamy z nich w elektrokardiografii, elektroencefalografii czy elektromiografii.
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]