Krevní oběh a aplikace molekulární biofyziky (aplikace fyzikálních zákonů na krevní oběh a dýchání, rheologie krve)

Verze 01: tato verze se v budoucnosti bude moci použít pro přípravu přednášky pro mediky (všeobecné lékařství). Pro zdravotní sestry (magisterské sudium očetřovatelství) je ale příliš teoretická.

Příprava přednášky.

datum prezentace: 2008-04-06
plánovaný výstup: pokud možno v SVG

Hrubý obsah

Biofyzikální model

Strukturní model:
- Pojem systému a jeho okolí: člověk, prostředí
- Uzavřený systém vs. otevřený systém: komunikace s okolím
- Hierarchie (subsystémy, soustavy): motorický, trávicí, nervový, ..., oběhový (analogie s automobilem, ale hlubší provázanost)
Funkcionální
- statický vs. dynamický
- deteriministický vs. stochastický
- lineární vs. nelineární
- vícevstupový (vzájemné ovlivňování)

Příklady na motivaci

Extrémní situace

(Většinou se výklad zahajuje vysvětlením fyziologických procesů a od nich se pak přechází k extrémním případům či k patologii. Naproti tomu dnešní výklad začneme opačným postupem: Zkusíme se zamyslet nad několika extrémními situacemi a na nich si vyzkoušet, do jaké míry vystačíme se "selským rozumem" a kdy s hlubším vhledem do problematiky dojdeme k zajímavým závěrům.)

Kosmonauti

V kosmické kabině poklesne tlak vzduchu na 1/10 normální hodnoty:

Jaké procesy (v časové posloupnosti) ohrožují životy posádky?
Pokud existuje možnost obnovení tlaku, jak lze do té doby zvýšit šanci na přežití?
Konkrétně: jaký bude optimální způsob dýchání?
1. Co nejvíc zadržet dech a nedýchat (chránit poslední zbytky vzduchu v plicích)
2. Vydechnout a nedýchat
3. Dýchat co nejhlouběji (abychom do plic dostali co nejvíce molekul zředěného vzduchu)
4. Dýchat co nejrychleji (abychom co nejvíc kompenzovali snížený tlak vzduchu)

Potápěči

Potápění bez přístroje:
1. Jak dýchat před potopením, abychom co nejdéle vydrželi pod hladinou?
2. Jak se projeví způsob dýchání před potopením během následného zadržení dechu?
Potápění s přístrojem:
1. Nečekávaně v hloubce dojde zásoba vzduchu. Jak se zachovat?
2. V čem spočívají možná ohrožení života?
3. Na co musí být připraven záchranář?
atd.

(Zkusíme si nejdříve tipnout a pak postupně během dalšího výkladu budeme korigovat svoje intuitivní odpovědi.)

Krevní oběh

Tj. oběh krve:

Jaký oběh
Co je to krev

Oběh

(Srovnej: Oběh vody v přírodě a pod)

Strukturní model:
- otevřený (bezobratlí)
- extrakorporální:
  - částečný (např. umělá ledvina)
  - totální (např. transplantace srdce)
  - uzavřený (náš případ)
postupná aproximace
nejdeme do všech anatomických detailů (zjednodušený model)

První přiblížení

Model v prvním přiblížení:
Uvažujeme zatím jen jeden oběh
- srdce (pumpa)
- řečiště

(obrázek)

Srovnání s elektrickým obvodem

Funkční model:

Základní části:
- zdroj proudu, napětí – srdce
- odporová zátěž – krevní řečiště
veličiny, jednotky
elektrické napětí – krevní tlak p[Pa] nebo [torr]
elektrický proud – krevní průtok Q[l/s]

Odpor

Ohmův zákon: R = ΔU/I
Odpor: R = Δp/Q
Jednotka: Pa/(l/s)

Větvení

Řazení odporů:
- sériové: R = R1 + R2
- paralelní: 1/R = 1/R1 + 1/R2
analogie Kirchhoffových zákonů:
- průtoky: Q = Q1 + Q2 + ...
- tlaky: Δp = Δp1 + Δp2 + ...

Průtok

Analogie:

Zdroje el. proudu:
- stejnosměrný, střídavý, pulsní
Srdce:
- pulsní

f [Hz] = 1/T [s] f [1/min] = 60/T [s]

tepový objem V [ml]
minutový průtok [l/min] = V [ml] * f[1/min] / 1000

Srdeční revoluce

(Bylo: Principy EKG)

Srdeční akce:
- systola
- diastola
krevní tlak:
- systolický
- diastolický
- střední

(obrázek)

Rovnice kontinuity

Zákon zachování objemu:
- Q1 = Q2
- tj. v1 . S1 = v2 . S2

kde v je střední rychlost proudění, tj:

v = Q / S

Hodně zjednodušená veličina: střední v čase i prostoru (viz dále)

Bernouliho rovnice

?uvádět? analogie:

kinetická energie: uplatňuje se ve velkých cévách (aorta)
potenciální energie: pružníkové cévy

Význam krevního oběhu

Krev jako mediátor
Krevní oběh je uzavřený, ale přesto zprostředkovává komunikaci celého organismu s okolím:
- resorpce: přijímání živin a dalších látek a vody (tenké a tlusté střevo)
- diuréza: vylučování odpadních produktů močí (ledviny)
- ventilace – přenos krevních plynů, 02 a CO2 (plíce)

Krev

Dispersní soustava:
- krevní sérum:
  - analytická disperse (< 1 nm): vodný roztok iontů (Na+, Cl- aj.), cukrů (glukóza), plynů aj.
  - koloidy (1 nm .. 1 um): bílkoviny
- hrubé disperse (> 1 um): krvinky, destičky a další krevní elementy

(Viz minulá hodina: koligativní vlastnosti roztoků, osmotický tlak, difúze a další transportní jevy)

Z toho je vidět, že i když se hovoří o "uzavřeném" krevním oběhu, nejedná se o žádnou "hermetickou" uzavřenost – analytické i koloidní disperse mohou pronikat stěnai vlásečnic, aleveolů atd.

Krevní plyny

volné: součást analytické disperse, fyzikálně rozpuštěné ve vodě: CO2, N2, menší část O2 aj.
02: z větší části vázaný na hemoglobin erytrocytů

Rozpustnost plynů

Henryho zákon

Parciální tlak

Doporučená literatura