CC BY
71
УДК 612.13.601.1
В. Д. Киселев, A.A. Кондыков, Ю.Г. Поморова,
A.B. Требухов, О.В. Филатова
Анализ биомеханических свойств артериальной стенки в зависимости от давления и вектора потока
В настоящее время детально изучена зависимость биомеханических свойств артериальной стенки от артериального давления, от скорости кровотока при действии нейрогуморапьных факторов . Однако в реальной гемодинамике имеет место сочетание данных факторов. Проблема их взаимодействия остается неизученной. Целью настоящего исследования являются изучение биомеханических свойств артериальной сосудистой стенки при сочетанном действии давления и потока крови, изучение биомеханических параметров артериальной сосудистой стенки на экспериментальных животных и трехкомпонентной модели сосудистой стенки в условиях вариаций внутрисосудистого давления, величины и вектора скорости кровотока.
Материалы и методы исследования. Исследование биомеханических свойств стенки артерий проводилось по методике, изложенной в работе [1] . Ретроградный поток создавался системой кранов, осуществляющих реверсию потока в кровеносном сосуде. Зависимый от диаметра модуль упругости Юнга (Е) для артериальной стенки рассчитывался по Нис^Е [2] . Расчет скорости распространения пульсовой волны произведен по формуле [3].
Результаты и их обсуждение. Зависимость диаметра артерий от давления по данным исследований в нашей лаборатории [4] представлена на рисунке 1.
Из рисунка видно, что зависимость носит сложный нелинейный гистерезисный характер. Нижняя
P (мм рт. ст.)
Рис. 1. Зависимость диаметра изолированной артерии от величины кровяного давления при различных условиях эксперимента
кривая получается при нагрузке сосуда давлением в условиях его максимальной тонизации. Средняя кривая соответствует реакции нормального (физиологически адекватного) сосуда на нагрузку давлением. Верхняя кривая получается в режиме разгрузки давлением (спада давления) в условиях максимальной дилатации (расслабления) сосуда потоком или обработки папаверином [4, с. 259].
Такого рода зависимость предопределяется особенностями биомеханических свойств сосудистой стенки. В основу анализа данных зависимостей заложена трехэлементная модель сосудистой стенки: эластин как упругий пассивный элемент, гладкомышечный активный элемент и жесткий коллагеновый каркасный элемент [5] . В предыдущих работах была показана реакция этих элементов [6] на нагрузку сосуда давлением!. Начальная часть кривой (область низких давлений до 60 мм рт. ст.) отражает свойства эластинового элемента. При дальнейшем росте давления к регулированию диаметра сосуда подключается активный гладкомышечный элемент (диапазон давлений 60-160 мм рт. ст.) , и лишь в области высоких давлений (свыше 160 ммрт. ст.) фактором, ограничивающим прирост диаметра со-
De(1) ---De(2) -Di(1) -Di(2)---H(1) -H(2) P (мм рт. ст.)
• E(1) —•— E(2) —C(1) —C(2)
Рис. 2. Расчетные значения модуля упругости Е и скорости распространения пульсовой волны в зависимости от значений артериального кровяного давления: De - наружний диаметр, Di - внутренний диметр, H - толщина сосудистой стенки, E - модуль упругости Юнга, C - скорость распространения пульсовой волны; 1 - нагрузка давлением, 2 - разгрузка.
Анализ биомеханических свойств артериальной стенки.
□ (СП СП ш)
Рис. 3. Значения Е и СРПВ для отдельных элементов сосудистой стенки: А - эластический сосуд, Б - мышечный сосуд, В - коллагеновый сосуд
суда, начинает выступать коллагеновый каркас.
Зависимость давление-диаметр дает возможность охарактеризовать сосудистую стенку с по-мошью модуля упругости Юнга, который является показателем жесткости сосудистой стенки. На рисунке 2 представлены результаты расчета этого показателя и сопутствующей ему скорости распространения пульсовой волны.
Виден рост модуля упругости на этапе нагружения артерииі, четко выражена трехфазность увеличения, соответствующая подключению отдельных элементов сосудистой стенки. В соответствии с изменениями модуля упругости аналогичное поведение демонстрирует и СРПВ. Такое поведение характеристик биомеханических свойств сосудистой стенки является общепризнанным, однако в многочисленных наблюдениях на человеке не было получено достоверных зависимостей между СРПВ и артериальным давлением. К тому же в некоторых исследованиях были получены значения СРПВ,
снижающиеся с ростом давления [7], что не находит объяснении из расчетов.
В связи с этим определенный интерес представляет рассмотрение случаев поведения модуля упругости Е и СРПВ отдельно для каждого элемента сосудистой стенки. Для этого исходные данные для диаметра сосуда были представлены уравнением прямой с наклоном!, характерным для каждого компонента сосудистой стенки (рис. 3) .
Видно, что у разных сосудов несколько различается угол наклона кривых модуля упругости и СРПВ, однако по своим абсолютным значениям расхождения незначительны. Следовательно, на характере зависимости давление-диаметр не сказываются ни абсолютный просвет сосуда, ни преобладание какого-либо элемента мышечной стенки, и, соответственно, этими факторами нельзя объяснить как «аномальные» зависимости давле-ние-СРПВ [7], так и декорреляцию этой зависимости [8] . Такое объяснение было бы получено, если
□□2
15.000
10.000 5.000
-5.000
-10.000
-15.000
-20.000
0.(00
-Ре- - '□□□2
Рис. 4. Зависимость Е и СРПВ от флуктуаций диаметра артерии
сделать небольшое и кратковременное (относительно всего периода изменении давлении от 30 до 240 мм рт. ст.) уменьшение или увеличение значении диаметра, как показано на рисунке 4.
Пунктиром обозначен характер изменении диаметра при изменении его значении на 1,75%, без чего эти изменении на графике незаметны. Обращает внимание значительная реакция модуля упругости и СРПВ на столь небольшие изменении диаметра (что, по-видимому, и лежит в основе разнообразных взаимоотношений артериального давлении и характеристик артериального пульса, наблюдаемых у человека) . Такие эпизодические колебании тонуса гладкомышечного элемента и диаметра магистрального сосуда могут иметь место в эксперименте и на магистральных сосудах человека in situ, в результате автоматии гладких мышц, их активации при сосудистых рефлексах, при активации симпатической нервной системы эмоциогенными стимулами, при эндо-телий-зависимой поток-чувствительной релаксации [9].
Своеобразные функциональные последствии выивлены при эндотелий-зависимой релаксации артериальных сосудов обратным потоком крови. Установлено, что ретроградный кровоток лучше релаксирует центральные сосуды котла (обыганый кровоток эффективней релаксирует периферические артериальные магистральные). Увеличение диаметра аорты и ее ветвей повышает их пульсовую емкость, что минимизирует величину обратного кровотока, обычно име-
ющего место в магистральных артериях [5] .
Результат моделирования свойств артерии, соответствующий разрыклению вещества стенки, дегенерации мышечного и коллагеновых слоев, представлен на рисунке 5.
Видно, что такая имитации возрастных изменений артерий дает существенное (в 4,3 раза) падение СРПВ в области низких и средних давлений и в 2, 3 раза в области высоких. Такая возрастная динамика изменения свойств сосудистой стенки может объяснять факты снижения СРПВ в старшей возрастной группе.
■ De
Di(1)
H(1)
Р (мм рт. ст.)
Рис. 5. Зависимость Е и СРПВ при утолщении сосудистой стенки в 2 раза и дегенерации мышечных и коллагеновых волокон
Литература
1. Филатова О. В. Взаимодействие давлении и потока в экзотемной регулиции диаметра артериальных сосудов: Автореф. дис... канд. биол. наук. Барнаул, 1993.
2. Hudetz A.G. Incremental elastic modulus for orthtropic incompressible arteries // Biochem. 1979. Vol. 12.
3. Пурини Б.А., Касьинов В.А. Биомеханика крупных кровеносных сосудов человека. Рига, 1980.
4 . Филатова О. В., Требухов А. В., Клименко И. Н. Статодинамические биомеханические свойства артериального русла в свизи с сочетанной эндотелий-зависи-мой регулицией давлением и потоком в различные возрастных группах в зависимости от пола, особенностей поведении животных // XVII съезд Всероссийского физиологического общества им. И. П. Павлова: Тез. докл. Ростов-на-Дону, 1998.
5. Фолков Б., Нил Э. Кровообращение /Пер. с англ. И.М. Вернч. М., 1976.
6. Филатова О. В. Реакции активнык и пассивных
элементов стенки артериальных кровеносный сосудов в зависимости от давления и потока //Актуальные вопросы возрастной, прикладной и экологической физиологии: Сб. ст. Барнаул, 1992. С. 33-40.
7. Поморова Ю.Г., Кондыков А.А., Киселев В.Д. Вариации связи скорости распространения пульсовой волны и АД // Известия АТУ. Барнаул, 1999. Вып. 4. С. 153-157.
8. Шркман В. Г., Королева Е. Л. Анализ взаимосвязи СРПВ с измерениями АД у человека при функциональных нагрузках // Физиология человека. 1987. №2. С. 259-264.
9. Плешкова Н. В., Киселев В. Д. Вариабильность параметров дигитальной фотосфигмограммы у бодрствующего человека, в различные фазы сна и при вегетосо-судистых асимметриях // Фундаментальные, прикладные и клинические проблемы физиологии / Под ред. В.Д. Киселева. Барнаул, 1996.
