8. РАБОТА СЕРДЦА В ПОКОЕ
Главное свойство и назначение любого насоса – создание разрежения перед входом в него для всасывания жидкости, что определяется как характеристики напора. Напор измеряется в единицах высоты жидкостного столба (м, см, мм) перекачиваемой жидкости и рассчитывается отдельно для всасывания и нагнетания.
Признавая сердце насосом, что само по себе не вызывает сомнения, ученые всего мира не задумываются над тем, как же работают самые распространенные в настоящее время машины-насосы, окружающие нас в быту и на работе, а без них современная цивилизация невозможна.
Сердце – мембранный насос. Мембранный насос – это насос, рабочий орган которого – гибкая пластина (диафрагма, мембрана), закреплённая по краям. Пластина изгибается в результате изменения давления воздуха (пневматический привод), выполняя функцию, эквивалентную функции поршня в поршневом насосе.
Мембранные насосы имеют широкое применение и большие преимущества перед другими насосными системами: 1) надёжная простая конструкция; 2) компактные размеры и малый вес; 3) нет вращающихся деталей; 4) универсальность применения; 5) нет уплотнений и подшипников, что гарантирует отсутствие утечек и износа основных деталей; 6) простота регулирования производительности от нуля до максимума.
Не случайно конструкторы искусственного сердца выбрали мембранную схему. Например, искусственное сердце фирмы «Витамек» (США) имеет следующий диапазон регулирования: частота 0–190 уд/мин; длительность систолы 0–600 мс; избыточное давление 0–250 мм рт. ст.; разрежение (–50)+(–10) мм рт. ст. Необходимо отметить, что конструкторы этой фирмы при работе пневмопривода предусматривают возможность довольно большого разрежения (до (–50) мм рт. ст.), несмотря на то, что пациент на операционном столе занимает горизонтальное положение и столб жидкости (крови) от плоскости стола до входа в сердце по высоте не более 15 см (давление 15 см вод. ст.). Это составляет всего 11 мм рт. ст. (15 см = 150 мм; 150 мм вод. ст. / 13,6 = 11 мм рт. ст.).
Скорость движения жидкости зависит от величины избыточного давления при нагнетании и глубины вакуума при всасывании. Вследствие трения вытекающая масса в случае воды составляет всего 65 % теоретической [31, с. 73]. Измерить сопротивление венозных сосудов сложно. Оно состоит из затрат энергии прижатия к стенкам сосудов клапанов ретроградного хода, трения крови о стенки сосудов, вязкости крови и высоты венозного столба (преодоление гидростатического давления). В этих случаях на практике в промышленности для подобных насосных установок
36
используется коэффициент 0,35 геометрической высоты подъема жидкости
[32]:
Вакуум всасывания = (–Н)+(–0,35Н),
где (–Н) – высота подъема жидкости.
Предположим, что сердце в среднем находится на высоте 150 см от ступни (пола); тогда если Н = 150 см = 1500 мм, то расчетный результат во время диастолы предсердий (–P) можно получить в мм рт. ст. по указанной формуле делением на 13,6:
(–Р) = [(–1500)+(–0,35·1500)] /13,6 = (–149) мм рт. ст.
Природа действительно выбрала именно такую надежную мембранную насосную систему, прежде чем современные конструкторы ее создали
иоценили по достоинству:
1)пневматической полостью сердца-насоса является перикардиальная полость;
2)уникальность сердца-насоса заключается в том, что мембрана (миокард), закрепленная на уровне выходящих сосудов, является и приводом насоса: «без уплотнений, подшипников и с гарантийным отсутствием утечек и износа основных деталей». Желудочки, сократившись, уменьшаются в объеме, выбрасывая кровь в легочную артерию и аорту. При этом объем перикардиальной полости увеличивается и в ней стремительно растет присасывающая сила, которая передается предсердиям за счет резкого
падения давления в соответствии с законом Бойля – Мариотта: объем
идавление в герметичной полости имеют обратно пропорциональную зависимость;
3)сердце-насос отличается простотой регулирования производительности посредством изменения силы сокращения миокарда предсердий
ижелудочков.
В1955 году W. F. Hamilton предположил, что в основе работы сердца лежит равновесие между нагнетанием крови в правый и левый желудочки. Это равновесие должно быть точным. Только тонким приспособлением силы сокращения к степени наполнения желудочков можно, по-видимому, объяснить их непрерывно уравновешивающуюся производительность. Это
вравной степени относится к состоянию покоя и к тому, что наблюдается во время нагрузки [30, с. 155; 34].
Приспособление силы сокращения к степени наполнения желудочков обеспечивается принципом постоянства емкости перикардиальной полости: герметичная полость перикарда практически нерастяжима и имеет постоянный объем [11, с. 219].
Постоянство объема перикардиальной полости и наличие около 80 % всей крови в венозной системе обеспечивает стабильность кровообращения организма, несмотря на нарушение кровообращения в каком-либо
37
отдельном органе. При сокращении желудочков количество выбрасываемой крови в аорту и легочный круг зависит от силы сокращения желудочков, а при этом наполнение предсердий будет равно выбросу. Избыток крови в венозной системе обеспечивает безлимитное наполнение предсердий во время систолы желудочков.
На рис. 34 представлен график колебания давления в правом предсердии в течение сердечного цикла.
Рис. 34. Давление в правом предсердии в течение сердечного цикла: d1–a – систола предсердия; a–b – начало систолы желудочков; b–x–d – диастола предсердия; d–y – диастола желудочков; y–d1 –
пауза сердца
Динамика давления в правом предсердии позволяет нам представить полный цикл работы сердца (рис. 35).
Рис. 35. Фазы деятельности сердца: I – покой; II – систола предсердий; III – покой перед систолой желудочков; IV – систола желудочков, диастола предсердий; V – диастола желудочков; VI – покой
Во время систолы предсердий (рис. 34, d1–a; рис. 35, II) давление в правом предсердии (предсердиях) повышается – предсердная порция венозной крови переходит (вливается) в правый желудочек (желудочки). Вследствие этого желудочки увеличиваются в объеме, и их миокард растягивается (потенциал закона Франка – Старлинга). Объем систолической порции крови, вливаемой в желудочки, зависит от мощности сокращения миокарда предсердий. В свою очередь сила сокращения предсердий зависит от влияния центральной нервной системы («блуждающие нервы замедля-
38
ют и ослабляют, а симпатические – ускоряют и усиливают» [21, с. 119]). При систоле предсердий давление в них становится выше давления в желудочках.
Перемещение крови в желудочки (нагнетание) продолжается до тех пор, пока давление в предсердиях и желудочках не уравняется; затем в желудочках оно станет несколько больше за счет инерции потока (рис. 34, a–b; рис. 35, III). Вслед за этим начинается систола желудочков (рис. 35, IV), в которых мощно нарастает давление, а в предсердиях оно начинает стремительно падать значительно ниже атмосферного (рис. 34, b–x).
Уменьшение объема желудочков ведет к растяжению предсердий (стенки желудочков удерживаются у сухожильного центра диафрагмы из-за вакуума, образующегося в перикардиальной полости), в них стремительно падает давление, и они наполняются венозной кровью. Диастола предсердий (рис. 34, b–x–d) и их растяжение продолжаются на протяжении систолы желудочков, а при окончании напряжения миокарда в желудочках стремительно падает давление ниже атмосферного; в предсердиях оно становится высоким за счет сдавления упругой деформацией их миокарда содержимого (рис. 34, d–y).
Из предсердий венозная кровь изливается в желудочки (диастола желудочков, рис. 35, V), давление уравнивается, полости возвращаются в исходное положение, но давление в желудочках становится чуть выше, чем в предсердиях, за счет инерции потока. Движение крови прекращается (рис. 34, y–d1; рис. 35, VI) до начала нового цикла – систолы предсердий.
Предсердия связаны между собой синусно-предсердным узлом, а предсердия и желудочки – предсердно-желудочковым пучком. Раздражение из правого предсердия передастся с синусно-предсердного узла на предсердно-желудочковый, а с него по предсердно-желудочковому пучку – на оба желудочка.
39