Вязкость крови

Материал из Новая медицинская энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Вязкость крови — это биофизическое свойство крови, определяющее сопротивление потоку, и являющееся критическим фактором сосудистого сопротивления, преднагрузки, постнагрузки и перфузии тканей. Вязкость крови измеряют в паскаль-секундах (Па·с). Увеличение вязкости связано с уменьшением кровотока и повышением артериального давления и сосудистого сопротивления, тогда как уменьшение вязкости оказывает противоположный эффект.[1]

.

Общие сведения

Одними из первых экспериментов, которые изучали сложные взаимосвязи гемореологии и гемодинамики были эксперименты Whittaker и Winton.[2] Они обнаружили, что in vivo кровь менее вязкая, чем in vitro. Отчасти это зависит и от экспериментальной модели и от метода измерения, но тут играют главную роль механизмы сосудистого контроля: компенсаторная вазодилятация, образование оксида азота эндотелием и другие.

Позднее, другими исследователями также обнаружилось, что вязкость цельной крови разная в разных артериях и органах. Так, например, она выше в плечевой артерии по сравнению с сонной. В мозге, миокарде, печени, почках, в кишечнике вязкость крови разная. Обширные исследования вязкоупругости крови и влияющих факторов обеспечили прочную основу для растущего интереса к ней среди исследователей в области физиологии и клинической медицины.[3][4][5][6]

Соотношение вязкости, давления, объема

В ламинарном потоке, подчиняющемся закону Пуазёйля, концентрические цилиндрические слои жидкости подвергаются сдвигу — скользят друг над другом. Сила, приложенная к слою жидкости, называется «напряжением сдвига» (его обозначают символом τ [тау]), а градиент скорости между соседними слоями жидкости является «скоростью сдвига».[5] При параболическом профиле линейной скорости, скорость сдвига на оси равна нулю, а около стенок трубки - максимальна (обозначения - γ [гамма] или dV/dr). Сопротивление течению возникает из-за трения между соседними слоями жидкости; это сопротивление потоку при трении является вязкостью. «Вязкость» (μ [мю]) определяется как отношение напряжения и скорости сдвига.[7] А напряжение сдвига является произведением вязкости и скорости сдвига.

Вязкость крови 1.png

Скорость сдвига, dV/dr малое эквивалентно градиенту давления, который используется при выводе формулы Пуазейля, поэтому

Вязкость крови 2.png

Обычно в таких формулах используют ΔP, когда говорят о градиенте давления, то есть ΔP равно (Р1 — Р2)/L. Напряжение сдвига — это модульная величина, так что знак минус не имеет значения в этом контексте. В итоге мы получаем еще более простое на вид уравнение:

Вязкость крови 3.png.

Здесь r - радиус отдельно взятой пластинки жидкости. Радиус r = 0 на оси, так что на оси напряжение также равно нулю. Максимальное напряжение у стенки, где r = R, следовательно

Вязкость крови 4.png.

Именно это максимальное значение используется в качестве характеристики напряжения сдвига потока жидкости в трубке. Скорость сдвига также изменяется от нуля на оси до максимума на стенке (когда r = R). Его максимальное значение может быть получено из объемного расхода Q или скорости потока V.

Вязкость крови 5.png,

или, при комбинировании с уравнением описывающим параболу, в выводе формулы Пуазейля.

Вязкость крови 6.png.

Таким образом, и напряжение и скорость сдвига можно легко измерить, зная радиус трубки, градиент давления и скорость потока. Это используют в вискозиметрах, в которых, чтобы измерить вязкость, проводят механическое испытание жидкости. Однако, это применимо в том случае, когда профиль скорости в трубке параболический, характерный для ньютоновской жидкости. В реальности оценка напряжения и скорости сдвига в большинстве случаев приблизительна, потому что имеются различные отклонения есть.

Оценка напряжения и скорости сдвига в последние годы стала доступна у людей in vivo с помощью ультразвука[8] и фазово-контрастной МРТ.[9]

Типы вязких жидкостей

Линии графика, которые показывают взаимосвязь между напряжением и скоростью сдвига характеризуют тип поведения потока.

  • Ньютоновская жидкость: связь между напряжением и сдвигом является линейной от начала координат, то есть вязкость одинакова при любой скорости сдвига;
  • Неньютоновская жидкость обысно сопровождается асимптотическим ньютоновским поведением. За пределами точки P при более высоких скоростях сдвига связь является линейной; ниже она нелинейна, но при этом кривая проходит через начало координат. Дифференциальная вязкость μ ′, определяется наклоном кривой, который равен арктангенсу dτ/dγ. Генерализованная» вязкость, μ *, представляет собой отношение приложенного напряжения к скорости сдвига; в точке P эта вязкость равна арктангенсу этого отношения.
  • Бингамовская жидкость, имеющая начальный предел текучести τ0 ниже которого она не течёт и имеет свойства твёрдого тела.

Аномалии вязкости крови

Кровь это не обычная жидкость, а суспензия эластичных клеток, то есть вязкоупругое вещество, свойства которого определяет совокупное влияние многих факторов, таких как вязкость плазмы, гематокрит, деформируемость и агрегация тромбоцитов. Суспензии же частиц проявляют аномальные свойства. Описывают 2 вида аномалий вязкости крови:

  • 1 вид - когда при низких скоростях сдвига кажущаяся вязкость заметно увеличивается. (кажущаяся - это синоним структурной вязкости неньютоновской жидкости). Если кровь находится в неподвижном состоянии, для инициирования кровотока требуется сила, называемая «величиной предела текучести» То есть кровь может вести себя как Бингамовская жидкость. Величина предела текучести отражает силы притяжения между эритроцитами в стационарных условиях (то есть основым фактором тут является гематокрит), а также зависит от концентрации белка в плазме, особенно глобулина и фибриногена.
  • 2 вид - в маленьких трубках кажущаяся вязкость при более высоких скоростях сдвига меньше, чем в больших трубках. Это прогрессирующее уменьшение начинает обнаруживаться с диаметра менее 1,0 мм и становится заметным в трубках порядка 100–200 мкм (эффект Fåhræus–Lindqvist).

Эти два типа аномалий можно назвать эффектами «низкого сдвига» и «высокого сдвига». Аномалии вязкости крови могут вносить систематические ошибки в физический анализ кровотока. Поэтому гидродинамическое описание кровообращения явно требует измерения вязкости крови настолько точно, насколько это возможно, особенно потому, что сопротивление потоку определяется реологическим поведением крови, протекающей через микрососуды.[10][11]

Гематокрит и вязкость

Вязкость крови в зависимости от гематокрита
Взаимосвязь между вязкостью и скоростью сдвига для эритроцитов человека, суспендированных в собственной плазме при 25°C для различных объемных концентраций Hn эритроцитов (гематокрит × 0,96).[12]

На рисунке — исследование влияние гематокрита на свойства крови человека в зависимости от скорости сдвига (представлена объемная концентрация эритроцитов, равная гематокриту умноженному на 0,96). При концентрации вплоть до 12% вязкость одинакова, то есть цельная кровь является ньютоновской жидкостью. Но затем, по мере увеличения гематокрита, вязкость заметно увеличивается на малых скоростях сдвига, демонстрируя неньютоновское поведение.

Частично это связано с тем, что эритроциты при низких скоростях образуют так называемые «монетные столбики» (roleaux), и длина этих столбиков уменьшается с увеличением скорости сдвига вплоть до полного их разрушения и при этом кровь достигает своего минимального значения вязкости. В этой ситуации эритроциты максимально деформируются и выравниваются, создавая минимальное сопротивление потоку. И обратно, при постепенном снижении скорости сдвига ниже этого уровня агрегация эритроцитов происходит все чаще, и вязкость возрастает экспоненциально. Таким образом, при измерении вязкости крови важно фиксировать скорость сдвига, при которой определяется значение вязкости.

Изменение вязкости, связанные с гематокритом, влияют на кривые зависимости давления от потока. Для каждого данного артериального давления кровоток уменьшается с увеличением гематокрита, как мы видим на этом рисунке.

Поток-давление в зависимости от гематокрита
Кривые давления-потока в задней конечности собаки с гематокритом, варьирующимся от 4,5 до 83 процентов, как показано. Каждая кривая представляет среднее значение, полученное при повышении и понижении артериального давления.[2]

Данные были получены в 30-х годах прошлого столетия, но они согласуются и с современными исследованиями.

Вязкость плазмы крови

Если в крупных артериях кровоток определяет в первую очередь структурная вязкость цельной крови, то кровоток в артериолах и капиллярах в первую очередь определяет вязкость плазмы.[10] Она ведет себя в основном как ньютоновская жидкость. Неньютоновской она становится на границе раздела, если она соприкасается с воздухом, и некоторые белки от этого денатурируются. Поскольку плазма представляет собой суспензию белков (фибриногена, иммуноглобулинов, альбумина) в растворе электролита, можно ожидать некоторого отклонения от поведения чистой жидкости. Но самой длинной частицей в плазме является фибриноген, длинной около 50 нанометров. Даже в капилляре сечением 5 микрон он будет составлять только 1 процент от этого сечения. Тем не менее, есть работы, свидетельствующие о неньютоновском поведении крови и при изменения концентрации фибриногена при различных патологических состояниях, связанных с сердечно-сосудистым риском.[13] Липопротеины тоже увеличивают вязкость крови и взаимосвязаны со всем вышеупомянутым.

Примечания и рекомендуемые источники

  1. Посохов И.Н. Кровоток в артериях. Видеоканал. (Электронный ресурс) URL: www.youtube.com/channel/UCR_gwUOKhwsNHERiGM5Jmuw (Дата обращения: 28.12.2018).
  2. 2,0 2,1 Whittaker SR, Winton FR. The apparent viscosity of blood flowing in the isolated hindlimb of the dog, and its variation with corpuscular concentration. J Physiol. 1933 Jul 10;78(4):339-69. PMID 16994426
  3. Lipowsky HH. Microvascular rheology and hemodynamics. Microcirculation. 2005 Jan-Feb;12(1):5-15. Review. PMID 15804970
  4. Simmonds MJ, Meiselman HJ, Baskurt OK. Blood rheology and aging. J Geriatr Cardiol. 2013 Sep;10(3):291-301. Review. PMID 24133519
  5. 5,0 5,1 Pearson TC. Hemorheology in the erythrocytoses. Mt Sinai J Med. 2001 May;68(3):182-91. Review. PMID 11373690
  6. Bertuglia S. Increased viscosity is protective for arteriolar endothelium and microvascular perfusion during severe hemodilution in hamster cheek pouch. Microvasc Res. 2001 Jan;61(1):56-63. PMID 11162196
  7. Samijo SK, Willigers JM, Brands PJ, Barkhuysen R, Reneman RS, Kitslaar PJ, Hoeks AP. Reproducibility of shear rate and shear stress assessment by means of ultrasound in the common carotid artery of young human males and females. Ultrasound Med Biol. 1997;23(4):583-90. PMID 9232767
  8. Reneman RS, Arts T, Hoeks AP. Wall shear stress--an important determinant of endothelial cell function and structure--in the arterial system in vivo. Discrepancies with theory. J Vasc Res. 2006;43(3):251-69. Epub 2006 Feb 20. Review. PMID 16491020
  9. Oshinski JN, Curtin JL, Loth F. Mean-average wall shear stress measurements in the common carotid artery. J Cardiovasc Magn Reson. 2006;8(5):717-22. PMID 16891231
  10. 10,0 10,1 Schuff-Werner P, Holdt B. Selective hemapheresis, an effective new approach in the therapeutic management of disorders associated with rheological impairment: mode of action and possible clinical indications. Artif Organs. 2002 Feb;26(2):117-23.PMID 11879239
  11. Baskurt OK. In vivo correlates of altered blood rheology. Biorheology. 2008;45(6):629-38. Review. PMID 19065010
  12. Brooks DE, Goodwin JW, Seaman GV. Interactions among erythrocytes under shear. J Appl Physiol. 1970 Feb;28(2):172-7 PMID 5413303
  13. Scarabin PY, Arveiler D, Amouyel P, Dos Santos C, Evans A, Luc G, Ferrières J, Juhan-Vague I; Prospective Epidemiological Study of Myocardial Infarction. Plasma fibrinogen explains much of the difference in risk of coronary heart disease between France and Northern Ireland. The PRIME study. Atherosclerosis. 2003 Jan;166(1):103-9. PMID 12482556

См. также