Биомеханика кровообращения Биомеханика кровообращения

Áèîìåõàíèêà
êðîâîîáðàùåíèÿ
Под редакцией доктора технических наук, профессора С.И. Щукина
Рекомендовано УМО по образованию в области радиотехники,
электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по направлению подготовки дипломированных специалистов
«Биомедицинская техника» и направлению подготовки
бакалавров и магистров «Биомедицинская инженерия»
Москва
Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана
2005
УДК 531/539:61 (075.8)
ББК В2:Р
П18
Рецензенты
кафедра биофизики и экологии Московского физико'технического
института (зав. кафедрой – д'р физ.'мат. наук, проф. Э.М. Трухан);
д'р биол. наук В.Н. Юречко
Парашин В.Б., Иткин Г.П.
Биомеханика кровообращения: Учеб. пособие / Под ред.
П18
С.И. Щукина. – М.: Изд'во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. –
224 с.: ил. (Биомедицинская инженерия в техническом универ'
ситете).
ISBN 5'7038'2596'2
Дана классификация основных разделов современной био'
механики и кратко изложено их содержание. Обоснована необ'
ходимость углубленного изучения биомеханики кровообраще'
ния в биоинженерной подготовке студентов технического уни'
верситета. Рассмотрены реологические свойства крови,
биомеханика сосудов и сердца, биомеханика устройств вспомо'
гательного и искусственного кровообращения.
Содержание учебного пособия соответствует курсам лек'
ций, которые авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению подго'
товки «Биомедицинская техника» по специальностям 190500
«Биотехнические и медицинские аппараты и системы», 190600
«Инженерное дело в медико'биологической практике».
УДК 531/539:61 (075.8)
ББК В2:Р
ISBN 5'7038'2596'2
© В.Б. Парашин, Г.П. Иткин, 2005
© МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2005
© Оформление. Издательство
МГТУ имени Н.Э. Баумана , 2005
К ЧИТАТЕЛЮ
Предлагаемое издание открывает серию учебников и учебных по'
собий «Биомедицинская инженерия в техническом университете» по
основным специальностям подготовки «Биомедицинская инжене'
рия», дипломированных специалистов «Биомедицинская техника»
по специальностям «Биотехнические и медицинские аппараты и сис'
темы» и «Инженерное дело в медико'биологической практике».
Выпуск серии посвящается 175'летнему юбилею Московского
государственного технического университета имени Н.Э. Баумана и
является важным этапом становления и развития медико'техничес'
кого образования в университете, где в 1978 г. была создана одна из
первых в СССР кафедр, а в 1998 г. образован первый в стране фа'
культет «Биомедицинская техника».
Авторами книг данной серии, являются профессора и преподава'
тели факультета «Биомедицинская техника» МГТУ имени Н.Э. Бау'
мана, а также ведущие специалисты других высших учебных заведе'
ний и научных учреждений Москвы.
При подготовке материалов была проанализирована и критичес'
ки осмыслена новейшая отечественная и зарубежная учебная литера'
тура по биомедицинской инженерии, в частности используемая в
университетах США. Анализ показал, что планируемая серия не име'
ет аналогов в отечественной учебно'методической литературе и нахо'
дится на уровне лучших зарубежных изданий.
Поскольку заболевания сердечно'сосудистой системы доминиру'
ют в современной структуре заболеваемости и смертности населения,
логично, что открывающее серию учебное пособие посвящено акту'
альным проблемам биомеханики кровообращения, инженерным ре'
шениям устройств аппаратов для поддержания функций отдельных
элементов и подсистем сердечно'сосудистой системы.
5
В серию «Биомедицинская инженерия в техническом универси'
тете» включены следующие учебники и учебные пособия:
• «Основы взаимодействия физических полей с биообъектами»;
• «Основы теории биотехнических систем»;
• «Моделирование биологических процессов и систем»;
• «Электроды в медико'биологических исследованиях»;
• «Основы биомеханики»;
• «Электрофизические свойства биоструктур».
Надеюсь, что эти учебники и учебные пособия будут полезны
студентам технических университетов, а также студентам медицинс'
ких вузов и медико'биологических факультетов университетов.
Ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана,
член'корреспондент РАН
И.Б. Федоров
ПРЕДИСЛОВИЕ
В современной биомеханике представлены практически все раз'
делы общей механики: материальной точки, дискретных систем и
сплошной среды, абсолютно жесткого и деформируемого тела,
жидкости и газа, прочности и разрушения. Разнообразие разделов и
направлений современной биомеханики, большой объем накоплен'
ных результатов исследований существенно осложняют задачу из'
дания учебной литературы, необходимой для обеспечения подготов'
ки студентов по специальностям направления «Биомедицинская
техника».
Содержание и структура учебного пособия определены исходя из
общих требований к биоинженерной подготовке студентов техничес'
кого университета.
Обзор и анализ наиболее распространенных видов медицинской
техники, изучаемых студентами, показывают, что в учебном пособии
с учетом ограничений объема материала и в соответствии с принятой
классификацией направлений биомеханических исследований в пер'
вую очередь должны быть отражены вопросы биомеханики кровооб'
ращения человека и устройств поддержания функции кровообраще'
ния, широко используемых в современной медицине.
Студенты приступают к изучению биомеханики, предварительно
получив необходимые знания по основам общей анатомии и физио'
логии, поэтому описательная часть представлена в минимальном
объеме. Основное содержание каждого раздела составляют биомеха'
нические схемы и математические модели, экспериментальные мето'
ды и аппаратура, количественные справочные данные, относящиеся к
описываемой биомеханической системе.
Отличительной особенностью учебного пособия является то, что
наряду с традиционными разделами биомеханики кровообращения
(реология крови, биомеханика сосудистой стенки и течения крови в
7
макро' и микрососудах, механика миокарда и целого сердца) в нем
широко представлен современный уровень развития биомеханики
искусственного и вспомогательного кровообращений, протезов кро'
веносных сосудов и клапанов сердца.
Для углубленного изучения отдельных разделов читателю пред'
лагается список рекомендуемой литературы. Однако большинство
изданий вышло в свет 20–30 лет назад и в настоящее время труднодо'
ступно для студентов. Это также явилось фактором, стимулировав'
шим подготовку данного учебного пособия.
Главы 1–4 написаны В.Б. Парашиным, главы 5, 6 – И.П. Итки'
ным; глава 7 – Г.В. Саврасовым, аспирантами Р.В. Юречко и Д.А. Ни'
колаевым.
Авторы благодарны А.А. Княжевой и О.Б. Кузнецовой за боль'
шую работу по подготовке учебного пособия.
Авторы выражают глубокую признательность рецензентам – со'
трудникам кафедры экологии и биофизики МФТИ (зав. кафедрой –
доктор физико'математических наук, профессор Э.М. Трухан) и
доктору биологических наук В.Н. Юречко за ценные советы и пред'
ложения.
1
НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ОСНОВНЫЕ РАЗДЕЛЫ БИОМЕХАНИКИ
Биомеханика – большой раздел биофизики, ставший в настоящее время
самостоятельной научной дисциплиной.
Биомеханика изучает кинематику и динамику движений биологических
систем. Она включает следующие разделы:
механические свойства биологических тканей;
механика массопереноса и массообмена на различных уровнях организации
биоструктур;
механика опорно%двигательного аппарата;
механика устройств и систем для частичного или полного замещения био%
механических функций.
1.1. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И СИСТЕМЫ
Исследования в этом направлении являются фундаментальными,
так как на их основе решается множество прикладных проблем, вхо'
дящих в другие направления. Сюда относятся работы, посвященные
изучению особенностей строения и механических свойств (упругих,
деформативных и прочностных), а также разрушения различных мяг'
ких и твердых биологических тканей и даже целых биологических си'
стем.
Изучению основных механических свойств некоторых биологи'
ческих тканей (кровеносные сосуды, кожа, костная ткань) было посвя'
щено относительно большое количество работ, выполненных, в основ'
ном, представителями различных областей медицины. Однако интен'
сивное развитие это направление биомеханики получило лишь после
того, как к ее проблемам обратились специалисты по механике матери'
алов.
Если с точки зрения современной механики рассмотреть, напри'
мер, костную ткань человека, то оказывается, что по своему строению
она представляет собой сложный композитный материал, обеспечи'
вающий эффективную работу в заданных условиях нагружения. В
технике композитные материалы появились после того, как химикам
удалось создать технологию производства полимеров, которые слу'
9
2
КРОВЬ
Кровь – это жидкая биологическая среда сложного состава, представляю%
щая собой водный раствор ионов, белков, клеток (эритроцитов, лейкоцитов,
тромбоцитов).
С одной стороны, кровь, текущая в крупных сосудах, может рассматри%
ваться как ньютоновская жидкость, основными реологическими свойствами
которой являются плотность и вязкость. Средняя плотность этой «услов%
ной» жидкости немного выше, а средняя вязкость в 3–4 раза превосходит вяз%
кость воды.
С другой стороны, при течении крови в микрососудах и при больших скоро%
стях сдвига особенности ее реологических свойств в основном определяются
наличием эритроцитов.
2.1. ОСНОВНЫЕ РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ
Основные реологические свойства крови, в первом приближении
являющейся суспензией эритроцитов в плазме и рассматриваемой
как сплошная среда, – это плотность и вязкость. Плотность является
характеристикой течения невязкой (идеальной) жидкости, а вязкость
– течения жидкости, не имеющей инертной массы. В системе «плазма
– эритроциты» объемная доля эритроцитов (гематокрит) в норме со'
ставляет около 40 %, следовательно, влияние эритроцитов на реоло'
гические свойства цельной крови является существенным.
Поскольку плазма на 90 % состоит из воды, 7 % составляют бел'
ки, остальное – неорганические компоненты, плотность плазмы прак'
тически равна плотности воды (10
, ⋅ 10 3 кг/м3), отличаясь лишь в чет'
вертом знаке после запятой. Плотность эритроцитов 108
, ⋅ 10 3 кг/м3,
т. е. в покоящейся взвеси плазмы и эритроцитов последние должны
оседать, что и наблюдается на практике.
Вязкость среды есть не что иное, как внутреннее трение, обязанное
своим происхождением межмолекулярным силам (например, силам Ван'
дер'Ваальса). Рассмотрим слой жидкости C2, находящийся на расстоя'
нии x + dx от поверхности и обладающий скоростью v + dv (рис. 2.1).
Слой С1 действует на слой C2 с замедляющей силой F, значение
которой при малых скоростях пропорционально градиенту скорости
24
3
СОСУДЫ
Крупные сосуды (артерии и вены) in vivo представляют собой тонкостен%
ные линейно%упругие трубки, волны давления в которых могут распростра%
няться со скоростью порядка нескольких метров в секунду. При давлениях в
этих сосудах, превышающих нормальные значения, жесткость стенки резко
возрастает. Адаптивное упругое поведение стенок крупных сосудов обусловле%
но их композитной структурой (эластин + коллаген) и имеет важное физиоло%
гическое значение.
Течение крови в макрососудах ламинарное, со сложным (в общем случае
трехмерным) профилем скоростей, что обусловлено ветвящейся структурой
сосудистой системы и пульсирующим потоком в артериях.
Особенности течения крови в микрососудах следующие:
кровь не может рассматриваться как однородная среда;
при анализе процесса прохождения эритроцитов через капилляры необхо%
димо учитывать их ориентированность, деформацию, наличие «смазочного
слоя» плазмы;
процесс течения в микрососудах происходит параллельно с массообменом
через стенку, что требует совместного количественного описания этих сопря%
женных процессов.
3.1. БИОМЕХАНИКА СТЕНКИ МАКРОСОСУДОВ
Система кровеносных сосудов, обеспечивающая транспорт крови
через все ткани тела, разделяется сетью микрососудов на две сосуди'
стые подсистемы. Артериальная подсистема или подсистема высокого
давления – это сеть относительно толстостенных вязкоэластичных
трубок, по которым кровь перемещается от сердца к периферии
(табл. 3.1). Венозная подсистема или подсистема низкого давления об'
разуется сетью трубок с более тонкой стенкой, но большего диаметра,
по которым кровь возвращается от периферии к сердцу (табл. 3.2). Не'
смотря на различие в толщине, стенки всех артерий и вен имеют оди'
наковую трехслойную структуру. Внутренний, самый тонкий слой, на'
зываемый tunica intima (интима, или сосудистый эндотелий), состоит
из одного слоя эндотелиальных клеток, фиксированных в полисаха'
ридной межклеточной матрице. Интима окружена тонким слоем су'
41
4
СЕРДЦЕ
Основным методом биомеханического анализа и описания насосной функ%
ции сердца является исследование зависимостей «давление – объем» или «дав%
ление – поток».
Здоровое сердце человека и животного обладает свойством внутрисердечного
гомеостаза, т. е. способностью к адаптивной регуляции производительности в за%
висимости от условий преднагрузки (давления наполнения) и постнагрузки (про%
тиводавления при выбросе). Благодаря этому в артериальной и венозной системе
поддерживаются уровни давления, близкие к нормальным, при увеличении минут%
ного объема кровообращения при физической нагрузке в 2–3 раза.
«Рабочий цикл» сердца состоит из двух основных фаз – систолы и диастолы,
– а также фаз изоволюметрического сокращения и расслабления миокарда. Фазо%
вый анализ сердечного цикла позволяет дать полное описание процесса работы
сердца, сформулировать критерии нормы и патологии его насосной функции.
Исследования сократительной функции и пассивных реологических
свойств одномерного препарата (полоски) ткани миокарда дают ценную ин%
формацию для изучения всего сердца, причин развития сердечной недостаточ%
ности, экспресс%оценки эффективности кардиотропных фармакологических
воздействий.
4.1. ФАЗОВАЯ СТРУКТУРА СЕРДЕЧНОГО ЦИКЛА
В биомеханике сердца традиционно сложились два направления
исследований (и, соответственно, два подхода к классификации и из'
ложению их результатов). Особенность первого направления – опи'
сание насосной функции сердца как «черного ящика» в параметрах
«давление – объем» или «давление – расход», без детального анализа
механизмов функционирования миокарда на надклеточном (мышеч'
ная полоска), клеточном и молекулярном уровнях. Второе направле'
ние – это первое «с точностью до наоборот».
Учитывая, что данное учебное пособие ориентировано на подго'
товку биоинженеров, предпочтение отдано первому подходу.
Как известно, сердце человека включает правый и левый желу'
дочки, предсердия, клапанный аппарат, сообщающиеся с сердцем ар'
терии и вены. Клапаны расположены на входе и на выходе обоих же'
116
5
ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ КРОВООБРАЩЕНИЕ
Вспомогательное кровообращение (ВК) – это современный метод кардио%
хирургического лечения сердечной недостаточности.
Насос, подключаемый к системе кровообращения, обеспечивает разгрузку
миокарда, повышение коронарного кровотока, что способствует улучшению
сократимости сердца после отключения насоса.
Основные виды устройств ВК – внутриаортальные баллонные контр%
пульсаторы, пульсирующие и непульсирующие насосы для обходного шунтиро%
вания. Современные конструкции насосов по своим показателям биосовмести%
мости, энергетическим и массогабаритным параметрам обеспечивают время
непрерывной работы до одного года.
5.1. ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИКИ СЕРДЦА И ОСНОВНЫЕ
МЕТОДЫ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ
За последнее десятилетие ВК стало использоваться достаточно
широко как альтернатива фармакотерапии при лечении сердечной
недостаточности.
Первичная задача ВК – поддержание кровообращения в организ'
ме больного на уровне, обеспечивающем нормальный метаболизм ор'
ганов и тканей, снижение работы ослабленного миокарда и увеличе'
ние потребления им кислорода.
Вспомогательное кровообращение используется на двух группах
пациентов.
Первая группа – пациенты, сердцу которых необходима времен'
ная разгрузка, чтобы дать ему возможность восстановить свою функ'
цию. Обычно это больные с посткардиотомическим кардиогенным
шоком. Вторая группа – больные с инфарктом миокарда, острым
миокардитом или в конечной стадии сердечной недостаточности,
функция сердца которых не восстанавливается и которым необходи'
мо ВК для перехода к трансплантации сердца.
В США около 6...7 тыс. пациентов в год получают помощь после
кардиохирургического вмешательства с использованием ВК. Опера'
ции по двухэтапной трансплантации сердца выполняются 300–400
пациентам в год.
140
6
ИСКУССТВЕННОЕ КРОВООБРАЩЕНИЕ
Необходимость временной остановки сердца для проведения кардиохирур%
гических операций стимулировала разработку аппаратов искусственного кро%
вообращения (АИК).
Основные элементы АИК: экстракорпоральный оксигенатор, насос для
крови, теплообменник, фильтры эмболов и воздушных пузырьков, система со%
единительных магистралей.
Наилучшим современным оксигенатором является мембранный микропо%
ристый оксигенатор, однако по показателям эффективности газообмена он
значительно уступает природному прототипу – легким здорового человека.
Роликовый насос для крови наиболее широко используется в АИК, обеспе%
чивая тромборезистентность и не вызывая травму крови при продолжитель%
ной перфузии до двух часов.
Основным толчком к развитию техники искусственного кровооб'
ращения послужила необходимость хирургического лечения некото'
рых болезней сердца, которое может быть проведено только на оста'
новленном сердце (приобретенные пороки сердца и т. д). Главной зада'
чей в этих условиях было поддержание адекватного кровообращения в
жизненно важных органах и в первую очередь в головном мозге – орга'
не, наиболее чувствительном к отсутствию кровообращения. Отсутст'
вие кровообращения в головном мозге может привести к необратимым
изменениям его тканей за 5...6 мин.
Современное искусственное кровообращение своими корнями
уходит в первые опыты, которые начали проводить физиологи по
перфузии изолированных органов. Искусственная оксигенация была
продемонстрирована Hooke в 1667 г., а концепция экстракорпораль'
ного кровообращения показана Le Gallois в 1812 г. в экспериментах
по перфузии мозга у кроликов через каротидную артерию.
Brown'Sequard в 1858 г. указал на необходимость оксигенации крови
во время экстракорпорального кровообращения. Он получал алую
оксигенированную кровь за счет встряхивания темной венозной кро'
ви. Длительная оксигенация крови с помощью потока пузырьков ки'
слорода была продемонстрирована von Schroeder в 1882 г., а чуть поз'
же в 1885 г. Frey и Gruber сконструировали первый пленочный окси'
173
7
ПРОТЕЗЫ КЛАПАНОВ СЕРДЦА
И МАГИСТРАЛЬНЫХ СОСУДОВ
Разработка искусственных клапанов сердца (ИКС) для коррекции пороков
клапанного аппарата началась в середине ХХ в.
Первой клинически приемлемой конструкцией был шариковый клапан, у ко%
торого в дальнейшем выявились следующие недостатки: большая масса запи%
рающего элемента, большое сопротивление в открытом положении, высокие
напряжения сдвига в потоке.
Современные дисковые ИКС имеют один или два запирающих диска из пи%
роуглерода. Срок их службы, по накопленным клиническим данным, составляет
десятки лет. С целью обеспечения более равномерного профиля скоростей по%
тока ведутся разработки трехлепесткового клапана. Сконструирован и испы%
тан также искусственный венозный клапан для имплантации в глубокие вены
нижних конечностей.
В настоящее время в сосудистой хирургии используются биологические
(ауто%, алло% или ксенотрансплантанты) и искусственные протезы магист%
ральных сосудов.
Биопротезы обладают лучшей механической и биологической совместимо%
стью, однако подвержены кальцификации. Они чаще используются при малом
(< 6 мм) диаметре замещаемого сосуда.
Основные виды искусственных протезов – полиэфирные (дакроновые) вя%
заные или текстильные протезы и протезы из политетрафторэтилена
(ПТФЭ). Стенка последних имеет поры размером около 30 мкм, врастание в
которые фибробластов и капилляров обеспечивает непроницаемость стенки
для жидких и клеточных сред крови.
Протезы из ПТФЭ клинически инертны, гидрофобны, атромбогенны, по%
этому, по современным представлениям, считаются наилучшими.
7.1. ИСКУССТВЕННЫЕ КЛАПАНЫ СЕРДЦА
Лишь немногие приобретенные пороки сердца (несложные фор'
мы митрального стеноза, некоторые варианты недостаточности кла'
панов) могут быть устранены с помощью клапаносохраняющих опе'
раций. Во всех остальных случаях необходима имплантация различ'
ных модификаций искусственных клапанов сердца (ИКС).
190
8
ТЕОРИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПОДОБИЯ
В БИОМЕХАНИКЕ КРОВООБРАЩЕНИЯ
Изучение межвидовой вариабельности количественных показателей кро%
вообращения способствует лучшему пониманию структуры и функции систе%
мы кровообращения человека и является основой медико%биологического моде%
лирования кровообращения.
Накопленные экспериментальные данные обобщены в аллометрических
формулах, описывающих зависимости параметров кровообращения от массы
тела млекопитающих.
Анализ размерностей биомеханических величин позволяет предсказать
теоретические значения показателей степени шкалирующих функций и сопос%
тавить их с экспериментальными значениями. В большинстве случаев наблю%
дается соответствие теории и эксперимента, в частности, для величин, не за%
висящих от массы тела и прямо пропорциональных ей.
Наиболее существенным расхождением является превышение экспери%
ментального значения показателя степени (0,75) над теоретическим значени%
ем (0,66) в регрессионном уравнении для мощности метаболизма. Это может
быть объяснено наличием "скрытых" затрат энергии метаболизма на поддер%
жание равновесия тела животного в поле силы тяжести.
Теория размерностей и биологического подобия позволяет предсказать
вид и параметры функции, учитывающей масштабный фактор, для биомеха%
нических величин при отсутствии межвидовых опытных данных.
8.1. МЕЖВИДОВАЯ ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ
БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Размеры, т. е. пространственные протяженности объектов мате'
риального мира, являются их фундаментальными характеристиками,
в зависимости от которых глубоко и многосторонне меняются свой'
ства предметов и процессов. Влияние совокупности размеров, или
так называемого масштабного фактора, существенно для всех при'
родных, техногенных объектов и в частности, для животных.
Идея подобия зародилась в математике и знакома каждому из
школьного курса геометрии. Распространение этой идеи в область
физики привело к созданию теории размерностей и подобия. В самом
208
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бегун П.И., Шукейло Ю.А. Биомеханика. СПб: Политехника,
2002.
2. Бранков Г. Основы биомеханики: Пер. с болг. – М.: Мир, 1981.
3. Механика кровообращения / К. Каро, Т. Педли, Р. Шротер,
У.Сид: Пер. с англ. М.: Мир, 1981.
4. Педли Т. Гидродинамика крупных кровеносных сосудов: Пер. с
англ. М.: Мир, 1983.
5. Лайтфут Э. Явления переноса в живых системах. Биомеди'
цинские аспекты переноса количества движения и массы: Пер. с англ.
М.: Мир, 1977.
6. Физиология человека. В 3 т. Т. 2 / Под ред. Р. Шмидта и Г. Тев'
са: Пер. с англ. М.: Мир, 1996.
7. Левтов В.А., Регирер С.А., Шадрина Н.Х. Реология крови. М.:
Медицина, 1982.
8. Рашмер Р. Динамика сердечно'сосудистой системы: Пер. с
англ. М.: Медицина, 1981.
9. Физиология кровообращения. Физиология сердца /Серия
«Руководство по физиологии». Л.: Наука, 1980.
10. Гайтон А. Физиология кровообращения. Минутный объем
сердца и его регуляция: Пер. с англ. М.: Медицина, 1969.
11. Фолков Б., Нил Э. Кровообращение: Пер. с англ. М.: Медицина,
1976.
12. Гродинз Ф. Теория регулирования и биологические системы:
Пер. с англ. М.: Мир, 1966.
13. Искусственные органы / Под ред. В.И. Шумакова. М.: Меди'
цина, 1990.
14. Искусственное сердце / В.И. Шумаков, Н.К. Зимин, Г.П. Ит'
кин, Л.И. Осадчий. Л.: Наука, 1988.
15. Шумаков В.И., Махтадзе Т.М., Толпекин В.Е. Аппараты и мето'
ды вспомогательного кровообращения. Тбилиси: Сабчота Сакартве'
ло, 1989.
16. Шмидт'Нильсен К. Размеры животных: почему они так важ'
ны? Пер. с англ. М.: Мир, 1987.
221
ОГЛАВЛЕНИЕ
К читателю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1. Направления исследований и основные разделы биомеханики . . . . . . 9
1.1. Биологические материалы и системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2. Процесы управления и регулирования в биологических системах . . . . 12
1.3. Заменители биологических тканей и систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4. Биомеханика искусственных органов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5. Медицинская биомеханика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6. Биомеханика труда и спорта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.7. Экстремальная биомеханика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2. Кровь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1. Основные реологические свойства жидкостей . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2. Особенности реологических свойств крови . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3. Сосуды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1. Биомеханика стенки макрососудов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2. Механика течения крови в крупных сосудах. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3. Математические модели течения ньютоновской жидкости
в сегменте макрососуда. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4. Биомеханика течения крови и массообмена в микрососудах . . . . . . . 102
4. Сердце. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.1. Фазовая структура сердечного цикла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.2. Нагрузочные характеристики сердца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3. Механика миокарда на ультраструктурных уровнях . . . . . . . . . . . . 130
5. Вспомогательное кровообращение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.1. Основы энергетики сердца и основные методы вспомогательного
кровообращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2. Искусственное сердце . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6. Искусственное кровообращение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.1. Принципы экстракорпорального газообмена. . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.2. Основные типы оксигенаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.3. Принципы построения насосных устройств АИК. . . . . . . . . . . . . . 181
6.4. Дополнительные элементы аппаратов искусственного
кровообращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.5. Консервация крови (аутотрансфузия) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.6. Патофизиология перфузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7. Протезы клапанов сердца и магистральных сосудов . . . . . . . . . . . . 180
7.1. Искусственные клапаны сердца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.2. Протезы кровеносных сосудов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8. Теория биологического подобия в биомеханике кровообращения . . . 208
8.1. Межвидовая вероятность биомеханических величин . . . . . . . . . . . 208
8.2. Размерность и подобие в медико'биологическом моделировании . . . 217
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
222
Учебное издание
Биомедицинская инженерия в техническом университете
Владимир Борисович Парашин
Георгий Пинкусович Иткин
БИОМЕХАНИКА КРОВООБРАЩЕНИЯ
Редактор Л.А. Михалева
Художник С.С. Водчиц
Корректор О.В. Калашникова
Технический редактор Н.В. Быкова
Компьютерная верстка В.М. Царев
Оригинал'макет подготовлен в Издательстве
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Санитарно'эпидемиологическое заключение
№ 77.99.02.953 Д. 005683.09.04 от 13.09.2004 г.
Подписано в печать Формат 60х90/16. Печ. л. 14. Уч.'изд. л. 12,89.
Тираж экз. Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2'я Бауманская, 5.
Отпечатано в ГУП ППП «Типография «Наука»