Принцип фика полезен при расчете или интерпретации следующих показателей
В 1870 г. немецкий физиолог Адольф Фик впервые предложил метод измерения объема сердечного выброса у здоровых животных и людей. Основой этого метода, названного принципом Фика,является простое применение закона сохранения массы. Данный закон исходит из положения, что количество кислорода (О2), доставленное в легочные капилляры через легочную артерию, плюс количество О2, попадающее в легочные капилляры из альвеол, должны равняться количеству О2, которое уносится легочными венами.
Принцип Фика схематически изображен на рис. 710251114.
Рис. 710251114. Схема, иллюстрирующая принцип Фика для измерения сердечного выброса[Мф16] .
Количество q1кислорода, доставленного в легкие, равно концентрации О2 в крови легочной артерии ([О2]ра), помноженной на скорость кровотока в легочной артерии (Q), которая равна сердечному выбросу, т. е.
Обозначим количество кислорода, полученное легочными капиллярами из альвеол, как q2. При равновесии q2равно потреблению О2организмом. Количество О2, которое выводится по легочным венам (обозначим его q3), равно концентрации кислорода в крови легочной вены, [О2]pv„ помноженной на общий легочный венозный кровоток, фактически равный кровотоку в легочной артерии (Q), т.е.
Согласно закону сохранения массы
Поэтому
Таким образом, объем сердечного выброса
Это уравнение является формулировкой принципа Фика.
Для клинического определения объема сердечного выброса необходимы три значения:
1) объем потребления кислорода организмом;
2) концентрация кислорода в крови легочной вены ([О2]pv);
3) концентрация кислорода в крови легочной артерии ([О2]ра).
Потребление кислорода рассчитывается на основе измерений объема выдыхаемого воздуха и содержания в нем кислорода через определенный промежуток времени.
Так как концентрация кислорода в периферической артериальной крови в значительной мере идентична его концентрации в легочных венах, определяется в пробе периферической артериальной крови, взятой иглой для пункций.
Кровь легочной артерии фактически представляет собой смешанную венозную кровь. Пробы крови для определения количества кислорода берутся из легочной артерии или правого желудочка через катетер.
Раньше использовался относительно жесткий катетер, который надо было вводить в легочную артерию под рентгеновским контролем. Сегодня очень гибкий катетер с маленьким баллончиком возле наконечника может быть введен в периферическую вену. Когда трубка внутри сосуда, кровоток переносит ее к сердцу. Следуя изменениям давления, врач может ввести наконечник катетера в легочную артерию без помощи рентгеноскопии.
Пример рассчета объема сердечного выброса здорового взрослого человека, находящегося в состоянии покоя, показан на рис. 710251114. При потреблении кислорода 250 мл/мин, его содержании в артериальной (легочной венозной) крови 0,20 мл на 1 мл крови и в смешанной венозной (легочной артериальной) крови 0,15 мл на 1 мл крови объем сердечного выброса равен 250/(0,20 – 0,15) = 5000 мл/мин.
Принцип Фика также используется для оценки потребления кислорода органами, когда есть возможность для определения кровотока и содержания кислорода в артериальной и венозной крови. Алгебраическая подстановка показывает, что оно равно кровотоку, умноженному на разницу между концентрациями О2 в артериальной и венозной крови. Например, если кровоток через одну почку составляет 700 мл/мин, содержание кислорода в артериальной крови равно 0,20 мл на 1 мл крови, а в крови почечной вены — 0,18 мл на 1 мл крови, скорость потребления должна быть 700 (0,2-0,18) = 14 мл О2 в 1 мин.
Метод Стюарта-Гамильтона определенияи сердечного выброса[Мф17]
Метод применения растворенных индикаторов для измерения объема сердечного выброса также основывается на законе сохранения массы; он схематично изображен на рис. 710251134.
Рис. 710251134. Метод разведения индикатора для измерения сердечного выброса. В этой модели, в которой нет рециркуляции, количество q, мг, красящего вещества одномоментно впрыскивается в точке А в кровоток при Q мл/мин. Смешанный образец жидкости, протекающей через точку В, пропускается с постоянной скоростью через денситометр; С — концентрация красителя в жидкости. Получающаяся в результате кривая концентрации красителя в точке В имеет конфигурацию, показанную в нижней части рисунка.
На схеме жидкость течет через трубку со скоростью Q (мл/с), и q (мг) красящего вещества одномоментно вводится в ее поток в точке А. Смешивание происходит в какой-то точке потока ниже по течению. Если небольшую пробу жидкости непрерывно там забирать (из точки В) и пропускать через денситометр, кривая концентрации красящего вещества, с, может быть записана как функция времени t (см. нижнюю часть рис. 710251134).
Если между точками А и В не происходит потери красящего вещества, количество красителя, q, проходящее через точку В между моментами времени t1и t2, будет равно
где — средняя концентрация красителя. Ее величина может быть вычислена путем деления размера области концентрации красителя на продолжительность (t2 –t1) кривой, т.е.
Подставляем величину с в уравнение 45.6 и вычисляем значение Q.
Таким образом, поток может быть измерен путем деления количества индикатора (красящего вещества), введенного в него выше по течению, на отрезок, расположенный под кривой концентрации красителя ниже по течению.
Этот метод широко использовался для измерения объема сердечного выброса у человека. Измеренное количество какого-либо индикатора (красителя или радиофармпрепарата, который остается внутри циркуляции) быстро вводится в крупную центральную вену или правую половину сердца через катетер. Артериальная кровь непрерывно пропускается через детектор (денситометр или счетчик радионуклидов), и кривая концентрации индикатора записывается как функция времени.
В настоящее время наиболее популярным методом растворения красящих веществ является термодилюционный метод.Как индикатор здесь используется холодный солевой раствор. Его температура и объем точно устанавливаются перед инъекцией. Гибкий катетер вводится в периферическую вену и продвигается так, чтобы наконечник попал в легочную артерию. Маленький терморезистор на конце катетера записывает изменения температуры. Отверстие в катетере находится на расстоянии нескольких дюймов от наконечника. Когда конец катетера помещен в легочную артерию, отверстие, соответственно, находится в правом предсердии или рядом с ним. Холодный солевой раствор быстро вводится через катетер в правое предсердие и вытекает через отверстие катетера. Изменение температуры ниже по течению крови записывается терморезистором в легочной артерии.
Термодилюционный метод обладает следующими преимуществами: 1) отпадает необходимость в артериальной пункции; 2) небольшие количества солевого раствора, используемые при каждом измерении, безвредны, что дает возможность проводить повторные измерения; 3) рециркуляция незначительна. Температура выравнивается за счет того, что охлажденная кровь протекает через сеть легочных и системных капилляров до того, как во второй раз проходит через терморезистор в легочной артерии.
Оценка сердечного выброса. Измерение сердечного выброса методом ФикаВ экспериментах на животных удается канюлировать аорту, легочную артерию, крупные вены, впадающие в сердце, и измерить сердечный выброс с помощью электромагнитного или ультразвукового флоуметра. У больных сердечный выброс, за редким исключением, измеряют непрямыми методами, не требующими хирургического вмешательства. Двумя широко распространенными методами являются метод Фика и метод разведения индикатора. а) Пульсирующий характер кровотока, измеренного электромагнитным или ультразвуковым флоуметром. На рисунке ниже представлена кривая кровотока, зарегистрированная у собаки в начальной части аорты с помощью электромагнитного флоуметра. На рисунке видно, что кровоток быстро нарастает до максимума во время систолы, а затем в конце систолы на долю секунды меняет направление на противоположное. Этот обратный ток крови закрывает аортальные клапаны, затем возвращается к нулевому уровню.
б) Измерение сердечного выброса методом Фика. Рисунок ниже объясняет принцип метода Фика. На рисунке показано, что протекающая в легочных сосудах кровь поглощает 200 мл кислорода за 1 мин. Видно также, что венозная кровь, поступающая в правую половину сердца, содержит 160 мл кислорода на 1 л крови, в то время как артериальная кровь, покидающая левую половину сердца, содержит 200 мл кислорода на 1 л крови. Используя эти данные, можно рассчитать, что каждый литр крови, протекая через легочные сосуды, поглощает 40 мл кислорода.
Общее количество кислорода, поглощенного кровью в легких за минуту, равно 200 мл, и разделив 200 мл на 40, определим, сколько литров крови должно пройти через легкие, чтобы поглотить данное количество кислорода. Итак, количество крови, протекающее через легкие за 1 мин, равно 5 л, что и составляет величину сердечного выброса. Сердечный выброс можно рассчитать по формуле: Сердечный выброс (л/мин) = О2, поглощенный легкими (мл/мин)/ Артериально-венозная разница О2 (мл/л крови). Используя метод Фика для определения сердечного выброса у человека, необходимо взять пробу смешанной венозной крови из правого желудочка. Для этого зонд вводят в плечевую вену и продвигают его через подключичную вену в правое предсердие, а затем в правый желудочек или легочную артерию. Пробу артериальной крови можно взять из любой артерии большого круга кровообращения. Скорость поглощения кислорода в легких можно определить по уменьшению количества кислорода в выдыхаемом воздухе с помощью любого оксиметра. в) Измерение сердечного выброса методом разведения индикатора. Для измерения сердечного выброса методом разведения индикатора небольшое количество индикатора, например красителя, вводят в крупную вену большого круга кровообращения или в правое предсердие. Индикатор быстро проходит из правой половины сердца в легочные сосуды, затем попадает в левую половину сердца, а из них — в артериальную систему. Концентрацию красителя определяют, пока кровь проходит через одну из периферических артерий, а затем строят кривую, как показано на рисунке ниже. В каждом из приведенных примеров 5 мл красителя трикабоцианина зеленого (Cardio-Green) было введено в момент времени «О».
В верхней части рисунка видно, что в течение 3 сек после инъекции краситель в артериальном сосуде не появлялся, а затем концентрация его быстро нарастала до максимума в течение 6-7 сек. После этого концентрация быстро снижалась, но прежде чем она упала до нуля, началась повторная циркуляция красителя с током крови. Концентрация красителя опять начала нарастать. Для правильного расчета необходимо экстраполировать нисходящую часть первой кривой до нулевого уровня, как показано на рисунке пунктирной линией. Таким способом экстраполированная кривая изменения концентрации за период времени до рециркуляции красителя дает точный результат в своей первой части и приблизительный — в заключительной. Получив экстраполированную кривую «концентрация-время», можно рассчитать среднюю концентрацию красителя в артериальной крови за весь период времени. Площадь кривой соответствует площади прямоугольника, выделенного на рисунке розовым цветом. При этом средняя концентрация красителя равна 0,25 мг/дл, а продолжительность тока крови, содержащей краситель, — 12 сек. Поскольку общее количество индикатора, введенного в кровоток в начале исследования, равно 5 мг, нетрудно рассчитать, что за 12 сек через артерию протекало 2 л крови, что соответствует сердечному выбросу 10 л/мин. Попробуйте самостоятельно рассчитать сердечный выброс по экстраполированной кривой, изображенной в нижней части рисунка выше. Расчет производится по следующей формуле:
– Также рекомендуем “Кровоток в скелетных мышцах. Регуляция кровотока в мышцах” Оглавление темы “Мышечный и коронарный кровоток”: |
В 1870 г. немецкий физиолог Адольф Фик впервые предложил метод измерения объема сердечного выброса у здоровых животных и людей. Основой этого метода, названного принципом Фика,является простое применение закона сохранения массы. Данный закон исходит из положения, что количество кислорода (О2), доставленное в легочные капилляры через легочную артерию, плюс количество О2, попадающее в легочные капилляры из альвеол, должны равняться количеству О2, которое уносится легочными венами.
Принцип Фика схематически изображен на рис. 710251114.
Рис. 710251114. Схема, иллюстрирующая принцип Фика для измерения сердечного выброса[Мф16] .
Количество q1кислорода, доставленного в легкие, равно концентрации О2 в крови легочной артерии ([О2]ра), помноженной на скорость кровотока в легочной артерии (Q), которая равна сердечному выбросу, т. е.
Обозначим количество кислорода, полученное легочными капиллярами из альвеол, как q2. При равновесии q2равно потреблению О2организмом. Количество О2, которое выводится по легочным венам (обозначим его q3), равно концентрации кислорода в крови легочной вены, [О2]pv„ помноженной на общий легочный венозный кровоток, фактически равный кровотоку в легочной артерии (Q), т.е.
Согласно закону сохранения массы
Поэтому
Таким образом, объем сердечного выброса
Это уравнение является формулировкой принципа Фика.
Для клинического определения объема сердечного выброса необходимы три значения:
1) объем потребления кислорода организмом;
2) концентрация кислорода в крови легочной вены ([О2]pv);
3) концентрация кислорода в крови легочной артерии ([О2]ра).
Потребление кислорода рассчитывается на основе измерений объема выдыхаемого воздуха и содержания в нем кислорода через определенный промежуток времени.
Так как концентрация кислорода в периферической артериальной крови в значительной мере идентична его концентрации в легочных венах, определяется в пробе периферической артериальной крови, взятой иглой для пункций.
Кровь легочной артерии фактически представляет собой смешанную венозную кровь. Пробы крови для определения количества кислорода берутся из легочной артерии или правого желудочка через катетер.
Раньше использовался относительно жесткий катетер, который надо было вводить в легочную артерию под рентгеновским контролем. Сегодня очень гибкий катетер с маленьким баллончиком возле наконечника может быть введен в периферическую вену. Когда трубка внутри сосуда, кровоток переносит ее к сердцу. Следуя изменениям давления, врач может ввести наконечник катетера в легочную артерию без помощи рентгеноскопии.
Пример рассчета объема сердечного выброса здорового взрослого человека, находящегося в состоянии покоя, показан на рис. 710251114. При потреблении кислорода 250 мл/мин, его содержании в артериальной (легочной венозной) крови 0,20 мл на 1 мл крови и в смешанной венозной (легочной артериальной) крови 0,15 мл на 1 мл крови объем сердечного выброса равен 250/(0,20 – 0,15) = 5000 мл/мин.
Принцип Фика также используется для оценки потребления кислорода органами, когда есть возможность для определения кровотока и содержания кислорода в артериальной и венозной крови. Алгебраическая подстановка показывает, что оно равно кровотоку, умноженному на разницу между концентрациями О2 в артериальной и венозной крови. Например, если кровоток через одну почку составляет 700 мл/мин, содержание кислорода в артериальной крови равно 0,20 мл на 1 мл крови, а в крови почечной вены — 0,18 мл на 1 мл крови, скорость потребления должна быть 700 (0,2-0,18) = 14 мл О2 в 1 мин.
Метод Стюарта-Гамильтона определенияи сердечного выброса[Мф17]
Метод применения растворенных индикаторов для измерения объема сердечного выброса также основывается на законе сохранения массы; он схематично изображен на рис. 710251134.
Рис. 710251134. Метод разведения индикатора для измерения сердечного выброса. В этой модели, в которой нет рециркуляции, количество q, мг, красящего вещества одномоментно впрыскивается в точке А в кровоток при Q мл/мин. Смешанный образец жидкости, протекающей через точку В, пропускается с постоянной скоростью через денситометр; С — концентрация красителя в жидкости. Получающаяся в результате кривая концентрации красителя в точке В имеет конфигурацию, показанную в нижней части рисунка.
На схеме жидкость течет через трубку со скоростью Q (мл/с), и q (мг) красящего вещества одномоментно вводится в ее поток в точке А. Смешивание происходит в какой-то точке потока ниже по течению. Если небольшую пробу жидкости непрерывно там забирать (из точки В) и пропускать через денситометр, кривая концентрации красящего вещества, с, может быть записана как функция времени t (см. нижнюю часть рис. 710251134).
Если между точками А и В не происходит потери красящего вещества, количество красителя, q, проходящее через точку В между моментами времени t1и t2, будет равно
где — средняя концентрация красителя. Ее величина может быть вычислена путем деления размера области концентрации красителя на продолжительность (t2 –t1) кривой, т.е.
Подставляем величину с в уравнение 45.6 и вычисляем значение Q.
Таким образом, поток может быть измерен путем деления количества индикатора (красящего вещества), введенного в него выше по течению, на отрезок, расположенный под кривой концентрации красителя ниже по течению.
Этот метод широко использовался для измерения объема сердечного выброса у человека. Измеренное количество какого-либо индикатора (красителя или радиофармпрепарата, который остается внутри циркуляции) быстро вводится в крупную центральную вену или правую половину сердца через катетер. Артериальная кровь непрерывно пропускается через детектор (денситометр или счетчик радионуклидов), и кривая концентрации индикатора записывается как функция времени.
В настоящее время наиболее популярным методом растворения красящих веществ является термодилюционный метод.Как индикатор здесь используется холодный солевой раствор. Его температура и объем точно устанавливаются перед инъекцией. Гибкий катетер вводится в периферическую вену и продвигается так, чтобы наконечник попал в легочную артерию. Маленький терморезистор на конце катетера записывает изменения температуры. Отверстие в катетере находится на расстоянии нескольких дюймов от наконечника. Когда конец катетера помещен в легочную артерию, отверстие, соответственно, находится в правом предсердии или рядом с ним. Холодный солевой раствор быстро вводится через катетер в правое предсердие и вытекает через отверстие катетера. Изменение температуры ниже по течению крови записывается терморезистором в легочной артерии.
Термодилюционный метод обладает следующими преимуществами: 1) отпадает необходимость в артериальной пункции; 2) небольшие количества солевого раствора, используемые при каждом измерении, безвредны, что дает возможность проводить повторные измерения; 3) рециркуляция незначительна. Температура выравнивается за счет того, что охлажденная кровь протекает через сеть легочных и системных капилляров до того, как во второй раз проходит через терморезистор в легочной артерии.