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血行動態

血行動態または血行動態は、 血流の 動態です。循環システムは、油圧回路が制御システムによって制御されるなど、恒常性メカニズムによって制御されます。血行動態反応は、身体とその環境の状態を継続的に監視および調整します。したがって、血行動態は、血管内の血流を支配する物理法則を説明します。

血流は、栄養素、ホルモン、代謝老廃物、O2、CO2の全身輸送を保証し、細胞レベルの代謝、pHの調節、全身の浸透圧および温度、微生物および機械的害からの保護を維持します。

血液は非ニュートン流体であり、流体力学ではなくレオロジーを使用して最もよく研​​究されます。血管は硬いチューブではないため、古典的な粘度計の使用に基づく古典的な流体力学および流体力学では、血行動態を説明することはできません。

血流の研究は血行動態と呼ばれます。血流の特性の研究は、血液レオロジーと呼ばれます。

血液

血液は複雑な液体です。血液は血漿と形成された元素で構成されています。血漿には、水91.5％、タンパク質7％、その他の溶質1.5％が含まれています。形成された要素は血小板、白血球、赤血球であり、これらの形成された要素の存在と血漿分子との相互作用は、血液が理想的なニュートン流体と大きく異なる主な理由です。

プラズマの粘度

正常な血漿は、生理学的なせん断速度ではニュートン流体のように振る舞います。 37°Cでの正常なヒト血漿の粘度の一般的な値は1.4 mN・s / m2です。通常の血漿の粘度は、溶媒の水と同じように温度によって変化します。生理的範囲で温度が5°C上昇すると、血漿粘度が約10％低下します。

血漿の浸透圧

溶液の浸透圧は、存在する粒子の数と温度によって決まります。たとえば、物質の1モル溶液には、その物質1リットルあたり6.022 x 1023分子が含まれており、0℃での浸透圧は2.27 MPa（22.4 atm）です。プラズマの浸透圧は、いくつかの点で循環のメカニズムに影響を与えます。血液細胞の膜を横切る浸透圧差の変化は、水の変化と細胞体積の変化を引き起こします。形状と柔軟性の変化は、全血の機械的特性に影響します。血漿浸透圧の変化は、ヘマトクリット、つまり、血管内と血管外の空間の間で水を再分配することにより、全血中の赤血球の体積濃度を変化させます。これは、順番に全血の力学に影響します。

赤血球

赤血球は柔軟性が高く、両凹形です。その膜は、106 Paの領域のヤング率を持っています。赤血球の変形は、せん断応力によって引き起こされます。懸濁液がせん断されると、せん断速度と濃度に応じて変形と回転の速度が変化するため、赤血球は速度勾配のために変形して回転します。これは循環の仕組みに影響を与え、血液粘度の測定を複雑にする可能性があります。流体に浸漬された剛体球体を通る粘性流体の定常状態の流れでは、そのような流れで慣性が無視できると仮定すると、粒子の下向きの重力は、粘性抗力。この力のバランスから、落下速度はストークスの法則によって与えられることが示されます。

Us = 29（ρp−ρf）μga2{\ displaystyle U_ {s} = {\ frac {2} {9}} {\ frac {\ left（\ rho _ {p}-\ rho _ {f} \ right） } {\ mu}} g \、a ^ {2}}

ここで、aは粒子半径、 ρp 、 ρfはそれぞれ粒子、流体密度μは流体粘度、 gは重力加速度です。上記の方程式から、粒子の沈降速度は半径の二乗に依存することがわかります。粒子が液体中の静止状態から放出されると、上に示すように、最終速度（U）と呼ばれる安定した値に達するまで、沈降速度Usが増加します。

血液希釈

血液希釈は、血液をコロイドまたは晶質で部分的に置換することにより、赤血球および血漿成分の濃度を希釈することです。これは、同種輸血の潜在的な危険に患者をさらすことを避けるための戦略です。

血液希釈は正常血液量である場合があり、これはエキスパンダーの使用による正常な血液成分の希釈を意味します。急性正常血液血液希釈中、その後手術中に失われる（ANH）血液には、ミリメートルあたりの赤血球の割合が比較的少ないため、術中の全血の損失が最小限に抑えられます。したがって、手術中に患者が失った血液は、患者によって実際に失われることはありません。なぜなら、この量は浄化されて患者に向け直されるからです。

一方、血液量過多（HVH）では、血液を除去せずに急性の術前容積拡張を使用します。しかし、液体を選択する際には、混合されたときに、残りの血液が元の血液液体と同様に微小循環で振る舞い、粘度のすべての特性を保持することを保証する必要があります。

どの量のANHを適用すべきかを提示する際に、ある研究では、患者の体重HiとHmを考慮して、ANHを使用して最大のRCM節約を計算するANHの数学モデルを提案しています。 （使用される用語の用語集については、以下を参照してください。）

正常血液量を維持するために、自己血の採取は適切な血液希釈液で同時に置き換える必要があります。理想的には、これは代用血漿とコロイド浸透圧（OP）の等容性交換輸血によって達成されます。コロイドは、微小血管膜に膠質浸透圧をかけるのに十分な大きさの粒子を含む液体です。コロイドまたは晶質の使用を議論するとき、スターリング方程式のすべての要素について考えることが不可欠です：

Q = K（S −）{\ displaystyle \ Q = K（S-）}

特定の患者にとって望ましい最小の安全なヘマトクリットを特定するには、次の式が役立ちます。

BLs =EBVln⁡HiHm{\ displaystyle \ BL_ {s} = EBV \ ln {\ frac {H_ {i}} {H_ {m}}}}

ここで、EBVは推定血液量です。このモデルでは70 mL / kgが使用され、 Hi （初期ヘマトクリット）は患者の初期ヘマトクリットです。上記の式から、ANHからHmまでに除去される血液の量はBLと同じであることが明らかです。除去する血液の量は通常、量ではなく重量に基づいています。最大安全ヘマトクリット（ANH）に希釈するために除去する必要があるユニットの数は、

ANH = BLs450 {\ displaystyle ANH = {\ frac {BL_ {s}} {450}}}

これは、血液希釈によって除去された各ユニットの容量が450 mLであるという仮定に基づいています（ユニットの実際の容量は、容量ではなく重量に依存するため、ユニットの実際の容量は多少異なります）。モデルは、手術前に血液希釈値がHmに等しいと想定しているため、SBLの開始時に血液希釈によって得られた血液の再輸血を開始する必要があります。 ANH（RCMm）後の再輸血に利用できるRCMは、患者のHiおよび血液希釈後の最終ヘマトクリット（ Hm ）から計算できます。

RCM = EVB×（Hi-Hm）{\ displaystyle RCM = EVB \ times（H_ {i} -H_ {m}）}

ANHがHm（BLH）を下回ることなく使用された場合に可能な最大SBLは、ANH中に除去されたすべての血液が、ヘマトクリットを最小安全レベルに維持するのに十分な速度で患者に戻されると仮定することでわかります

BLH = RCMHHm {\ displaystyle BL_ {H} = {\ frac {RCM_ {H}} {H_ {m}}}}

SBLがBLHを超えない限りANHが使用される場合、輸血の必要はありません。したがって、前述のことから、 Hはsを超えてはならないと結論付けることができます。したがって、 BLHとBLの違いは、ANHを使用した場合に起こり得る外科的失血（ BLi ）の増加です。

BLi = BLH-BLs {\ displaystyle \ {BL_ {i}} = {BL_ {H}}-{BL_ {s}}}

RCMの観点から表現した場合

RCMi = BLi×Hm {\ displaystyle {RCM_ {i}} = {BL_ {i}} \ times {H_ {m}}}

ここで、 RCMiは、ANHを使用せず、失血がBLHに等しい場合にHmを維持するために同種の血液を使用して投与する必要がある赤血球量です。

使用されるモデルは、推定血液量が70 ml / kg（4900 ml）の70 kgの患者に使用されるANHを想定しています。患者に利益をもたらすために血液希釈が必要な状態を理解するために、さまざまなHiおよびHmが評価されました。

結果

モデル計算の結果は、0.30から0.50のHiの範囲について、付録に記載されている表に示されています。0.30から0.15の最小ヘマトクリットに対してANHが実行されています。 Hiが0.40の場合、 Hmが0.25であると想定される場合、上記の式から、ヘモトクリットがHmを下回らないため、BLsが2303 mlを超えない場合、RCMカウントはまだ高く、ANHは不要です血液希釈中に5単位の血液を除去する必要があります。これらの条件下で、ANHを使用する場合、この手法の最大の利点を達成するには、失血が2940 mlを超えない場合、 Hmを維持するために同種の血液は必要ありません。このような場合にはANHは1.1充填赤血球ユニット相当の最大値を保存することができ、相同輸血はANHを用いても、 フムを維持するために必要です。このモデルを使用して、特定の患者にANHをいつ使用できるか、およびその利益を最大化するために必要なANHの程度を特定できます。

たとえば、 Hiが0.30以下の場合、患者がHm 0.15に血液希釈されていても、相同PRBCの2単位に相当する赤血球量を節約することはできません。これは、RCMの式から、患者のRCMが上記の式から不足しているためです。 Hiが0.40の場合、ANH中に少なくとも7.5単位の血液を除去する必要があり、2単位の等価性を保存するために0.20のHmになります。明らかに、 Hiが大きく、血液希釈時に除去されるユニットの数が多いほど、ANHは同種輸血を防ぐのに効果的です。ここでのモデルは、 Hi 、SBLの可能性、およびHmの推定値に関する知識に基づいて、医師がANHが患者にとって有益な場所を決定できるように設計されています。モデルでは70 kgの患者を使用しましたが、結果はどの患者にも適用できます。これらの結果を体重に適用するには、表に記載されているBLs、BLH、ANHHまたはPRBCのいずれかの値に、Tと呼ぶ係数を掛ける必要があります。

T = kg70単位の患者の体重{\ displaystyle T = {\ frac {\ text {kg単位の患者の体重}} {70}}}

基本的に、上記のモデルは、ANHを節約できる最大RCMを予測するように設計されています。

要約すると、ANHの有効性は、外科的失血の測定と血流量の測定によって数学的に説明されています。この形式の分析により、技術の潜在的な効率の正確な推定が可能になり、医療分野での測定の適用が示されます。

血流

心拍出量

心臓は循環系のドライバーであり、リズミカルな収縮と弛緩を介して血液を送り出します。心臓からの血流の速度（L / minで表されることが多い）は、心拍出量（CO）として知られています。

心臓から送り出される血液は、最初に体の最大の動脈である大動脈に入ります。その後、ますます小さな動脈に、次に細動脈に、そして最終的に毛細血管に分割され、そこで酸素の移動が起こります。毛細血管は細静脈に接続し、血液は静脈のネットワークを通って右心に戻ります。微小循環-細動脈、毛細血管、および細静脈-は、血管系の大部分の領域を構成し、O2、グルコース、および酵素基質が細胞に移動する部位です。静脈系は、脱酸素化された血液を右心に戻し、肺に送り込まれ、呼吸中に酸素とCO2およびその他の気体廃棄物が交換および排出されます。その後、血液は心臓の左側に戻り、プロセスを再開します。

通常の循環系では、毎分心臓に戻る血液の量は、毎分ポンプで排出される量（心拍出量）にほぼ等しくなります。このため、循環系の各レベルにわたる血流の速度は、主にそのレベルの総断面積によって決定されます。これは、次の方程式で数学的に表現されます。

v = Q / A

どこ

  • v =速度（cm / s）
  • Q =血流（ml / s）
  • A =断面積（cm2）

乱流

血流は血管の滑らかさにも影響され、乱流（カオス）または層流（滑らか）のいずれかとなります。動脈壁への脂肪沈着の蓄積により、滑らかさが低下します。

レイノルズ数（NRまたはReと表示）は、チューブ内の液体（この場合は血管内の血液）の挙動を決定するのに役立つ関係です。

この無次元の関係の方程式は、次のように記述されます。

NR =ρvLμ{\ displaystyle NR = {\ frac {\ rho vL} {\ mu}}}
  • ρ ：血液の密度
  • v ：血液の平均速度
  • L ：容器の特徴的な寸法、この場合は直径
  • μ ：血液の粘度

レイノルズ数は、チューブの速度と直径に正比例します。 NRは平均速度と直径に直接比例することに注意してください。レイノルズ数が2300未満は層流です。これは一定の流れの動きを特徴とし、4000を超える値は乱流として表されます。他の血管に比べて半径が小さく速度が遅いため、毛細管でのレイノルズ数は非常に低く、乱流ではなく層流になります。

速度

多くの場合、cm / sで表されます。この値は、血管の総断面積に反比例し、通常の状態では血流は層流特性を持っているため、断面ごとに異なります。このため、血流速度は血管の中央で最も速く、血管壁で最も遅くなります。ほとんどの場合、平均速度が使用されます。血流速度を測定する方法には、フレーム間分析を使用したビデオ毛細管顕微鏡法やレーザードップラー風速計など、多くの方法があります。動脈の血液速度は、拡張期より収縮期の方が高くなります。この差を定量化する1つのパラメーターは拍動指数 （PI）です。これは、最大収縮期速度と最小拡張期速度の差を心周期中の平均速度で割ったものに等しくなります。この値は、心臓からの距離とともに減少します。

PI = vsystole−vdiastolevmean {\ displaystyle PI = {\ frac {v_ {systole} -v_ {diastole}} {v_ {mean}}}}
血管の種類総断面積血流速度（cm / s）
大動脈 3–5 cm2 40 cm /秒
毛細血管 4500〜6000 cm2 0.03 cm / s
下大静脈 14 cm2 15 cm /秒

血管

血管抵抗

抵抗は、血管の半径、血管の長さ、および血液の粘度にも関連しています。

Hagen–Poiseuilleの方程式で示される、流体に基づく最初のアプローチ。方程式は次のとおりです。

ΔP=8μlQπr4{\ displaystyle \ Delta P = {\ frac {8 \ mu lQ} {\ pi r ^ {4}}}}
  • ∆ P ：圧力降下/勾配
  • μ ：粘度
  • l ：チューブの長さ。長さが無限に長い血管の場合、lは血管の直径に置き換えられます。
  • Q ：血管内の血液の流速
  • r ：船の半径

Thurstonによると、血管抵抗のより現実的な2番目のアプローチでは、血流に関する実験的観察から得られ、閉塞した流れを囲む壁にプラズマ放出細胞層があります。これは、距離δで粘度ηがη（δ）と書かれたδの関数である流体層であり、これらの周囲の層は実際の血流の血管中心で出会うことはありません。代わりに、RBCの高濃度を保持するため、超粘性の詰まった流れがあります。サーストンはこの層を流動抵抗に組み込んで、壁層からの粘度η（δ）と厚さδによって血流を記述しました。

血流抵抗法は、血流プロファイルに適応したRとして表示されます。

R =cLη（δ）/（πδr3）{\ displaystyle R = cL \ eta（\ delta）/（\ pi \ delta r ^ {3}）}

どこ

  • R =血流に対する抵抗
  • c =一定の流量係数
  • L =船の長さ
  • η（δ）=壁プラズマ放出細胞層内の血液の粘度
  • r =血管の半径
  • δ=プラズマ放出セル層の距離

血液抵抗は、血液の粘度とその詰まった流れ（または血管の断面にわたって相補的であるためシースの流れ）のサイズ、および血管のサイズによっても異なります。血管内の安定した層流を想定すると、血管の挙動はパイプの挙動に似ています。たとえば、p1とp2が圧力である場合、圧力はチューブの端にあり、圧力降下/勾配は次のとおりです。

p1-p2l =ΔP{\ displaystyle {\ frac {p_ {1} -p_ {2}} {l}} = \ Delta P}

拡大せずに見るのに十分な大きさのすべてを含むより大きな動脈は、血管抵抗が低く（動脈硬化の進行がないと仮定）、圧力がわずかに低下するだけの高流量の導管です。小さい動脈と細動脈は抵抗が大きく、主要な動脈全体の主な血圧低下を循環系の毛細血管に与えます。

細動脈では、血圧は主要な動脈よりも低くなっています。これは、圧力の低下を引き起こす分岐によるものです。分岐が多いほど、総断面積が大きくなるため、表面全体の圧力が低下します。これが、細動脈の圧力低下が最も大きい理由です。細動脈の圧力降下は、流量と抵抗の積です：∆P = Q xresistance。主に∆ Pを左右する細動脈で見られる高い抵抗は、約30 µmの小さな半径の結果です。チューブの半径が小さいほど、流体の流れに対する抵抗が大きくなります。

細動脈の直後に毛細血管があります。細動脈で観察される論理に従って、細動脈と比較して毛細血管の血圧が低くなると予想されます。圧力は単位面積あたりの力の関数であるため（ P = F / A ）、表面積が大きいほど、外力が作用したときの圧力は小さくなります。毛細血管の半径は非常に小さいですが、毛細血管のネットワークは血管ネットワークの中で最も大きな表面積を持っています。それらは、人間の血管網で最大の表面積（485 mm ^ 2）を持つことが知られています。総断面積が大きいほど、平均速度と圧力が低くなります。

血管収縮薬と呼ばれる物質は、血管のサイズを縮小し、それによって血圧を上昇させる可能性があります。血管拡張薬（ニトログリセリンなど）は血管のサイズを大きくするため、動脈圧が低下します。

血液の粘度が増加する（濃くなる）と、結果として動脈圧が増加します。特定の病状により、血液の粘度が変化する場合があります。たとえば、貧血（赤血球濃度が低い）は粘度を下げますが、赤血球濃度を上げると粘度が上がります。アスピリンおよび関連する「血液シンナー」薬は血液の粘性を低下させると考えられていましたが、代わりに、血液の凝固傾向を減少させることによって作用することが判明しました。

壁の張力

部位に関係なく、血圧はヤング-ラプラス方程式に従って血管の壁張力に関連しています（血管壁の厚さが内腔の直径と比較して非常に小さいと仮定）：

σθ= Prt {\ displaystyle \ sigma _ {\ theta} = {\ dfrac {Pr} {t}} \}

どこ

  • Pは血圧
  • tは壁の厚さです
  • rは円柱の内側半径です。
  • σθ{\ displaystyle \ sigma _ {\ theta} \！}は円柱応力または「フープ応力」です。

薄壁の仮定が有効であるためには、容器の壁厚は半径の約10分の1（多くの場合20分の1と呼ばれる）以下でなければなりません。

円柱応力は、円柱壁に円周方向に（軸と物体の半径の両方に垂直に）作用する平均力であり、次のように説明できます。

σθ= Ftl {\ displaystyle \ sigma _ {\ theta} = {\ dfrac {F} {tl}} \}

どこ：

  • Fは、側面として次の2つの長さを持つシリンダー壁の領域に円周方向に作用する力です。
  • tは円柱の半径方向の厚さです
  • lはシリンダーの軸方向の長さです

ストレス

材料に力が加えられると、材料は変形または移動し始めます。材料を変形させる（たとえば、流体を流す）ために必要な力は、材料Aの表面のサイズとともに増加するため、この力Fの大きさは、表面の一部の面積Aに比例します。したがって、単位面積あたりの力である量（F / A）は、応力と呼ばれます。動脈を通る血流に関連する壁でのせん断応力は、動脈のサイズと形状に依存し、0.5〜4 Paの範囲になります。

σ= FA {\ displaystyle \ sigma = {\ frac {F} {A}}}。

通常の条件下では、アテローム発生、血栓症、平滑筋増殖および内皮アポトーシスを回避するために、せん断応力はその大きさと方向を許容範囲内に維持します。血液ハンマーにより発生する場合には、せん断応力がより大きな値に達します。一方、血行動態の状態によっては、逆流によってストレスの方向も変わる場合があります。したがって、この状況はアテローム性動脈硬化症につながる可能性があります。

キャパシタンス

血液量の70％以上が静脈系に存在するため、静脈は体の「容量性血管」と呼ばれます。静脈は動脈よりも順応性があり、変化する容積に対応するために拡張します。

血圧

循環の血圧は、主に心臓のポンプ作用によるものです。心臓のポンピング作用により拍動性の血流が発生し、それが動脈に流れ込み、微小循環を通過し、最終的には静脈系を介して心臓に戻ります。各心拍中に、全身の動脈血圧は最大（収縮期）圧力と最小（拡張期）圧力の間で変化します。生理学では、これらはしばしば次のように計算される平均動脈圧（MAP）という1つの値に単純化されます。

MAP≈⁄2⁄（BPdia）+ ⁄1⁄3（BPsys）

どこ：

  • MAP =平均動脈圧
  • BPdia =拡張期血圧
  • BPsys =収縮期血圧

平均血圧の違いは、循環のある場所から別の場所への血流の原因です。平均血流速度は、血圧と血管が示す血流抵抗の両方に依存します。循環血液が、エネルギーの粘性損失のために、動脈および毛細血管を通って心臓から遠ざかるにつれて、平均血圧は低下します。平均血圧は循環全体にわたって低下しますが、低下の大部分は小さな動脈と細動脈に沿って発生します。重力は静水圧を介して血圧に影響し（たとえば、立っているとき）、静脈の弁、呼吸、および骨格筋の収縮からの圧送も静脈の血圧に影響します。

圧力、流量、抵抗の関係は、次の式で表されます。

流量=圧力/抵抗

循環系に適用すると、以下が得られます。

CO =（MAP – RAP）/ TPR

どこ

  • CO =心拍出量（L /分）
  • MAP =平均動脈圧（mmHg）、心臓を出るときの平均血圧
  • RAP =右心房圧（mmHg）、心臓に戻るときの平均血圧
  • TPR =総末梢抵抗（mmHg * min / L）

この方程式の簡略化された形式は、右心房圧が約0であると仮定しています。

CO≈MAP / TPR

標準的な血圧カフが圧力を測定する上腕動脈の理想的な血圧は、120/80 mmHgです。他の主要な動脈は、同様のレベルの血圧記録を有し、主要な動脈間の格差が非常に低いことを示しています。無名動脈では、平均測定値は110/70 mmHg、右鎖骨下動脈は平均120/80、腹部大動脈は110/70 mmHgです。動脈の圧力が比較的均一であることは、これらの血管が血管内で輸送される液体の圧力リザーバーとして機能することを示しています。

血液が主要な動脈から細動脈、毛細血管を通り、細静脈を介して心臓に押し戻されるまで圧力が徐々に低下し、筋肉の助けを借りて静脈が大静脈を通ります。任意の圧力低下で、流量は血流への抵抗によって決まります。動脈では、病気がないため、血液に対する抵抗はほとんどないか、まったくありません。血管径は、抵抗を制御するための最も重要な決定要因です。体内の他の小さな血管と比較して、動脈の直径ははるかに大きく（4 mm）、したがって抵抗は低くなります。

腕と脚（血圧）の勾配は、腕で測定した血圧と脚で測定した血圧の差です。通常は10 mm Hg未満ですが、大動脈縮窄などで増加する場合があります。

臨床的な意義

モニタリング

血行動態モニタリングは、血圧や心拍数などの経時的な血行動態パラメータの観察です。血圧は、挿入された血圧トランスデューサアセンブリを介して侵襲的に監視するか（連続モニタリングを提供）、または膨張式血圧カフで血圧を繰り返し測定することによって非侵襲的に監視できます。

用語集

ANH急性正常血液凝固ANHu ANH中のユニット数BLH同種輸血が必要になる前にANHを使用した場合に可能な最大失血量EBV推定血液量（70 mL / kg）Hctヘマトクリットは常にここで分数として表されます。Hi初期ヘマトクリットHm最小安全ヘマトクリットPRBC赤血球相当ANH RCM赤血球保存量。 ANH SBLの外科的失血によって救われたANH RCMI赤血球質量後の輸血に利用可能なRCMH細胞質量

語源と発音

血行動態 （/ ˌhiːmədaɪˈnæmɪks、-moʊ-/）という言葉は、 hemo- （実際にはこの用語は古代ギリシャ語のハイマ 、つまり血液を意味します）と動力学 、つまり「血液の動力学」の組み合わせを使用しています。 hemo-音節の母音を種々 AE / Eの変化に応じて書き込まれます。

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