Биомеханика кровообращения

Áèîìåõàíèêà
êðîâîîáðàùåíèÿ
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
П18
Парашин В.Б., Иткин Г.П.
Биомеханика кровообращения: Учеб. пособие / Под ред.
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
© В.Б. Парашин, Г.П. Иткин, 2005
© МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2005
© Оформление. Издательство
ISBN 5'7038'2596'2                                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.

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

жат матрицей для склеивания прочных армирующих волокон. Далее
началась разработка методов оптимизации композитных структур
при заданных условиях эксплуатации и создание новых материалов с
заранее заданными свойствами. Тогда же вспомнили и о том, что в
природе существует множество естественных композитных материа'
лов, которые, возникнув и усовершенствовавшись в процессе дли'
тельной эволюции, имеют оптимальную структуру и механические
свойства.
Одной из основных проблем в изучении механического поведения
биологических материалов является необходимость создания единой
методики испытания, что дало бы возможность сопоставлять результа'
ты исследований разных авторов. Здесь следует отметить, что изуче'
ние механических свойств биологических тканей представляет значи'
тельно б
льшие трудности, чем изучение традиционных конструкци'
онных материалов. Эти трудности объясняются тем, что при
испытании биологических тканей необходимо учитывать влияние не
только механических факторов (вид испытания, скорость нагружения
или деформирования, продолжительность нагружения, ориентация
образцов относительно главных осей анизотропии, форма и размеры
образцов, температура и влажность образцов и окружающей среды во
время хранения и эксперимента и др.), но и целого ряда биологических
факторов (раса, пол и возраст человека, степень активности физиоло'
гических функций, а также вид и степень патологических изменений в
рассматриваемом материале, причина смерти человека, локализация
исследуемого образца в изучаемой биологической системе и др.). При
этом отдельный фактор уже сам по себе может быть рассмотрен как не'
зависимая переменная. Например, практический интерес представляет
изучение механических свойств биологических тканей в зависимости
от скорости нагружения, влажности, возраста и т. д.
Еще одна важная проблема связана с обоснованием применимо'
сти модели сплошной среды к изучению биологических материалов.
Для однородных материалов применение такой модели связано с от'
казом от рассмотрения молекулярного строения реального тела и пе'
реходом к феноменологическому описанию его свойств, что сущест'
венно упрощает решение практических задач макроскопического де'
формирования гомогенных материалов. Для композитов переход к
модели сплошной среды более сложен, что связано с появлением но'
вых структурных уровней. Известно, что свойства композитного мате'
риала определяются как свойствами отдельных компонентов, так и
характером их структурного взаимодействия. Рассмотрение механи'
ческого поведения каждого армирующего волокна в отдельности при
анализе всей системы не только невозможно, но и нецелесообразно,
поэтому армирующие волокна очень часто как бы «размазываются»
по всему объему тела. Тем самым композитная гетерогенная среда рас'
10

сматривается как однородная, но наделенная новыми интегральными
свойствами. Такое «размазывание» применимо, если размер, харак'
терный для рассматриваемого структурного уровня, и расстояние
между соседними элементами этого уровня малы как по сравнению с
характерными размерами макрообразцов для испытаний, так и с рас'
стояниями, на которых функции, определяющие напряженно'дефор'
мированное состояние структурных элементов, изменяются сущест'
венно. Все вышесказанное должно учитываться при математическом
моделировании и экспериментальном исследовании механического
поведения биологических тканей, обладающих сложным строением со
значительно бo
,льшим количеством структурных уровней, чем обыч'
ные конструкционные материалы.
Некоторые биологические материалы, например компактная кос'
тная ткань, являются пьезоэлектрическими материалами, т. е. их пе'
ременное нагружение вызывает возникновение в них электрического
поля. В исследования электромеханического сопряжения в костной
ткани значительный вклад внесли работы ученых научной школы
МГТУ им. Н.Э. Баумана Г.А. Николаева, В.И. Лощилова, Э.П. Бабае'
ва, которыми был получен фундаментальный, подтвержденный ав'
торским свидетельством на открытие результат, относящийся к био'
механике костной ткани – наличие в ней собственных механических
напряжений, обеспечивающих оптимальную адаптацию костной тка'
ни к физиологическим нагрузкам. Установлено, что как переменное
нагружение (из'за анизотропии материала и неоднородности кости),
так и дополнительное электрическое поле способствуют интенсифи'
кации процессов обмена веществ. Именно на этом, с учетом обратно'
го пьезоэлектрического эффекта и особенностей биомеханического
поведения костной ткани, основывается ряд эффективных методов
стимуляции образования нового костного вещества. Здесь следует
добавить, что кость как биоконструкция является специфической са'
морегулирующейся системой, которая преобразуется под влиянием
механических воздействий таким образом, что в наиболее нагружен'
ных местах откладывается дополнительное костное вещество, а это
приводит к снижению концентрации напряжений.
Существенный практический интерес представляет изучение ме'
ханических свойств таких биологических тканей, как кровеносные
сосуды. Их стенка, которая является многослойным анизотропным
композитом, в процессе нагружения проявляет выраженную физи'
ческую нелинейность и большие деформации. При этом жесткость
материала, которая при малой нагрузке незначительна, а с увеличе'
нием возрастает, при ее физиологических уровнях становится прак'
тически постоянной. Такое своеобразное резиноподобное поведение
сосуда обусловлено сложной структурой его стенки, в которой обна'
ружены неизвестные прежде виды симметрии.
11

Особый раздел этого направления биомеханики представляет
изучение различных биологических жидкостей, например крови и си'
новиальной жидкости. Кровь является тиксотропной суспензией, в
которой при сдвиговом течении взвешенные деформирующиеся час'
тицы объединяются в агрегаты, способные изменять свои размеры и
форму, т. е. структуру жидкости. Ее вязкость зависит не только от
концентрации взвешенных частиц, но и от параметров, характеризу'
ющих их структуру. Последние, в свою очередь, изменяются в резуль'
тате диффузии и агрегации или дезагрегации – процессов, определя'
ющихся основными гидродинамическими свойствами течения, т. е.
происходит уменьшение вязкости крови с ростом скорости сдвига.
Интересными являются эксперименты по оценке влияния добавок в
виде высокомолекулярных линейных полимеров на вязкость крови.
Синовиальная жидкость, снижая коэффициент динамического
трения, поддерживает высокую надежность суставов конечностей в
целом. При этом изменение количества, состава и смазочных свойств
синовиальной жидкости саморегулируется организмом в зависимос'
ти от интенсивности приложенной нагрузки.
1.2. ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Это направление биомеханики решает проблемы, которые весьма
близки к биокибернетике. Однако если в последней основной акцент
обращен на кибернетические аспекты, то в первой – на механические
процессы в биологических системах.
Данное направление включает в себя биомеханику кровообраще'
ния, дыхания и массообмена, вопросы биомеханики мышечной деятель'
ности, ряд аспектов биомеханики нормального движения человека и
животных, а также вопросы движения искусственных шагающих уст'
ройств.
Гидродинамика кровообращения охватывает широкий круг акту'
альных проблем, связанных с движением крови и переносом веществ в
организме. В этих исследованиях в основном используется два подхо'
да. Первый основывается на сегментации системы кровообращения на
отдельные части (сердце, аорта, артерии, артериолы, капилляры, вену'
лы, вены), для каждой из которых строится своя теория. Второй под'
ход основан на объединении принципиально сходных биомеханичес'
ких процессов, происходящих в различных частях системы кровообра'
щения, таких, как работа клапанов; движение крови в полостях и
цилиндрических или сужающихся сосудах с мышечными стенками,
обладающими способностью к активному сокращению; фильтрация
воды через стенки; перенос кислорода и других газов и т. д.
12