Биомеханика кровообращения

Москва
Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана
2005

Áèîìåõàíèêà
êðîâîîáðàùåíèÿ

Áèîìåõàíèêà
êðîâîîáðàùåíèÿ

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
«
»

Под редакцией доктора технических наук, профессора С.И. Щукина

УДК 531/539:61 (075.8)
ББК В2:Р
П18
Рецензенты
кафедра биофизики и экологии Московского физикотехнического
института (зав. кафедрой – др физ.мат. наук, проф. Э.М. Трухан);
др биол. наук В.Н. Юречко

Парашин В.Б., Иткин Г.П.
Биомеханика кровообращения: Учеб. пособие / Под ред.
С.И. Щукина. – М.: Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. –
224 с.: ил. (Биомедицинская инженерия в техническом университете).
ISBN 5703825962

Дана классификация основных разделов современной биомеханики и кратко изложено их содержание. Обоснована необходимость углубленного изучения биомеханики кровообращения в биоинженерной подготовке студентов технического университета.
Рассмотрены
реологические
свойства
крови,
биомеханика сосудов и сердца, биомеханика устройств вспомогательного и искусственного кровообращения.
Содержание учебного пособия соответствует курсам лекций, которые авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки «Биомедицинская техника» по специальностям 190500
«Биотехнические и медицинские аппараты и системы», 190600
«Инженерное дело в медикобиологической 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 5703825962                                МГТУ имени Н.Э. Баумана , 2005

П18

К ЧИТАТЕЛЮ

Предлагаемое издание открывает серию учебников и учебных пособий «Биомедицинская инженерия в техническом университете» по
основным специальностям подготовки «Биомедицинская инженерия», дипломированных специалистов «Биомедицинская техника»
по специальностям «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» и «Инженерное дело в медикобиологической практике».
Выпуск серии посвящается 175летнему юбилею Московского
государственного технического университета имени Н.Э. Баумана и
является важным этапом становления и развития медикотехнического образования в университете, где в 1978 г. была создана одна из
первых в СССР кафедр, а в 1998 г. образован первый в стране факультет «Биомедицинская техника».
Авторами книг данной серии, являются профессора и преподаватели факультета «Биомедицинская техника» МГТУ имени Н.Э. Баумана, а также ведущие специалисты других высших учебных заведений и научных учреждений Москвы.
При подготовке материалов была проанализирована и критически осмыслена новейшая отечественная и зарубежная учебная литература по биомедицинской инженерии, в частности используемая в
университетах США. Анализ показал, что планируемая серия не имеет аналогов в отечественной учебнометодической литературе и находится на уровне лучших зарубежных изданий.
Поскольку заболевания сердечнососудистой системы доминируют в современной структуре заболеваемости и смертности населения,
логично, что открывающее серию учебное пособие посвящено актуальным проблемам биомеханики кровообращения, инженерным решениям устройств аппаратов для поддержания функций отдельных
элементов и подсистем сердечнососудистой системы.

5

В серию «Биомедицинская инженерия в техническом университете» включены следующие учебники и учебные пособия:
• «Основы взаимодействия физических полей с биообъектами»;
• «Основы теории биотехнических систем»;
• «Моделирование биологических процессов и систем»;
• «Электроды в медикобиологических исследованиях»;
• «Основы биомеханики»;
• «Электрофизические свойства биоструктур».

Надеюсь, что эти учебники и учебные пособия будут полезны
студентам технических университетов, а также студентам медицинских вузов и медикобиологических факультетов университетов.

Ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана,
членкорреспондент РАН
И.Б. Федоров

ПРЕДИСЛОВИЕ

В современной биомеханике представлены практически все разделы 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 накопленных результатов исследований существенно осложняют задачу издания учебной литературы, необходимой для обеспечения подготовки студентов по специальностям направления «Биомедицинская
техника».
Содержание и структура учебного пособия определены исходя из
общих требований к биоинженерной подготовке студентов технического 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 первую очередь должны быть отражены вопросы биомеханики кровообращения человека и устройств поддержания функции кровообращения, широко используемых в современной медицине.
Студенты приступают к изучению биомеханики, предварительно
получив необходимые знания по основам общей анатомии и физиологии, поэтому описательная часть представлена в минимальном
объеме. Основное содержание каждого раздела составляют биомеханические схемы и математические модели, экспериментальные методы 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

макрои микрососудах, механика миокарда и целого сердца) в нем
широко представлен современный уровень развития биомеханики
искусственного и вспомогательного кровообращений, протезов кровеносных сосудов и клапанов сердца.
Для углубленного изучения отдельных разделов читателю предлагается список рекомендуемой литературы. Однако большинство
изданий вышло в свет 20–30 лет назад и в настоящее время труднодоступно для студентов. Это также явилось фактором, стимулировавшим подготовку данного учебного пособия.
Главы 1–4 написаны В.Б. Парашиным, главы 5, 6 – И.П. Иткиным; глава 7 – Г.В. Саврасовым, аспирантами Р.В. Юречко и Д.А. Николаевым.
Авторы благодарны А.А. Княжевой и О.Б. Кузнецовой за большую работу по подготовке учебного пособия.
Авторы выражают глубокую признательность рецензентам – сотрудникам кафедры экологии и биофизики МФТИ (зав. кафедрой –
доктор физикоматематических наук, профессор Э.М. Трухан) и
доктору биологических наук В.Н. Юречко за ценные советы и предложения.

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 опорнодвигательного аппарата;
механика устройств и систем для частичного или полного замещения биомеханических функций.

1.1. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И СИСТЕМЫ

Исследования в этом направлении являются фундаментальными,
так как на их основе решается множество прикладных проблем, входящих в другие направления. Сюда относятся работы, посвященные
изучению особенностей строения и механических свойств (упругих,
деформативных и прочностных), а также разрушения различных мягких и твердых биологических тканей и даже целых биологических систем.
Изучению основных механических свойств некоторых биологических тканей (кровеносные сосуды, кожа, костная ткань) было посвящено относительно большое количество работ, выполненных, в основном, представителями различных областей медицины. Однако интенсивное развитие это направление биомеханики получило лишь после
того, как к ее проблемам обратились специалисты по механике материалов.
Если с точки зрения современной механики рассмотреть, например, костную ткань человека, то оказывается, что по своему строению
она представляет собой сложный композитный материал, обеспечивающий эффективную работу в заданных условиях нагружения. В
технике композитные материалы появились после того, как химикам
удалось создать технологию производства полимеров, которые слу9

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 материалов, которые, возникнув и усовершенствовавшись в процессе длительной 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 результаты исследований разных авторов. Здесь следует отметить, что изучение механических свойств биологических тканей представляет значительно бльшие трудности, чем изучение традиционных конструкционных 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 физиологических 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 независимая 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 применимости модели сплошной среды к изучению биологических материалов.
Для однородных материалов применение такой модели связано с отказом от рассмотрения молекулярного строения реального тела и переходом к феноменологическому описанию его свойств, что существенно упрощает решение практических задач макроскопического деформирования гомогенных материалов. Для композитов переход к
модели сплошной среды более сложен, что связано с появлением новых структурных уровней. Известно, что свойства композитного материала определяются как свойствами отдельных компонентов, так и
характером их структурного взаимодействия. Рассмотрение механического 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 рас10

сматривается как однородная, но наделенная новыми интегральными
свойствами. Такое «размазывание» применимо, если размер, характерный для рассматриваемого структурного уровня, и расстояние
между соседними элементами этого уровня малы как по сравнению с
характерными размерами макрообразцов для испытаний, так и с расстояниями, на которых функции, определяющие напряженнодеформированное состояние структурных элементов, изменяются существенно. 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 обычные конструкционные материалы.
Некоторые биологические материалы, например компактная костная ткань, являются пьезоэлектрическими материалами, т. е. их переменное 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. Бабаева, которыми был получен фундаментальный, подтвержденный авторским свидетельством на открытие результат, относящийся к биомеханике костной ткани – наличие в ней собственных механических
напряжений, обеспечивающих оптимальную адаптацию костной ткани к физиологическим нагрузкам. Установлено, что как переменное
нагружение (изза анизотропии материала и неоднородности кости),
так и дополнительное электрическое поле способствуют интенсификации процессов обмена веществ. Именно на этом, с учетом обратного 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 саморегулирующейся системой, которая преобразуется под влиянием
механических воздействий таким образом, что в наиболее нагруженных местах откладывается дополнительное костное вещество, а это
приводит к снижению концентрации напряжений.
Существенный практический интерес представляет изучение механических свойств таких биологических тканей, как кровеносные
сосуды. Их стенка, которая является многослойным анизотропным
композитом, в процессе нагружения проявляет выраженную физическую нелинейность и большие деформации. При этом жесткость
материала, которая при малой нагрузке незначительна, а с увеличением возрастает, при ее физиологических уровнях становится практически постоянной. Такое своеобразное резиноподобное поведение
сосуда обусловлено сложной структурой его стенки, в которой обнаружены неизвестные прежде виды симметрии.

11

Особый раздел этого направления биомеханики представляет
изучение различных биологических жидкостей, например крови и синовиальной жидкости. Кровь является тиксотропной суспензией, в
которой при сдвиговом течении взвешенные деформирующиеся частицы 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, характеризующих их структуру. Последние, в свою очередь, изменяются в результате диффузии и агрегации или дезагрегации – процессов, определяющихся 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 зависимости 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 кровообращения, дыхания и массообмена, вопросы биомеханики мышечной деятельности, ряд аспектов биомеханики нормального движения человека и
животных, а также вопросы движения искусственных шагающих устройств.
Гидродинамика кровообращения охватывает широкий круг актуальных проблем, связанных с движением крови и переносом веществ в
организме. В этих исследованиях в основном используется два подхода. Первый основывается на сегментации системы кровообращения на
отдельные части (сердце, аорта, артерии, артериолы, капилляры, венулы, вены), для каждой из которых строится своя теория. Второй подход основан на объединении принципиально сходных биомеханических процессов, происходящих в различных частях системы кровообращения, 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