دانشکده مهندسي مکانيک
پاياننامه کارشناسي ارشد در رشته مهندسي مکانيک گرايش طراحي کاربردي
شبيهسازي قلب در حال تپش، با در نظرگرفتن اندرکنش جداره و ميدان جريان
به کوشش:
روحاله پورمنددشتکي
اساتيد راهنما:
دکتر مجتبي محزون
دکتر محمدمهدي عليشاهي
اسفندماه 1392
اظهارنامه
اينجانب روحاله پورمنددشتکي (890250) دانشجوي رشتهي مهندسي مکانيک دانشکده‌ي مهندسي مکانيک، اظهار ميکنم که اين پاياننامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهايي که از منابع ديگران استفاده کردهام، نشاني دقيق و مشخصات کامل آن را نوشتهام. همچنين اظهار ميکنم که تحقيق و موضوع پاياننامهام تکراري نيست و تعهد مينمايم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننموده و يا در اختيار غير قرار ندهم. کليه حقوق اين اثر مطابق با آييننامه مالکيت فکري و معنوي متعلق به محقق و دانشگاه شيراز است.
نام و نام خانوادگي: روحاله پورمنددشتکي
تاريخ و امضا:

تقديم به پدر و مادر عزيزم
سپاسگزاري

بلبل از فيض گل آموخت سخن، ورنه نبود
اينهمه قول و غزل تعبيه در منقارش1
مهربان خداوند، تو را سپاس ميگويم که سعادت زندگي در دنيا را به من عطا نمودي. دنيايي که در سختيهايش به تو تکيه نمودم و توامان تلاش بر اين داشتم که قدردانت باشم. مهربان خداوند، تو را سپاس ميگويم بهخاطر وجود تجلي مهربانيت؛ مادرم؛ و بهخاطر تجلي پشتوانگيت؛ پدرم. مهربان خداوند؛ تو را سپاس ميگويم بهخاطر اساتيدم؛ دکتر مجتبي محزون و دکتر محمدمهدي عليشاهي؛ که آنچه در اين پاياننامه به سرانجام رسيد حاصل راهنمايي و هدايت اين دو بندهي مخلصت بود. از اساتيد مشاور آقايان دکتر اميد ابوعلي و محمدرحيم همتيان نيز کمال تشکر و قدرداني را دارم.
از دوستان گراميم آقايان مهندس سعيد گمار، داريوش بياتپور، محمدحسين منتظري و عرفان کشاورزيان به خاطر نهايت لطفشان در ياري رساندن به اين حقير نهايت سپاسگزاري را دارم.
چکيده
شبيهسازي قلب در حال تپش، با در نظرگرفتن تعامل جداره و ميدان جريان
به کوشش:
روحاله پورمنددشتکي
هدف از انجام اين پژوهش اين بوده است که، قلب انسان از لحاظ ساختار هندسي و همچنين ويژگيهاي مواد تشکيلدهنده آن شبيه سازي شود و حل ميدان جريان در بطن چپ قلب انسان با انتخاب شرايط مرزي واقعي و تحليل اندرکنش سازه-سيال در بطن چپ مورد بررسي قرار گيرد. با استفاده از نتايج تجربي موجود در مقالات( نتايج آزمايشهاي تنش) ضرائب مدلهاي هايپرالاستيک مختلفي که بهطور معمول براي توصيف رفتار بافت قلب استفاده ميشود، محاسبه شده است. براي شبيهسازي و تحليل المان محدود قلب، مدل هندسي دقيقي( با صرفنظر از دريچهها) از قلب، سمت چپ قلب(شامل دهليز و بطن چپ) و بطن چپ در نرمافزار ميميکس ساخته شده است. بعد از توليد شبکه در نرمافزار آيسيايام2، ميدان جريان خون در نرمافزار فلوئنت3 و بافت جامد در نرمافزار انسيس4 تحليل شده است. با در نظرگرفتن بافت نرم با توصيف رفتاري هايپرالاستيک و سيال خون بهعنوان يک سيال غيرنيوتني، اندرکنش سازه-سيال بطن چپ قلب انسان با اعمال شرايط مرزي واقعي مورد بررسي قرار گرفت.
کلمات کليدي: شبيهسازي، قلب، بطن چپ، انسيس، ميدان جريان خون، مدل هندسي.
فهرست مطالب
عنوانصفحه
1-فصل اول1
1-1-مقدمه2
1-1-1-آناتومي قلب4
1-1-1-1-دهليز راست7
1-1-1-2-بطن راست7
1-1-1-3-دهليز چپ8
1-1-1-4-بطن چپ8
1-1-1-5-سرخرگ ‌هاي کرونري9
1-1-1-6-دستگاه تحريکي- هدايتي قلب9
1-1-1-7-سيکل قلبي12
1-1-1-8-الکتروکارديوگرام16
1-1-1-9-جريان خون در بدن18
1-1-2-لزجت خون19
1-1-2-1-برون‌ده قلبي20
1-1-2-2-لايه هاي قلب21
1-1-2-3-لايه ميوکارد21
2-فصل دوم23
2-1-مروري بر تحقيقات گذشته24
3-فصل سوم51
تشريح معادلات مواد هايپرالاستيک و ويسکوالاستيک و معادلات حاکمه بر ميدان جريان سيال]34،38،42،43 [52
3-1-مقدمه52
3-1-1-ماده هايپرالاستيک52
3-1-1-1-آيزوتروپي53
3-1-1-2-تابع چگالي انرژي کرنش53
3-1-2-مدلهاي هايپرالاستيک پيشنهادي60
3-1-2-1-مدل نئو-هوکين60
3-1-2-2-مدل موني-ريولين61
3-1-2-3-مدل آرودا-بويس61
3-1-2-4-مدل مارلو62
3-1-2-5-مدل اگدن62
3-1-2-6-مدل چند جمله اي63
3-1-2-7-مدل چند جمله اي تقليل يافته63
3-1-2-8-مدل ون در والس64
3-1-2-9-مدل يوح65
3-1-2-10-انبساط گرمايي65
3-1-3-ماده ويسکوالاستيک65
3-1-3-1-تاريخچه67
3-1-3-2-کرنش کوچک67
3-1-3-3-کرنش بزرگ69
3-1-4-ماده ويسکوهايپرالاستيک70
3-2-آزمايشهاي تجربي71
3-2-1-آزمايش تک محوره75
3-3-روش لاگرانژ- اويلر دلخواه76
3-4-معادلات جريان سيال78
3-4-1-روش شبکه متحرک79
3-4-2-نحوه به روز رساني شبکه متحرک79
3-4-3-هموار کردن به وسيله المان‌هاي فنر80
3-4-3-1-هموار سازي بر اساس نفوذ81
3-4-4-معادلات حاکمه اندرکنش سازه-سيال[39]84
3-4-4-1-الگوريتمهاي حل[38]85
3-5-مدلهاي خون]43[89
4-فصل چهارم91
4-1-مدل نمودن سمت چپ قلب و بطن چپ در نرم افزار ميميکس92
4-1-1-گام نخست: شبيه سازي هندسه واقعي93
4-1-2-بازسازي هندسه واقعي95
4-1-3-پردازش تصوير و توليد حجم سه بعدي95
4-1-4-بررسي چگونگي شرايط مرزي100
4-1-5-بررسي شرط مرزي ورودي103
4-1-6-بررسي شرط مرزي خروجي107
4-1-7-محدوديتهاي شبيه سازي109
4-1-8-انتخاب مدل هايپرالاستيک براي مدلسازي بافت نرم قلب(ميوکارديوم)113
مدل نئو-هوکين114
4-1-9-مدل موني-ريولن با دو متغير115
4-1-10-مدل موني-ريولين با پنج متغير116
4-1-11-نتيجه گيري118
4-1-12-بررسي المانهاي استفاده شده در تحليل جامد118
5-فصل پنجم-نتايج 120
5-1-نتايج اوليه به دست آمده در نرم افزار ميميکس121
5-1-1-محاسبه کسر تخليه قلب123
5-2-مطالعه شبکه126
5-2-1-نتيجه گيري133
5-3-ميدان جريان خون در بطن چپ قلب انسان134
5-3-1-ميدان جريان خون در بطن چپ با جداره ثابت با سرعت ثابت در دريچه ميترال(ورودي بطن چپ) در فاز پنجاه درصد135
5-3-2-ميدان جريان خون در بطن چپ با جداره ثابت با سرعت متغير در دريچه ميترال(ورودي بطن چپ) در فاز پنجاه درصد137
5-4-بررسي تعامل سازه-سيال در بطن چپ142
5-4-1-مطالعه شبکه143
5-4-2-بررسي تعامل سازه-سيال در بطن چپ به صورت يکطرفه145
5-4-3-بررسي تعامل سازه-سيال در بطن چپ به صورت دوطرفه151
6-فصل ششم 169
6-1-جمع بندي و پشنهادات170
فهرست شکلها
عنوانصفحهشکل ‏1-1- نماي بسيار ساده از قلب-[12] 5
شکل ‏1-2-شماي ديگر از قلب-[12]5
شکل ‏1-3- شماي ديگري از قلب -[12]5
شکل ‏1-4-نمايشي از دريچه هاي قلب[12]9
شکل ‏1-5- مسير انتقال جريان الکتريکي در قلب [9]12
شکل ‏1-6-سيستم رسانش الکتريکي قلب[18]12
شکل ‏1-7-تغييرات فشار، فشار دهليزي و بطني، حجم بطن، الکتروکارديوگرام و فونوکارديوگرام در يک سيکل قلبي[15]15
شکل ‏1-8-حرکت موج الکتريکي در قلب[9]16
شکل ‏1-9-مراحل يک سيکل قلبي[17]16
شکل ‏1-10-سيگنال‌هاي ECG ،[9]17
شکل ‏1-11-رابطه بين لزجت و نرخ برشي براي خون انسان[8]20
شکل ‏1-12- لايه هايي تشکيل دهنده بافت قلب[17]21
شکل ‏2-1-جداسازي کامل چهار حفره قلب[10] و [11]30
شکل ‏2-2-مدل سطحي حفره هاي قلب a) بطن و دهليز راست b) بطن و دهليز چپ[10] و [11]30
شکل ‏2-3 -يک مقايسه بين شبيه سازي CFD و MR velocity Imaging [19]31
شکل ‏2-4 -اريفيس هاي استفاده شده جهت ارائه دريچه هاي ميترال و آئورت[21]32
شکل ‏2-5- مدل ساخته شده توسط صابر و همکارانش[38]34
شکل ‏2-6-مقايسه کيفيت جريان در مدل محاسباتي و عکسبرداري CMR،[38]35
شکل ‏2-7-مشخصات قلب داوطلبان سالم[20]37
شکل ‏2-8- مقادير ثبت شده متناسب با سن و جنسيت[20]37
شکل ‏2-9-مقادير اندازهگيري شده براي بطن راست و چپ يک انسان سالم[20]38
شکل ‏2-10- (a)ساختار سهبعدي بطن چپ (b) نماي پسين-پيشين در انتهاي دياستول (c) نماي پسين-پيشين در انتهاي سيستول[19]38
شکل ‏2-11- تغييرات حجم بطن چپ نسبت به زمان- زمان از ابتداي سيستول. [19]39
شکل ‏2-12- نماهاي خط جريان در فازهاي متفاوت[22]40
شکل ‏2-13- شماي از تغييرات تنش بر روي صفحه z=0، ]37[41
شکل ‏2-14-شماي از ميدان جريان در صفحه تقارن z=0، ]37[42
شکل ‏2-15- تغييرات فشار-حجم در طول سيکل قلبي]37[42
شکل ‏2-16- نمودار تغييرات سرعت در دريچه ميترال و تغييرات فشار در بطن]37[43
شکل ‏2-17- شماي از ساختن مدل بطن راست[33]44
شکل ‏2-18-تغييرات فشار در بطن راست و زمانبندي باز و بسته شده دريچهها[33]48
شکل ‏2-19تغييرات تنش و کرنش براي مدل فعال غيرايزوتروپيک48
شکل ‏3-1- نمايش مدلهاي انجام آزمايش]34[73
شکل ‏3-2- نمايش از جهت گيري فيبر در بافت نرم قلب]35[76
شکل ‏3-3- شبيه سازي اويلري پر شدن ماده درون قالب ]37[77
شکل ‏3-4-الگوريتم روش حل صريح86
شکل ‏3-5-الگوريتم روش حل ضمني86
شکل ‏3-6- شيوه کوپله کردن One-Way87
شکل ‏3-7-شيوه کوپله کردن Two-Way88
شکل ‏3-8- الگوريتم روش همزمان(مستقيم)89
شکل ‏4-1-تصوير محدوده زماني مربوط به 21 فاز بازسازي شده در دياگرام ECG ،]9[93
شکل ‏4-2- تصاويري از a) عکس هاي سي تي آنژيوگرافي و b)کانتورهاي مرزي بطن راست و چپ در انتهاي سيستول]35[96
شکل ‏4-3-تصويري از حجم خون در قلب انسان و شکل سه بعدي آن در نرم افزار ميمکس97
شکل ‏4-4-نماي محوري از برش قلب از اپکس تا بالاترين سطح قلب97
شکل ‏4-5-حجم خون سمت چپ قلب98
شکل ‏4-6-حجم هموارشده ماهيچه سمت چپ قلب98
شکل ‏4-7-حجم خون بطن چپ به همراه صفحه دربرگيرنده مقطع99
شکل ‏4-8-حجم هموار شده جداره بطن چپ قلب100
شکل ‏4-9-نمودار تغييرات فشار در بطن، دهليز و آئورت و زمانبندي سيستول و دياستول[15]101
شکل ‏4-10-تغييرات سرعت ورودي جريان خون و تغييرات فشار بطن چپ]39[102
شکل ‏4-11-تغييرات فشار بطن و آئورت در طول زمان يک سيکل کامل103
شکل ‏4-12-تغييرات سرعت در ورودي]39[104
شکل ‏4-13-تابع درجه 9(نتايج تجربي از مرجع 39)105
شکل ‏4-14-تغييرات فشار بطن در طي يک سيکل106
شکل ‏4-15-تغييرات فشار بطن در طي دياستول107
شکل ‏4-16- تغييرات دبي حجمي در خروجي آئورت به ازاي زمان(ثانيه)108
شکل ‏4-17-تغييرات فشار آئورت همراه با منحني معادله109
شکل ‏4-18-عدم انطباق مرز جامد و سيال و نمايش آن در نرم افزار ميميکس110
شکل ‏4-19-عدم انطباق مرز جامد و سيال و نمايش آن در نرم افزار ميميکس111
شکل ‏4-20-ديوارهاي داخلي و خارجي بافت ماهيچه قلب112
شکل ‏4-21-حجم خون در بطن چپ همراه با خروجي و ورودي112
شکل ‏4-22-نتايج آزمايش تجربي و انطباق مدل موني-ريولين با آن]35[114
شکل ‏4-23- انطباق داده هاي تجربي و مدل نئو-هوکين114
شکل ‏4-24- انطباق نتايج آزمايش تجربي با مدل موني-ريولين با دو متغير115
شکل ‏4-25- انطباق نتايج آزمايش تجربي با مدل موني-ريولين با پنج متغير116
شکل ‏4-26-انطباق نتايج آزمايش تجربي با مدل اگدن مرتبه سوم116
شکل ‏4-27-نمودار تنش و کرنش117
شکل ‏4-28- المان Solid185 و المانهاي کاهش يافته آن120
شکل ‏4-29-المان Solid285120
شکل ‏5-1-تغييرات حجم خون قلب در طول زمان يک سيکل کامل122
شکل ‏5-2-تغييرات حجم خون سمت چپ قلب در طول زمان يک سيکل کامل123
شکل ‏5-3-تغييرات حجم خون بطن چپ در طول زمان يک سيکل کامل123
‏5-4- نمايش شبکه a) المانهاي شش وجهي و منشوري b) تمام المانها c) المانهاي چهاروجهي126
شکل ‏5-5-تغييرات سرعت در امتداد خط 1 در مدل نيوتني128
شکل ‏5-6-تغييرات سرعت در امتداد خط 2 در مدل نيوتني128
شکل ‏5-7-تغييرات فشار در امتداد خط 2 در مدل نيوتني129
شکل ‏5-8-تغييرات سرعت در امتداد خط 1 در مدل کاريو130
شکل ‏5-9-تغييرات سرعت در امتداد خط 2 در مدل کاريو130
شکل ‏5-10-تغييرات فشار در امتداد خط 2 در مدل کاريو131
شکل ‏5-11-تغييرات سرعت در امتداد خط 1 در مدل تواني131
شکل ‏5-12-تغييرات سرعت در امتداد خط 2 در مدل تواني132
شکل ‏5-13-تغييرات فشار در امتداد خط 2 در مدل تواني132
شکل ‏5-14-تغييرات سرعت در امتداد خط 2 در مدل تواني، کاريو و نيوتني133
شکل ‏5-15-تغييرات فشار در امتداد خط 2 در مدل تواني، کاريو و نيوتني133
شکل ‏5-16-پروفايل سرعت جريان عبوري از دريچه ميترال]39[134
شکل ‏5-17-هندسه بطن چپ و مکان قرار گيري صفحه 1 و 2135
شکل ‏5-18تغييرات فشار در صفحه 1136
شکل ‏5-19-تغييرات فشار در صفحه 2137
شکل ‏5-20-اختلاف فشار بين صفحه يک و دو137
شکل ‏5-21-تغييرات سرعت ورودي در طي فاز پنجاه درصد138
شکل ‏5-22-تغييرات دبي جرمي با زمان در فاز پنجاه درصد138
شکل ‏5-23-تغييرات فشار با زمان در فاز پنجاه درصد139
شکل ‏5-24-اختلاف فشار بين صفحه يک و دو در فاز پنجاه درصد139
شکل ‏5-25-خطوط جريان سه بعدي140
شکل ‏5-26-موقعيت صفحه و خطوط جريان سه بعدي و تصوير شده خطوط جريان روي صفحه در زمان 40/0 ثانيه140
شکل ‏5-27-موقعيت صفحه و تصوير شده خطوط جريان روي صفحه و کانتور فشار روي آن در زمان 40/0 ثانيه141
شکل ‏5-28-موقعيت صفحه- کانتور فشار و بردارهاي سرعت در زمان 40/0 ثانيه141
شکل ‏5-29-بررسي استقلال از شبکه نتايج به ازاي تعداد المانهاي متفاوت و المان Solid185144
شکل ‏5-30بررسي استقلال از شبکه نتايج به ازاي تعداد المانهاي متفاوت و المان Solid285144
شکل ‏5-31-تغيير شکل اپکس به ازاي دو نوع المان متفاوت145
شکل ‏5-32-برشي از بطن چپ و نمايش وارد نمودن فشار از حل CFD146
شکل ‏5-33-نمايش صفحه بين ديواره داخلي و خارجي و حلقه در بر گيرنده دريچه ميترال146
شکل ‏5-34-مقايسه ميزان تغيير شکل به ازاي دو حالت مختلف در حل يک طرفه148
شکل ‏5-35- مقايسه ميزان تغييرات کرنش به ازاي دو حالت مختلف در حل يک طرفه148
شکل ‏5-36-مقايسه ميزان تغييرات تنش به ازاي دو حالت مختلف در حل يک طرفه149
شکل ‏5-37-(a نمايش بردارهاي جابجايي مش (b نمايش تصوير شده خطوط جريان روي ديواره در حل يکطرفه149
شکل ‏5-38-نمايش تغييرات تنش در بافت جداره به ازاي ماده هايپرفيت در حل يکطرفه150
شکل ‏5-39-نمايش تغييرات کرنش در بافت جداره به ازاي ماده هايپرفيت در حل يکطرفه150
شکل ‏5-40-تغييرات فشار بطن چپ]39[152
شکل ‏5-41-تغييرات حجم خون با زمان155
شکل ‏5-42-نمودار تغييرات فشار بر اساس حجم157
شکل ‏5-43-نمودار تغييرات حجم با تغيير فشار158
شکل ‏5-44- تغييرات فشار معادل بر حسب زمان در طي دياستول159
شکل ‏5-45-مقايسه حجم حاصل تحليل دوطرفه و حجم حاصل از رابطه(5-3)160
شکل ‏5-46-توزيع تغييرات تغييرشکل در بافت جداره در حل دوطرفه160
شکل ‏5-47-توزيع تغييرات کرنش در بافت جداره در حل دوطرفه161
شکل ‏5-48-توزيع تغييرات تنش در بافت جداره در حل دوطرفه161
شکل ‏5-49-(a توزيع تغييرشکل در بافت جداره در حل دوطرفه (bتوزيع تغييرشکل در بافت جداره در حل يکطرفه162
شکل ‏5-50- مقايسه تغيير شکل بطن در حل يکطرفه و دو طرفه163
شکل ‏5-51- تغييرات فشار فيزيولوژي خون قابل استفاده در حل164
شکل ‏5-52- تغييرات فشار معادل عضلات164
شکل ‏5-53- فشار خون، فشار معادل اثر عضلات و فشار معادل کل165
شکل ‏5-55- بيشينه مقدار تنش در حل دوطرفه و حل جامد167
شکل ‏5-55- بيشينه مقدار کرنش در حل دوطرفه و حل جامد167
شکل ‏5-56- بيشينه مقدار تغييرشکل در حل دوطرفه و حل جامد168
فهرست جدولها
عنوانصفحهجدول ‏3-1 – معرفي متغيرهاي موجود در معادله(‏3-60)78
جدول ‏4-1- ضرائب ثابت معادله خطي براي شرط مرزي ورودي105
جدول ‏4-2-ضرائب ثابت معادله خطي فشاربطن107
جدول ‏4-3-ضرائب ثابت معادله خطي فشار آئورت(شرط مرزي خروجي)109
جدول ‏4-4-ضرائب مدل نئو هوکين115
جدول ‏4-5-ضرائب مدل موني-ريولين با دو متغير115
جدول ‏4-6-ضرائب موني-ريولين پنج متغيره117
جدول ‏4-7-ضرائب توليد شده براي اگدن مرتبه سوم در نرمافزار انسيس117
جدول ‏4-8-ضرائب توليد شده براي اگدن مرتبه سوم در نرمافزار هايپرفيت118
جدول ‏5-1- تعداد المانهاي شبکه به ازاي اندازه هاي متفاوت127
جدول ‏5-2-شرايط مرزي در نرم افزار فلوئنت136
جدول ‏5-3-شرايط مرزي در نرم افزار فلوئنت138
جدول ‏5-4-شرايط مرزي در حل يک طرفه147
جدول ‏5-5-شرايط مرزي در تحليل156
جدول ‏5-6-شرايط مرزي در حل دوطرفه159
جدول ‏5-7-شرايط مرزي در حل دوطرفه166
جدول ‏5-8-شرايط مرزي در حل جامد166
فصل اول
مقدمه
همه انسان‌ها مي‌دانند که قلب يک عضو حياتي در بدن انسان است، بهطوريکه بدون داشتن آن نمي‌توانيم زندگي کنيم. اما با يک نگرش صرفاً مکانيکي قلب تنها يک پمپ است؛ يک پمپ بسيار پيچيده و مهم؛ و به لحاظ پمپ بودن همانند تمام پمپ‌ها امکان گرفتگي، خرابي و يا نياز به تعمير شدن دارد. اين حساسيت قلب به عنوان يک عضو حياتي در بدن قسمتي از همان چرايي است که ما بايد بدانيم که قلب چگونه کار مي‌کند.
در سال 2004، بيماري‌هاي قلبي عامل 36% مرگ و مير در جهان بوده است و همچنين مهم‌ترين عامل مرگ در آمريکا معرفي شده است. تقريباً 2000 نفر در آمريکا به علت داشتن بيماري‌هاي قلبي در هر روز جان مي‌سپارند و اين يعني در هر 44 ثانيه، يک مرگ. در ايران هم بنا به گفته وزير بهداشت روزانه 300 بيمار قلبي جان خود را از دست مي‌دهند، اين بدين معنا است که بيماري‌هاي قلبي عروقي باعث از دست رفتن 4/23 درصد عمر مردم کشور مي‌شود. خبر خوشحال کننده اين است که، نرخ مرگ ناشي از بيماري‌هاي قلبي رو به کاهش است. متاسفانه بيماري‌هاي قلبي بطور ناگهاني باعث مرگ افراد مي‌شوند و بسياري از بيماران پيش از رسيدن به بيمارستان تسليم مرگ مي‌شوند.
به منظور کمک به جلوگيري و درمان بيماري‌هاي قلبي، مدل کردن رياضي قلب تبديل به موضوعي مهم و قابل توجه براي محققين شده است. يک مدل مجازي که بتوان از آن دستياري هوشمند براي پزشکان ساخت. استفاده از شبيهسازي نرمافزاري و روشهاي محاسباتي از قبيل تحليل المان محدود، براي بررسي اندرکنش سازه-سيال قلب انسان مفيد خواهد بود. ايجاد يک مدل محاسباتي مناسب منطبق بر هندسه و آناتومي قلب، مدلسازي خواص مکانيکي بافت قلب و تحليل اندرکنش سازه-سيال با استفاده از مدل ساختهشده ميتواند بهعنوان ابزاري مفيد در کاربردهاي پزشکي بهکار آيد. چرا که انجام اين تحليل بر روي مدل محاسباتي، همانند آن است که يک عمل جراحي واقعي انجام شده است. اين کاربرد؛ جراحي مجازي5؛ ابزار توانمندي در کاربردهاي پزشکي خواهد بود، بهطوريکه پزشک ميتواند پيش از عمل جراحي از نتايج کار خود آگاه شود. بهطور مثال در عمل جراحي و جايگزيني دريچه ريوي6؛ با دانستن اين نکته که، محلي از ديواره بطن راست که داراي حداقل تنش-کرنش باشد محل مناسبي براي برش است؛ پزشک با آگاه بودن از نتايج اين تحليل و دانستن مقادير حداکثر-حداقل تنش-کرنش توانا به تشخيص صحيح محل برش خواهد بود.
عملکرد و شبيه سازي رفتار قلب به عنوان مهم‌ترين و اصلي‌ترين عضو بدن انسان، يک فرايند بسيار پيچيده است. ديواره‌هاي ارتجاعي، حرکت تپشي جريان خون، حفره‌هاي مجزا از يکديگر، جريان الکتريکي، اثر متقابل سيال و جامد و همچنين فرايندهاي زيستي قلب دلايلي بر پيچيدگي و دشواري مسير مدل‌سازي است.
آناتومي قلب7
قلب يا دل يک اندام ماهيچه‌اي است که مسئول تلمبه کردن خون به شريان‌ها بوسيله حرکات ضربان‌دار است. اين عضو مخروطي شکل بصورت کيسه‌اي عضلاني شکل تقريباً در وسط فضاي سينه، ابتدا در دل اسفنج متراکم و وسيعي مملو از هوا(ريه‌ها ) پنهان شده است و سپس توسط يک قفسه استخواني بسيار سخت( اما قابل انعطاف ) مورد محافظت قرار مي‌گيرد. تقريباً هفتاد و پنج درصد از تمامي قلب‌ها در سمت چپ بدن انسان و بيست و پنج درصد آن در سمت راست بدن انسان واقع شده است. ابعاد قلب در يک فرد بزرگسال 6×9×12 سانتيمتر و وزن 300 گرم در آقايان و 250 گرم در خانم‌ها است.
قلب داراي چهار حفره است. دهليز8 راست، بطن9 راست، دهليز چپ، بطن چپ. (همواره منظور از چپ و راست، نسبت به خود فرد است). قلب توسط يک ديواره عضلاني عمودي به دو نيمه راست و چپ تقسيم مي‌شود. نيمه راست مربوط به خون سياهرگي و نيمه چپ مربوط به خون سرخرگي است. هر يک از دو نيمه راست و چپ نيز مجدداً بوسيله يک تيغه عضلاني افقي نازکتر به دو حفره فرعي مجزا تقسيم مي‌شوند.
شکل ‏1-1- نماي بسيار ساده از قلب-[12]
شکل ‏1-2-شماي ديگر از قلب-[12]
شکل ‏1-3- شماي ديگري از قلب -[12]
حفره‌هاي بالايي که کوچک‌تر و نازکتر هستند بنام دهليز موسوم بوده و دريافت کننده خون مي‌باشند. حفره‌هاي پاييني که بزرگ‌تر و ضخيم‌ترند بطن‌هاي قلبي هستند و خون دريافتي را به ساير اعضاء بدن پمپ مي‌کنند. پس قلب متشکل از چهار حفره ‌است: دو حفره کوچک در بالا (دهليزهاي راست و چپ) و دو حفره بزرگ در پايين (بطنهاي راست و چپ).
رگ‌‌هاي تاجي يا همان رگ‌هاي کرونري، رگ‌هاي تغذيه کنند? ماهيچ? قلب هستند که سراسر و دور تا دور ماهيچه را در بر مي‌گيرند و از جمل? رگ‌هاي بسيار مهم و حياتي بدن انسان هستند زيرا در صورت گرفتگي اين رگ‌‌ها بلافاصله سکته قلبي رخ داده که مي‌تواند باعث مرگ يا عوارض زيادي بشود. ] گايتون10- 1998 [. [15]
قلب داراي يک قاعده( سطحي خلفي )، يک راس11، سه سطح و چهار کنار مي‌باشد. قاعده قلب، همان سطح خلفي قلب بوده که در حالت درازکش در حد مهرهايT5-T9 قرار دارد. اين سطح در طرف راست و کمي متمايل به عقب قرار داشته و عمدتاً از سطح خلفي دهليز چپ و نيز بخش کوچکي از سطح خلفي دهليز راست شکل مي‌گيرد.راس قلب توسط بطن چپ شکل مي‌گيرد. [16]
قلب داراي چهار حفره است و همين‌طور چهار دريچه. دهليز هر سمت از طريق يک منفذ به بطن سمت خود متصل است. اين منفذ با يک دريچه دهليزي-بطني12 کنترل مي‌شود. دهليز سمت راست از طريق دريچه سه لتي13 به بطن راست راه دارد. دهليز سمت چپ از طريق دريچه ميترال14 به بطن چپ راه دارد. اين دو دريچه( دريچه سه لتي و دريچه ميترال ) تنها به سمت بطن‌ها باز مي‌شوند و همانند يک شير يک طرفه عمل مي‌کنند. بطن چپ از طريق دريچه آئورتي15 که يک دريچه سه لتي است، به سرخرگ آئورت راه دارد. به عبارتي دريچه ميترال به منزله ورودي جريان خون و دريچه آئورتي به منزله خروجي جريان خون براي بطن چپ است. بطن راست از طريق دريچه ريوي که يک دريچه سه لتي است به شريان ريوي باز مي‌شود. به عبارتي دريچه سه لتي بين دهليز-بطني راست به منزله ورودي جريان خون و دريچه ريوي16 به منزله خروجي جريان خون براي بطن راست است. دريچه آئورتي تنها به سمت آئورت و دريچه ريوي تنها به سمت شريان ريوي باز مي‌شود. تنها دريچه ميترال دولتي است و هر سه دريچه آئورتي، ريوي و دريچه بين دهليز راست و بطن راست سه لتي است.
دهليز راست
دهليز راست وظيفه دريافت خون از اجوف فوقاني و اجوف تحتاني را داراست. خون سياهرگي پس از گردش در سرتاسر بدن از طريق اين دو سياهرگ وارد دهليز راست مي‌شوند. خون وارد شده به دهليز راست از طريق دريچه بطني-دهليزي وارد بطن راست مي‌شود.
بطن راست
بطن راست به شکل هرم مثلث القاعده‌اي است که از طريق دريچه دهليزي- بطني، خون دهليز راست را دريافت نموده و سپس از طريق شريان ريوي به سمت ريه‌ها مي‌فرستد. در زندگي جنيني، ريه‌ها بر خلاف قلب فعاليت ندارند و خوني از بطن راست دريافت نمي‌کنند.( البته مانند زندگي پس از تولد، خون تغذيه کننده ريه‌ها از بطن چپ به ريه‌هاي جنيني تحويل مي‌شود.). بنابراين در دوران جنيني، بين دهليز راست و چپ قلب يک منفذ به نام دريچه بيضي17 وجود دارد که خون دهليز عمدتاً به جاي رفتن به بطن راست، مستقيما، از طريق اين منفذ وارد دهليز چپ مي‌شود. با برقراري گردش خون ريوي در زمان پس از تولد، دريچه بيضي مدتي پس از تولد بسته مي‌شود.
دهليز چپ
دهليز چپ خوني که از طريق بطن راست به سمت ريه‌ها فرستاده شده است را در بازگشت دريافت مي‌کند. اين خون از طريق دريچه ميترال وارد بطن چپ مي‌شود.
بطن چپ
بطن چپ وظيفه عمده خون رساني به تمام اعضا و جوارح را بر عهده دارد. به عبارتي قسمت عمده و مهم قلب مي‌باشد که خون دريافتي از دهليز چپ، را از طريق سرخرگ آئورت به تمام بدن پمپ مي‌کند.
شکل ‏1-4-نمايشي از دريچه هاي قلب[12]
سرخرگ ‌هاي کرونري18
سرخرگ‌هاي کرونري از آئورت بيرون مي‌آيند. آئورت سرخرگ اصلي بدن است که از بطن چپ خون را خارج مي‌سازد. شريان‌هاي کرونري از ابتداي آئورت منشا مي‌گيرد. بنابراين اولين شريان‌هايي هستند که خون حاوي اکسيژن زياد را دريافت مي‌کنند.
دستگاه تحريکي- هدايتي قلب
ايجاد و حفظ ضربان ريتميک نرمال قلب و برقراري نظم انقباض بين دهليزها و بطن‌ها از وظايف اين دستگاه محسوب مي‌گردد. اين دستگاه از عضلات تغييرشکل يافته‌ي قلبي تشکيل شده و شامل بخش‌هاي زير است:
گره سينوسي- دهليزي19 (ضربان‌ساز يا پيشآهنگ)
گره دهليزي بطني20
دسته ي دهليزي بطني( هيس )21
شاخه راست و چپ هيس22
از ويژگي‌هاي عضله قلب، حالت خود تحريکي آن است که مستقل از سيستم عصبي عمل مي‌کند. به طوري که چنانچه قلب با محلول مناسبي در خارج از بدن تغذيه شود، مي‌تواند در خارج از بدن براي مدتي همانند داخل بدن به حرکت ريتميک خود ادامه دهد و زنده بماند.
منبع اين حرکت ريتميک کجاست؟! منبع اصلي آن گره سينوسي- دهليزي است که در ديواره پشتي دهليز راست و در قسمت فوقاني-جانبي آن زير منفذ شريان اجوف فوقاني قرار دارد. حالت خود تحريک شوندگي زياد و ريتم مشخص اين گره باعث شده تا در اصطلاح آن را پيس ميکر يا ضربان ساز گويند. براي انقباض ابتدا گره پيشآهنگ به صورت ريتم خود به خودي تحريک مي‌شود و اين پيام انقباض را از طريق سه رشته گرهي دهليز راست به گره دهليزي بطني (که در حد فاصل بين ديواره دهليزها و بطن‌ها و کمي متمايل به دهليز راست قرار دارد) هدايت مي‌کند. سپس بافت‌هاي گرهي داخل بطن‌ها از جمله باندل هيس اين موج تحريک الکتريکي را در سراسر بطن‌ها منتشر مي‌کنند.
گره دهليزي-بطني همانند گره سينوسي حالت خود تحريک شوندگي دارد ولي سرعت ذاتي توليد ايمپالس آن از گره سينوسي کمتر است. در نتيجه در صورت فعاليت گره سينوسي، گره دهليزي-بطني مجبور به تبعيت از آن مي‌گردد. به طور کلي در حالت عادي، گره دهليزي بطني تنها راه گذر امواج از دهليز به بطن‌ها است، زيرا بافت‌هاي همبندي که دهليزها را از بطن‌ها جدا مي‌کند عايق جريان الکتروفيزيولوژيک هستند مگر در گره دهليزي-بطني.
سرعت هدايت ايمپالس الکتروفيزيولوژيک در فيبرهاي گره دهليزي-بطني آهسته تر از ساير نقاط سيستم هدايتي قلبي مي‌باشد و در نتيجه ايمپالس با کمي تاخير از دهليزها به بطن‌ها منتقل مي‌گردد. اين پديده اجازه مي‌دهد تا تحريک بطن‌ها کمي ديرتر از تحريک دهليزها باشد( حدود 1/6 ثانيه) و بنابراين انقباض دهليزها قبل از انقباض بطن‌ها انجام مي‌گيرد. بنابراين قبل از اينکه بطن‌ها منقبض شوند، دهليزها در اثر انقباض خود از خون تخليه مي‌شوند و بطن‌ها در حالت کاملاً پر از خون منقبض مي‌شوند. اين تاخير نقش بسيار مهمي در کارايي پمپ خون و برون‌ده قلبي دارد.
موج تحريک پس از گره دهليزي-بطني وارد دسته هيس يا دسته دهليزي-بطني مي‌شود. اين دسته در قسمت فوقاني ديواره بطني قرار دارد و خود به شاخه‌هاي راست و چپ تقسيم مي‌شود که به ترتيب نقش انتقال سريع ايمپالس الکتروفيزيولوژيک به بطن‌هاي راست و چپ را به عهده دارند. هريک از دو شاخه دسته‌اي مذکور در نهايت انشعابات زيادتري به نام فيبرهاي پورکينه يا پورکينژ23 مي دهند که ايمپالس را در سرتاسر عضله بطني منتشر مي‌سازند. از ويژگي‌هاي فيبرهاي پورکينه آن است که ايمپالس را با سرعت شش برابر فيبرهاي عادي عضلاني قلب هدايت مي‌کند که در نتيجه سراسر بطن‌ها يک جا و در يک زمان منقبض مي‌شوند. انقباض همزمان باعث افزايش فشار در داخل بطن‌ها مي‌گردد. اگر فيبرهاي پورکينه وجود نداشتند، تحريک از قاعده قلب به راس قلب طول مي‌کشيد و انقباض حاصله نمي‌توانست خون را از بطن‌ها خارج نمايد. به عبارت ديگر، قسمت‌هاي مختلف هر بطن همزمان با هم منقبض نمي‌شد و بنابراين برون‌ده قلبي کاهش پيدا مي‌کرد.
شکل ‏1-5- مسير انتقال جريان الکتريکي در قلب [9]
شکل ‏1-6-سيستم رسانش الکتريکي قلب[18]
سيکل قلبي
فاصله زماني بين انتهاي يک انقباض قلبي تا انتهاي انقباض بعدي، که در آن خون فقط يک بار به بيرون از قلب پمپ مي‌شود را، يک سيکل قلبي گويند. براي خالي شدن قلب از خون، نخست لازم است که قلب از خون پر شود. بنابراين، در سيکل قلبي تقدم با دياستول است. بنابراين يک سيکل قلبي مجموعه يک دياستول( مرحله انبساطي ) و يک سيستول( مرحله انقباضي ) است. چنانچه ضربان قلب طبيعي؛ يعني 72 بار در دقيقه باشد؛ يک سيکل قلبي80/0 ثانيه به طول مي‌انجامد. در طول يک سيکل قلبي، حفره‌هاي‌قلب با انبساط و انقباض خود و صرف انرژي باعث انجام کار مي‌شوند. اين انجام کار با تغييرات حجم و فشار در مجموعه حفره‌هاي قلبي همراه است. با وجود اينکه فشار در داخل بطن‌ها و دهليزها يکسان نيست، اما برون‌ده تمامي حفره‌هاي‌ قلبي يکسان است. سمت چپ و راست قلب کاملاً جريان مستقلي از يکديگر دارند و برون‌ده هردو يکسان مي باشد.
در شکل ‏1-7 تغييرات فشار آئورت، فشار دهليز، فشار بطن، الکتروکارديوگرام و فونوکارديوگرام مشاهده مي‌شود. با شروع سيستول دهليزي، که تمام خون دهليزها به بطن‌ها رانده مي‌شود، فشار نه تنها در داخل دهليزها بلکه در داخل بطن‌ها نيز افزايش مي‌يابد، بطوريکه فشار در داخل دهليز راست به 4 تا 6 و در دهليز چپ به 7 تا 8 ميلي‌متر جيوه مي‌رسد.(نقطه a، شکل ‏1-7). اما فشار آئورتي حالت نزولي دارد، زيرا خوني از قلب وارد آئورت نمي‌شود. در پايان سيستول دهليزي و با شروع سيستول بطني، در اثر افزايش فشار داخل بطن‌ها و زيادتر شدن فشار داخل بطن‌ها از فشار دهليزها، دريچه‌هاي دهليزي-بطني بسته مي‌شوند. صداي بسته شدن و ارتعاش خون در اطراف لت‌هاي بسته شده اين دريچه‌ها شبيه “پوم” است و با گوشي پزشکي قابل شنيدن است.
وقتي دريچه‌هاي دهليزي-بطني بسته مي‌شوند، هنوز دريچه‌هاي نيمه هلالي باز نشده‌اند و در حقيقت بطن در اين زمان يک حفره مسدود است. براي باز شدن دريچه‌هاي نيمه هلالي بايد فشار درون هر بطن، در اثر انقباض جدار عضلاني آن، به بيش از فشار درون شريان منشا گرفته از آن بطن افزايش يابد.( فشار درون بطن چپ و راست به ترتيب بيش از فشار درون شريان‌هاي آئورت و ريوي گردد.). اين مرحله را، مرحله انقباض حجم ثابت گويند، يعني انقباض در حين ثابت ماندن حجم خون. بنابراين مرحله انقباض حجم ثابت، مرحله بين بسته شدن دريچه‌هاي‌دهليزي-بطني و باز شدن دريچه‌هاي نيمه هلالي است که در اثر انقباض جدار عضلاني بطن‌ها فشار درون آنها بدون تغيير حجم افزايش مي‌يابد. از آنجا که حداقل فشار داخل شريان آئورتي و شريان ريوي در حالت طبيعي به ترتيب 80 و 8 ميلي‌متر جيوه است( فشارهاي دياستولي )، بايد فشار خون در بطن چپ به کمي بيش از 80 و در بطن راست به کمي بيش از 8 ميلي‌متر جيوه برسد تا دريچه‌هاي نيمه هلالي باز گردند.
در شکل ‏1-7 مشاهده مي‌شود که در مرحله انقباض حجم ثابت، منحني حجم بطني کاملاً بدون تغيير است اما همين که دريچه نيمه هلالي آئورت باز شد، منحني حجم کاهش مي‌يابد و اين کاهش حجم تا پايان سيستول ادامه پيدا مي‌کند. اما به دليل ادامه انقباض پر قدرت جدار عضلاني بطني، فشار داخل بطن طي مدت کوتاهي پس از باز شدن دريچه آئورت باز هم زيادتر مي‌شود و سپس رو به کاهش مي‌گذارد. 60 الي 70 درصد کل خوني که بايد در هر ضربه وارد آئورت شود(60 تا 70 درصد حجم ضربه‌اي) تقريباً در ربع اول سيستول از قلب خارج مي‌شود. 30 الي 40 درصد باقيمانده حجم ضربه‌اي هم در ربع‌هاي دوم و سوم سيستول بطني وارد آئورت مي‌شود و در ربع چهارم سيستول هيچ خوني وارد آئورت نمي‌شود. مرحله چهارم سيستول بطني را مرحله پرودياستول يا پيش دياستول گويند. وقتي فشار داخل بطن‌ها آنقدر کاهش يافت که از فشار درون شريان‌هاي آئورت و ريوي کمتر شد، دريچه‌هاي نيمه هلالي بسته مي‌شوند. بسته شدن دريچه‌هاي نيمه هلالي صدايي شبيه “تاک” دارد. کاهش فشار داخل بطني طي دياستول يا شل شدن بطني ادامه مي‌يابد تا اينکه فشار داخل بطني از فشار دهليزي هم کمتر شود. در اين هنگام دريچه‌هاي دهليزي-بطني باز شده و خون از دهليزها وارد بطن‌ها مي‌شود. بنابراين مشاهده مي‌شود که طي دياستول بطني هم مرحله‌اي وجود دارد که حجم داخل بطن‌ها ثابت مي‌ماند(زيرا در اثر بسته بودن تمامي دريچه‌هاي نيمه هلالي و دهليزي-بطني، ورود و خروج خون از بطن وجود ندارد)، ولي شل شدن جدار بطن‌ها ادامه دارد. اين مرحله بين بسته شدن دريچه‌هاي نيمه هلالي تا باز شدن دريچه‌هاي دهليزي-بطني را مرحله شل شدن حجم ثابت گويند که نقطه مقابل انقباض حجم ثابت است. پس از باز شدن دريچه‌هاي دهليزي-بطني حدود 70 درصد خون به سرعت و بدون انقباض دهليزها( ناشي از وزن خون) و 20 درصد در اثر انقباض دهليزها به بطن‌ها رانده مي‌شود. حدفاصل بين پر شدن سريع بطن‌ها از خون و انقباض دهليزي را دياستازيس گويند. در اين مرحله نيز 10 درصد خون باقيمانده، به خون درون حفرات بطن‌ها اضافه مي‌شود. حجم خوني که در پايان سيستولي در بطن‌ها باقي مي‌ماند حدود 50 ميلي‌ليتر است و حجم سيستولي ناميده مي‌شود. حجم خوني که در پايان هر دياستول در حفرات بطن جمع مي‌گردد، حجم پايان دياستولي ناميده مي‌شود که برابر 110 تا 130 ميلي‌ليتر و بطور ميانگين 120 ميلي‌ليتر است. تفاوت اين دو حجم همان حجم ضربه‌اي است که برابر با 70 تا 75 ميلي‌ليتر در يک ضربه است. حاصل ضرب تعداد ضربان قلب در حجم ضربه‌اي، مقدار برون‌ده قلبي در دقيقه را به دست مي‌دهد.
برون‌ده قلبي=تعداد ضربان قلب × حجم ضربه
شکل ‏1-7-تغييرات فشار، فشار دهليزي و بطني، حجم بطن، الکتروکارديوگرام و فونوکارديوگرام در يک سيکل قلبي[15]
شکل ‏1-8-حرکت موج الکتريکي در قلب[9]
شکل ‏1-9-مراحل يک سيکل قلبي[17]
الکتروکارديوگرام24
غشاي هر سلول عضلاني در حالت استراحت پولاريزه است. بدين صورت که يک لايه بار الکتريکي منفي در داخل غشا جاي دارد. دپولاريزاسيون( تحريک ) در حقيقت جابجايي اين يون‌هاست، بطوري که داخل غشا مثبت و خارج آن منفي مي‌گردد. غشا را در اين حالت دپولاريزه گويند. وقتي يک پتانسيل عمل خودبخودي در گره سينوسي-دهليزي توليد شد، بلافاصله اين موج تحريک در سرتاسر دهليزها منتشر مي‌شود؛ همانند امواجي که در اثر انداختن يک سنگريزه در استخر آب منتشر مي‌‌شوند. موج تحريک از طريق راه‌هاي بين گره‌اي به گره دهليزي-بطني مي‌رسد، اما تفاوت انتشار آن در بطن‌ها با دهليزها در اين است که در بطن‌ها امواج نخست از گره دهليزي-بطني وارد دسته هيس مي‌شود، به سرعت شاخه‌هاي دسته‌اي راست و چپ و انشعابات آن را مي‌پيمايد و از طريق فيبرهاي پورکينه در سراسر عضله بطن‌ها منتشر مي‌شود. از آنجايي که مايعات بدن به طور کلي هادي‌هاي بسيار خوبي براي جريان الکتريکي هستند و عضله قلب در ميان اين هادي‌ها آويزان است، مقداري از جريان الکتروفيزيولوژيک حاصل از پتانسيل عمل شده در عضلات قلبي به سطح بدن مي‌رسد. ثبت اين جريانات را الکتروکارديوگرافي (ECG) نامند و توسط دستگاه ويژه‌اي که براي اين کار طراحي شده امکان پذير است. منحني بدست آمده از اين ثبت را الکترکاديوگرام گويند.
شکل ‏1-10-سيگنال‌هاي ECG ،[9]
امواجي که در يک الکتروکارديوگرام طبيعي مشاهده مي‌شوند عبارتند از:
موج P، مربوط به تحريک( دپلاريزاسيون ) دهليزهاست. ولتاژ آن بين 1/0 تا 3/0 ميلي‌ولت بوده و زمان آن 08/0 تا 12/0 ثانيه بطول مي‌انجامد.( به طور متوسط 08/0 ثانيه ).
کمپلکس QRS، مربوط به تحريک بطن‌هاست و از سه موج Q، R و S تشکيل شده است. ولتاژ آن در اشتقاق‌هاي دو قطبي و يک قطبي حدود 1 ميلي‌ولت و در اشتقاق‌هاي جلو قلبي 3 تا 4 ميلي‌ولت است و 06/0 تا 08/0 ثانيه بطول مي‌انجامد.
موج T مربوط به استراحت( رپولاريزاسيون ) بطن‌هاست. ولتاژ آن بين 2/0 تا 3/0 ميلي ولت بوده، بطور متوسط 15/0 ثانيه به طول مي‌انجامد. موج مربوط به رپلاريزاسيون دهليزها همزمان با دپولاريزاسيون بطن‌هاست و در حالت طبيعي به دليل قرارگرفتن در کمپلکس QRS، محو مي‌شود.
گاهي موج U که مربوط به رپولاريزسيون آهسته عضلات پاپيلر يا فيبرهاي پورکينه است پس از موج T مشاهده مي‌شود.
جريان خون در بدن
خون مهم ترين سيال در بدن انسان است. خاصيت غير نيوتني و ويسکوالستيسيته خون در نيمه دوم قرن بيستم کشف شد. از آن زمان تاکنون تحقيقات زيادي براي بدست آوردن معادله متشکله خون انجام شده است که صحت هر کدام در شرايط خاصي قابل اثبات است. لزجت خون با افزايش نرخ برشي کاهش پيدا مي‌کند لذا مي‌توان گفت خون داراي خاصيت شبه پلاستيک است. با توجه به اين خاصيت، بهترين مدل ( ساده‌ترين و مناسب‌ترين ) براي لزجت خون مدل تواني25 است.]9[. اين مدل براي محدوده نرخ برشي مياني (100-01/0) مناسب‌ترين مدل براي جريان خون است. خون يک بافت سيالي است که تقريباً از 55% سيال پلاسما و از 45% سلول(ياخته) تشکيل شده است. سه نوع عمده سلول در خون وجود دارد که عبارت است از: سلولهاي قرمز خون، سلولهاي سفيد خون و پلاکتهاي خوني. 92% از پلاسماي خون را آب تشکيل مي‌دهد و 8% باقيمانده را پروتيين، يون‌ها و متابوليت‌ها تشکيل مي‌دهند. چگالي( جرم واحد حجم ) پلاسماي خون تقريباً kg/m^(3 ) 1025 است. اين در حالي است که چگالي سلولهاي خوني تقريبا ًkg/m^(3 ) 1125 است. پلاسماي خون و محتوياتش بطور کلي خون ناميده مي‌شود. چگالي ميانگين سيال خون براي انسان تقريباً kg/m^(3 ) 1050 است. چگالي خون با فشار خون تغيير مي‌کند. در حالت ايستاده، چگالي خون داراي مقدار بيشتري است نسبت به حالتي که فرد نشسته است.
لزجت خون
لزجت را تمايل به ايستادگي در مقابل تغيير شکل ناشي از تنش برشي مي‌نامند. لزجت خون به لزجت پلاسماي خون بستگي دارد. سيال پلاسما را مي‌توان به عنوان سيال نيوتني تلقي نمود، اما خون را به خاطر داشتن سلولهاي خوني قرمز نمي‌توان سيال نيوتني فرض نمود. خون آدمي يک سيال غيرنيوتني است. براي مقادير نرخ برشي26 بيشتر از 1/s 100 لزجت خون به مقدار حدي ميل مي‌کند. همچنين اگر مقدار نرخ برشي کاهش يابد، لزجت افزايش مي‌يابد. اين افزايش لزجت خون براي حالتيکه نرخ برشي کمتر از 1/s 100 شود، قابل توجه است. البته هيچ شواهدي مبني بر اينکه در نرخ برشي‌هاي بسيار کوچک، لزجت بينهايت شود وجود ندارد.]9[.
شکل ‏1-11-رابطه بين لزجت و نرخ برشي براي خون انسان[8]
برون‌ده قلبي27
برون‌ده قلبي مقدار خوني است که در دقيقه از بطن چپ وارد آئورت مي‌شود و ميزان آن 5 الي 6 ليتر در دقيقه است. حجم ضربه اي از تعادل به وجود آمده بين نيروهاي انقباض قلب و پس بار28 نتيجه مي‌شود. نيروي انقباض به طول فيبرهاي عضلاني قلب در پايان دياستول، اندازه قلب و قابليت انقباض29 آن بستگي دارد. به عبارت ديگر، اين سه عامل مي‌توانند نيروي انقباض را تحت تاثير قرار قرار دهند. پس بار نيرويي است که بطن بايد بر آن غلبه کند تا بتواند خون را از خود خارج سازد يا به عبارتي نيرويي است که بطن بايد براي خروج خون در خلاف جهت آن منقبض شود. نظر به اينکه در دريچه آئورتي افت فشار بسيار کمي وجود دارد، منظور از بکار بردن پس بار همان فشار خون سيستول در آئورت است. در مقابل پس بار اصطلاح پيش بار30 وجود دارد که منظور حجم يا فشار پايان دياستولي است. ارتباط بين طول فيبرهاي عضلاني بطن در پايان دياستول و حجم ضربه اي موسوم به اثر فرانک-استارلينگ31 است.
لايه هاي قلب
قلب از سه لايه تشکيل شده است :
لايه پريکارد يا اپيکارد32
لايه ميوکارد33
لايه اندوکارد34

شکل ‏1-12- لايه هايي تشکيل دهنده بافت قلب[17]
لايه ميوکارد
لايه ميوکارد، لايه مياني قلب بوده و مشتمل بر فيبرهاي عضلاني مختلط غيرارادي مي باشد. اين لايه مسئول نيروي انقباضي قلب است. عضله قلب از رشتههايي تشکيل شده که مشابه عضله اسکلتي است، ولي مانند نوع صاف غير ارادي



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید