Trở kháng thành mạch với dòng máu của hệ tuần hoàn

Chức năng của hệ tuần hoàn là cung câp máu cần thiết cho mô- vận chuyển dinh dưỡng tới mô cơ quan, đồng thời vận chuyển chất thả, vận chuyển hormon từ 1 số cơ quan trong cơ thể đến những nơi khác, giữ ổn định nồng độ các chất trong nội môi trong cơ thể giúp các tế bào tồn tại và thực hiện tốt các chứng năng của mình.

Đơn vi của trở kháng

Trở kháng là sự cản trở với dòng máu trong mạch, những nó không thể đo bằng bất kì phương tiện trực tiếp. Thay vào đó, trở kháng chỉ được tính từ những công thức, phép đo của dòng máu và sự chênh lệch áp lực giữa 2 điểm trên mạch. Nếu chênh lệch áp lực giữa 2 điểm là 1 mmHg và tốc độ dòng chảy là 1ml/s, trở kháng được coi là 1 đơn vị kháng ngoại biên, thường viết tắt là PRU.

Biểu hiện của trở kháng trong đơn vị CGS

Thỉnh thoảng, một đơn vị vật lý cơ bản gọi là đơn vị CGS (cm, grams, giây) sử dụng để xác định rõ trở kháng. Đơn vị này là dyne giây/ cm5. Trở kháng trong những đơn vị này có thể tính theo công thức:

R[in (dyne sec/cm3)]=(1333 x mmHg)/(ml/sec)

Tổng trở kháng mạch ngoại vi và tổng động mạch phổi kháng

Tốc độc của dòng máu thông qua hệ tuần hoàn là bằng với tốc độ máu bởi nhịp đập của tim- đó là lượng máu tim đẩy ra. Ở người trưởng thành, tốc này khoảng 100ml/s. Chênh lệch áp suất từ hệ thống động mạch tới hệ thống tĩnh mạch khoảng 100 mmHg. Vì thề trở kháng của toàn bộ hệ thống tuần hoàn gọi là tổng trở kháng ngoại vi, khoảng 100/100 hoặc 1 PRU.

Trong điều kiện toàn bộ mạch máu khắp cơ thể trở nên siết mạnh, tổng trở kháng ngoại vi thỉnh thoảng lên quá mức cao tới 4 PRU. Ngược lại, khi lòng mạch trở nên dẫn ra, sức cản có thể hạ xuống mức thấp như 0.2 PRU.

Trong hệ thống hô hấp, áp lực động mạch phổi trung bình là 16 mmHg và áp lực tâm nhĩ trái khoảng 2 mmHg, tạo nên chênh lệch áp suất là 14mm. Vì thế, khi tim đẩy ra thông thường là khoảng 100 ml/s, tổng áp lực máu hệ tuần hoàn phổi khoảng 0.14 PRU (khoảng 1/7 so với hệ tuần hoàn máu lớn).

‘Độ dẫn’ của máu trong mạch là nghịch đảo của trở kháng

Độ dẫn là tiêu chuẩn đề đánh giá dòng máu chảy thông qua mạch khi áp suất thay đổi. Đo lường thường được biểu diễn theo ml/s hoặc mm của áp suất kế, nhưng nó nó thể được biểu diễn bằng l/s hoặc mmHg trong 1 đơn vị dòng chảy và áp suất.

Rõ ràng độ dẫn tỷ lệ nghịch với trở kháng phù hợp với công thức sau:

Độ dẫn = 1/ trở kháng

Hình. A: Biểu diễn ảnh hưởng của đường kính mạch đến lưu lượng máu. B: Các vòng đồng tâm của máu chảy với các vận tốc khác nhau; càng xa thành mạch thì dòng chảy càng nhanh. d, đường kính; P, hiệu số áp suất giữa hai đầu bình.

Đường kính mạch thu nhỏ ảnh hưởng đến độ dẫn

Những thay đổi nhỏ trong đường kính của mạch gây ra những thay đổi rất lớn tới khả năng dẫn máu của mạch khi dòng máu chảy bình thường. Hiện tượng này được chứng minh trong thí nhiệm trên hình A, với 3 mạch có 3 đường kính tỷ lệ với nhau 1,2 và 4 nhưng cùng 1 áp lực là 100 mmHg giữa 2 điểm cuối của mạch, mặc dù đường kính của những mạch này tăng lên 4 lần, các dòng tương ứng là 1, 16, 256, đó là sự gia tăng 256 lần của dòng chảy. Như vậy, độ dẫn của dòng máu tăng thêm tỷ lệ với mũ số 4 của đường kính mạch, theo công thức :

Độ dẫn = Đường kính4

Định luật Poiseuille

Nguyên nhân của độ dẫn tăng lên rất lớn khi đường kính tăng có thể giải thích như trên hình A, hiện lên mặt cắt của mạch lớn, nhỏ. Những vòng tròn đồng tâm phía trong lòng mạch cho thấy tốc độ dòng chảy trong mỗi vòng tròn là khác nhau bởi vì dòng chảy laminar, như đã nêu trong các chương trước. Máu trong vòng chạm vào thành mạch hầu như không chảy vì nó gắn ở lớp nội mạc mạch máu. Vòng tròn tiếp theo hướng về trung tâm mạch máu qua vòng tròn thứ nhất và bởi vậy dòng chảy nhanh hơn. Dòng chảy của các vòng tròn tiếp theo cũng tăng lên. Vì thế, máu ở gần thành mạch có tốc độ chậm, càng xa thành mạch, tốc độ càng nhanh lên.

Trong mạch máu nhỏ, cơ bản tất cả các dòng máu đều gần thành mạch, nên dòng chảy nhanh ở trung tâm của mạch máu gần như không tồn tại. Bằng cách kết vận tốc của tất cả các vòng tròn đồng tâm của dòng chảy và nhân chúng với diện tích của vòng tròn, ta được 1 công thức, đó là  định luật Poiseuille:

 F -> π∆Pr4/8rl η

Với :    F là tốc độ máu

          ∆P là chênh lệch áp lực.

          r là bán kính của mạch

          l là độ dài của mạch

          η là độ nhớt của máu

Đặc biệt từ công thức này, ta thấy tốc độ của dòng máu tỷ lệ với mũ số 4 của bán kính mạch. Chứng minh được đường kính mạch máu là yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng rất lớn tới tốc độ dòng máu qua mạch.

Tầm quan trọng của đường kính mạch ‘Định luật luỹ thừa 4’

Trong hệ thống tuần hoàn, khoảng 2/3 của tổng sức cản của máu là sức cản trong những động mạch nhỏ. Đường kính của động mạch từ 4 µm đến 25µm. Tuy nhiên, thành mạch máu khoẻ cho phép đường kính có thể thay đổi, thường dãn tới gấp 4 lầ. Từ định luật luỹ thừa 4 đã nêu từ trước liên quan trực tiếp với đường kính mạch máu, khi đường kính tăng 4 lần tốc độ dòng máu tăng 256 lần. Do vậy định luật luỹ thừa 4 giúp cho những động mạch nhỏ có thể phản ứng lại với những thay đổi nhỏ của đường kính từ những xung động thần kinh hoặc những tín hiệu hoá học từ các mô ngay cạnh, hoặc để tắt gần nhữ hoàn toàn lưu lượng máu đến các mô hoặc ở một phản ứng gây ra sự gia tăng lớn trong dòng chảy.

Sức cản của dòng máu trong mạch nối tiếp và mạch song song

Máu được bơm bởi tim từ áp suất cao của hệ tuần hoàn (tâm thất) tới áp suất thấp (tâm nhĩ) thông qua nhiều mét mạch máu trong mạch nối tiếp và mạch song song. Động mạch lớn, động mạch nhỏ, mao mạch, tiểu tĩnh mạch, tĩnh mạch xắp xếp nối tiếp nhau, khi mạch máu xắp xếp nối tiếp, dòng chảy mang máu theo và  tổng sức cản của dòng máu (R tổng) là tổng của toàn bộ sức cản trong mạch:

R tổng =R1 + R2 + R3 + R4+….

Hình. Trở kháng mạch (R): A mắc nối tiếp và B mắc song song

Tổng sức cản của mạch máu ngoại vi là bằng tổng của sức cản trong động mạch lớn, động mạch nhỏ, mao mạch, tiểu tĩnh mạch, tĩnh mạch. Như trên hình A, tổng sức cản bằng tổng của R1 và R2

Nhánh mạch máu rộng chia theo kiểu song song đáp ứng máu cho nhiều cơ quan và mô của cơ thể. Mạch máu song song cho phép mô điều chỉnh lượng máu phù hợp với mình một mức độ lớn, độc lập với dòng chảy đến mô khác.

Mạch máu chia nhánh song song, tổng sức cản dòng máu như công thức:

1/R tổng = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4

Nó phù hợp với xu hướng gradient áp suất, một lượng lớn máu sẽ chảy qua hệ thống mạch song song không phải qua bất kì các mạch máu riêng lẻ khác. Như vậy, tổng sức cản bé hơn so với sức cản của hệ thống mạch máu đơn thuần. Dòng chảy thông qua mạch song song trên hình B được quyết định bới gradient áp suất và sức cản riêng, không phải sức cản của các mạch máu song song khác. Tuy nhiên, làm tăng bất kì sức cản của mạch máu đều làm tăng tổng sức cản của mạch.

Nó ngược với khi thêm mạch máu để một mạch làm giảm tổng sức cản. Nhiều mạch máu song song giúp cho máu chảy qua hệ mạch được dễ dàng do mạch song song cũng cấp nhiều đường nhỏ hoặc độ dẫn, cho dòng máu Tổng độ dẫn của dòng máu (C tổng) bằng tổng của độ dẫn các mạch máu song song khác:

C tổng = C1 + C2 + C3 + C4  ...

Ví dụ, não, thận, cơ, ruột, da, và hệ tuần hoàn vành xắp sếp theo mạch song song, và mô góp phần đóng góp độ dẫn của hệ thống tuần hoàn. Dòng máu qua mô là phần nhỏ của tồng dòng máu (tim thu) và xác định bởi sức cản (nghịch đảo với độ dẫn) của dòng máu đến mô, cũng như gradient áp suất. Như vậy, cắt bỏ 1 nhanh hoặc mổ bỏ 1 quả thận sẽ gây huỷ hệ mạch song song và làm giảm tổng độ dẫn của mạch máu và tổng dòng máu, trong khi sức cản ngoại vi càng tăng.

Hình. Hematocrits ở một người khỏe mạnh (bình thường) và ở bệnh nhân thiếu máu và đa hồng cầu. Các con số liên quan đến phần trăm máu bao gồm các tế bào hồng cầu.

Ảnh hưởng của Hematocrit máu và độ nhớt máu trên sức cản mạch máu và dòng máu

Một chú ý quan trọng khác của công thức Poiseuille là độ nhớt của máu. Độ nhớt lớn, dòng máu chảy chậm nếu nếu tất cả các thông số khác không đổi. Hơn nữa, độ nhớt của máu là 3 lần so với độ nhớt của nước.

Nó khiến cho dòng máu dính lại ? Nó chủ yếu là các hồng cầu lơ lủng trong máu, gây tăng sức kéo ma sát chống các tế bào lân cân và chống lại các thành của mạch máu.

Hematocrit - thành phần hồng cầu của máu

Nếu một người có hematocrit là 40, nghĩa là có 40% thể tích máu là tế bào và phần còn lại là huyết tương. Hematocrit của nam giới trưởng thành khoảng 42, nữ giới là 38. Giái trị này thay đổi rất lớn, phụ thuộc vào bệnh nhân bình thường hay thiếu máu, và tăng cao trong hoạt động thể thao. Những thay đổi của hematocrit đang nhắc đến là những hồng cầu, chúng mang O xy.

Hematocrit được xác định bởi ly tâm máu trong ống nhiệm chuẩn, như trên hình. Việc hiệu chuẩn cho phép các tỷ lệ phần trăm của các tế bào.

Hình. Ảnh hưởng của hematocrit đến độ nhớt của máu (độ nhớt của nước = 1).

Hematocrit tăng gây tăng độ nhớt của máu

Độ nhớt của máu tăng mạnh cũng như hematocrit tăng, như hình. Độ nhớt của toàn bộ máu trong hematocrit bình thường là khoảng 3-4, nghĩa là 3-4 lần áp lực cần thiết để toàn bộ máu buộc nước đi qua mạch máu. Khi hematocrit tăng lên 60 hoặc 70 nó thường là bệnh đa hồng cầu ở người, độ nhớt của máu có thể gấp 10 lần nước, và dòng chảy thông qua mạch máu rất chậm.

Một yếu tố ảnh hưởng khác tới độ nhớt của máu là tập trung protein huyết tương và loại protein trong huyết tương, nhưng những ảnh hưởng này nhỏ hơn so với ảnh hưởng của hematocrit, chúng không có ý nghĩa trong nghiên cứu về huyết động học. Độ nhớt của huyết tương khoảng 1.5 lần so với nước.

Ảnh hưởng của áp suất tới sức cản mạch và mô máu lưu. ‘Tự điều chỉnh’ làm giảm ảnh hưởng của áp lực mạch máu trong mô máu lưu

Từ những thảo luận từ trước, một điều chắc chắn rằng tăng thêm áp lực máu động mạch làm tăng thêm dòng máu chảy qua các mô khác nhau của cơ thể. Tuy nhiên, ảnh hưởng của áp lực động mạch trong dòng máu trong nhiều mô luôn nhỏ hơn lực mong chờ, như hình. Lý do cho điều này là sự gia tăng áp lực động mạch không chỉ làm tăng lực đẩy máu qua các mạch nhưng cũng làm tăng bù sức cản mạch máu trong vòng vài giây thông qua kích hoạt các cơ chế kiểm soát. Ngược lại, với áp lực thu nhỏ lại, sức cản mạch mau chóng giảm xuống trong các mô và dòng máu giúp duy trì tốc độ dòng chảy không đổi. Khả năng của mỗi mô để điều chỉnh kháng lực mạch máu và duy trì lượng máu bình thường trong quá trình thay đổi áp lực động mạch giữa khoảng 70-175mmHg được gọi là dòng máu chảy tự điều chỉnh.

Hình. Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất động mạch trong khoảng thời gian vài phút đến lưu lượng máu trong mô như cơ xương.

Lưu ý rằng giữa áp suất 70 và 175 mm Hg, lưu lượng máu được "tự động điều chỉnh." Đường màu xanh lam cho thấy tác động của kích thích thần kinh giao cảm hoặc co mạch bởi các hormone như norepinephrine, angiotensin II, vasopressin, hoặc endothelin đối với mối quan hệ này. Giảm lưu lượng máu ở mô hiếm khi được duy trì trong hơn một vài giờ vì sự kích hoạt của các cơ chế tự điều hòa cục bộ mà cuối cùng đưa lưu lượng máu trở lại bình thường.

Chú ý trên là thay đổi dòng máu có thể do kích thích của thần kinh giao cảm, làm thiết lại mạch máu. Cũng như vậy hormon gây co mạch, như norepinephrine, angiotensin II, vasopresin hoặc endothelin có thể làm giảm dòng máu tạm thời.

Dòng máu thay đổi hiếm khi kéo dài hơn một vài đồng hồ trong hầu hết các ca mổ ngay cả khi tăng áp lực động mạch hoặc tăng lượng chất gây co mạch duy trì liên tục. Lý do cho sự thay đổi tương đối của lưu lượng máu là cơ chế tự điều chỉnh của các mô để chống lại tác dụng của chất gây co mạch nhằm cung cấu máu thích hợp với nhu cầu của các mô.

Mối liên hệ áp lực dòng máu trong mạch thụ động

Trong mạch máu cách ly hoặc trong mô không có biểu hiện của tự điều chỉnh, thay đỏi trong áp lực máu động mạch có thể gây ảnh hưởng nghiên trọng trong dòng máu. Sự thật, ảnh hưởng của áp lực trong dòng máu có thể sự đoán trước theo như công thức Poiseuille. Lý do của điều này là tăng thêm áp lực động mạch không chỉ làm tăng sức đẩy máu thông qua mạch nhưng cũng làm phồng mạch, làm giảm sức cản. Ngược lại, sự giảm áp lực trong mạch máu bị động làm tăng sức cản như mạch dã bị xẹp lại do giảm bớt áp lực. Khi áp lực giảm xuống dưới mức giới hạn, gọi là giới hạn của cùng của huyết áp, dòng chảy dừng và máu trong mạch hoàn toàn ngừng chảy.

Hệ thần kinh giao cảm và các chất gây co mạch có thể gián tiếp tác động tới áp lực dòng máu trên hình. Như vậy,  ức chế của hoạt động giao cảm gây dãn nở của mạch máu và làm tăng dòng máu. Ngược lại, kích thích thần kinh giao cảm gây co mạch lại khiến dòng máu giảm đi tơi mức 0 trong một vài giây mặc dù huyết áp động mạch vẫn cao.

Hình. Ảnh hưởng của áp suất động mạch đến lưu lượng máu qua mạch máu thụ động ở các mức độ khác nhau của trương lực mạch do tăng hoặc giảm kích thích giao cảm của mạch.

Trong thực tế, có rất ít điều kiện sinh lý trong đó mô biểu hiện bị đồng với áp lực dòng chảy trong hình. Thậm chí trong các mô mà không có hiệu quả của cơ chế tự điều chỉnh dòng máu trong khi thay đổi huyết áp động mạch cấp tính, lưu lượng máu được thay đổi theo nhu cầu của mô khi thay đổi áp suất.