Виндкеселов ефекат

Усклађеност (или растегљивост) аорте и великих еластичних артерија врата и подкључне и плућне артерије аналогне су кондензатору (користећи хидрауличку аналогију); другачије речено, ове артерије заједно делују као хидраулички акумулатор.

Виндкеселов ефекат је термин који се користи у медицини да би се објаснио облик таласног облика артеријског крвног притиска у смислу интеракције између ударног волумена и усклађености аорте[1] и великих еластичних артерија и отпора мањих артерија и артериоле.[2] Kористе се за процену укупне артеријске усклађености на основу притиска и протока.[3] Пошто је у питању грудни модел, он није погодан за процену просторно распоређених феномена и аспеката путовања таласа, али је једноставна и прилично тачна апроксимација коморског (вентрикуларног) постоптерећења.[2]

Зидови великих еластичних артерија (нпр. аорте,[4] заједничке каротидне артерије, подкључне и плућне артерије и њихове веће гране) садрже еластична влакна, формирана од еластина.[5] Ове артерије се шире када крвни притисак расте током систоле и снижава се када крвни притисак пада током дијастоле.[6] Пошто је брзина крви која улази у ове еластичне артерије већа од оне која их напушта преко периферног отпора, постоји нето складиштење крви у аорти и великим артеријама током систоле, која се испушта током дијастоле.[7] Због тога је усклађеност (или растегљивост) аорте и великих еластичних артерија аналогна кондензатору (користећи хидрауличку аналогију); другачије речено, ове артерије заједно делују као хидраулички акумулатор.[8]

Виндкеселов ефекат помаже у ублажавању флуктуације крвног притиска (пулсног притиска) током срчаног циклуса и помаже у одржавању перфузије органа током дијастоле када срчано избацивање престане.[9][10]

Етимологија и историја

Израз Windkessel када се слободно преведе са немачког на енглески језикм значи elastic reservoir (ваздушна комора),[11][12] али се генерално сматра да имплицира еластични резервоар.[13]

Виндкеселов ефекат који је Стивен Хејлс упоредио са ваздушном комором које се користила у ватрогасним возилима у 18. веку.

Идеју о Виндкеселовом ефекту први је изнео Ђовани Борели, да би потом Стивен Хејлс јасније артикулисао концепт овок ефекта упоређујућу га са ваздушном комором које се користила у ватрогасним возилима у 18. веку.[14]

Потом је Ото Франк, утицајни немачки физиолог, развио је концепт и обезбедио чврсту математичку основу овом ефекту.[11] Франков модел се понекад назива двоелементним Виндкеселов модел да би се разликовао од новијих и разрађенијих Виндкеселових модела (нпр. три или четири елемента и нелинеарни Виндкесел модели).[15][16]

Врсте модела

Виндкеселова физиологија остаје релевантан, али застарео опис је од важног клиничког интересам у коме претпостављамо да:[17][18]

  • Срчани циклус почиње у систоли.
  • Да је ериод систоле 2/5 периода срчаног циклуса.
  • Да су артеријска усклађеност, периферни отпор и инерција моделовани као кондензатор, отпорник, и индуктор.

Основни Виндкессел модел израчунава експоненцијалну криву притиска коју одређује систолна и дијастолна фазе срчаног циклуса. Како се број елемената у моделу повећава, нови физиолошки фактор се узимају у обзир и тачнији су резултати који се односе на оригиналну криву. Разни други критеријуми као што су сложеност прорачуна, облик генерисане криве итд узети у обзир приликом одлучивања о томе који модел одабрати.

Виндкессел модели објашњени у наставку приказују се као три различита модела.

Двоелементни модел

Најједноставнији Виндкеселов модела који показује хемодинамичко стање је двоелементни модел. Током срчаног циклуса, он узима у обзир ефекат артеријске усклађености и тоталног периферни отпор.

Електрични аналог двоелементног Виндкеселовог модела

У овом моделу претпоставља се да је однос притиска и запремине константан и да је излив из Виндкесела пропорционалан притиску течности. Запремински доток мора бити једнак збиру запремине ускладиштене у капацитивном елементу и запреминском одливу кроз отпорни елемент. Овај однос је описан следећом диференцијалном једначином:

У електричном аналогу, артеријска усклађеност (C у cm3/mmHg) је представљена као кондензатор са својствима складиштења електричног набоја; док је периферни отпор системских артеријски систем (R у mmHg ⇥ s/cm3) представљен као отпорник за расипање енергије. Проток крви из срца (I(t) у cm3/s) је аналоган струји која тече у колу, а крвни притисак у аорти (P(t) у mmHg) је моделиран као временски променљив електрични потенцијал.

Током дијастоле нема прилива крви пошто је аортни (или плућни залистак) затворен, тако да се Виндкесел може решити једначином P(t) пошто је I(t) = 0:

у којој је тд време почетка дијастоле, P(td) крвни притисак на почетку дијастоле. Овај модел је само груба апроксимација артеријске циркулације; реалистичнији модели укључују више елемената, дајући реалније процене таласног облика крвног притиска и о њима се говори у наставку.

Троелементни модел

Електрични аналог троелементног Виндкеселовог модела

Виндкеселов модел са три елемента симулира карактеристичну импедансу проксималне аорте. А отпорник се додаје у серији да би се објаснио овај отпор протоку крви због аортног залистка. Већ постојеће паралелне комбинације отпорник-кондензатор представљају укупан периферни отпор и усклађеност аорте у моделу са два елемента као што је раније дискутовано. Комплијанса аорте услед варијација притиска се види дозвољавањем боца да се подвргне запреминским померањима. Геометрија цеви представља карактеристични отпор у аорти. Отпор протоку варира делимично отварањем и затварањем игличастог вентила. Овај однос је описан следећом диференцијалном једначином:

Четвороелементни модел

Виндкеселов моделс са 2, 3 и 4 елемента[19]

Овај модел укључује индуктор у главној грани кола јер он узима у обзир инерцију проток крви у хидродинамичком моделу. Дат је пад електричног потенцијала преко индуктора као (L(di(t)/dt). Модел са 4 елемента даје прецизнији приказ крвног притиска у односу на криву времена срчаног циклуса у поређењу са моделима са два и три елемента. Електрични аналогни модел је приказан овом једначином:

Примена

Ови модели повезују проток крви са крвним притиском преко параметара R, C (и, у случају модела са четири елемента, L). Ове једначине се могу лако решити (нпр. коришћењем MATLAB-а и његовог додатка SIMULINK) да се или пронађу вредности притиска датог протока и R, C, L параметара, или да се пронађу вредности R, C, L за дати проток и притисак.[20]

Пример за модел са два елемента је приказан испод, где је I(t) приказан као улазни сигнал током систоле и дијастоле.[21] Систола је представљена функцијом sin, док је проток током дијастоле нула. s представља трајање срчаног циклуса, док Ts представља трајање систоле, а Td представља трајање дијастоле (нпр. у секундама).

У физиологији и болестима

Графикон за процену притиска у систоли и дијастоли

Виндкеселов ефекат се смањује са годинама како еластичне артерије постају мање попустљиве, што се назива отврдњавање зидова артерија или артериосклероза, вероватно секундарно због фрагментације и губитка еластина.[22][23][24]

Смањење Виндкеселовог ефекта доводи до повећаног пулсног притиска за дату запремину ударца. Повећани пулсни притисак доводи до повишеног систолног притиска (хипертензије) што повећава ризик од инфаркта миокарда, можданог удара, срчане инсуфицијенције и низа других кардиоваскуларних болести.[25]

Према студијама установљена је статистички значајна разлика у временима интензитета интракранијалног контраста у функцији величине проксималне анеуризме. Потенцијални механизам за овај налаз може бити Виндкессел ефекат, где анеуризма делује као резервоар крви у систоли који и ослобађа у дијастоли. Како ово може бити од значаја за велике анеуризме након третмана ито захтева даље проучавање.[26][27][28][29][30]

Ограничења

Иако је Виндкеселов ефекат једноставан и згодан концепт, он је у великој мери замењен модернијим приступима који тумаче таласне облике артеријског притиска и протока у смислу ширења и рефлексије таласа.[31]

Недавни покушаји да се интегрише ширење таласа и Виндкеселов приступ кроз концепт резервоара,[32] критиковани су,[33][34] јер је недавни документ о консензусу истакао је таласасту природу резервоара.[35]

Извори

  1. ^ Shepard, R.B (1992). „Invited Letter to the Editor on The Effect of Extra-Anatomic Bypass on Aortic Input Impedance Studies in Open Chest Dogs: Should the Vascular Prosthesis Be Compliant to Unload the Left Ventricle?”. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 104 (4): 1175—1177. , October, 1992.
  2. ^ а б Westerhof, Nico; Lankhaar, Jan-Willem; Westerhof, Berend E. (2009). „The arterial Windkessel”. Medical & Biological Engineering & Computing. 47 (2): 131—141. ISSN 1741-0444. PMID 18543011. doi:10.1007/s11517-008-0359-2. 
  3. ^ Scuteri, Angelo; Volpe, Massimo; Asmar, Roland (2007). „Arterial Stiffness and Cognitive Impairment in the Elderly”. High Blood Pressure & Cardiovascular Prevention. 14 (1): 33—37. ISSN 1120-9879. doi:10.2165/00151642-200714010-00005. 
  4. ^ Ivanov, A.; Linninger, A.; Hsu, C. Y.; et al. (2016). „Correlation between angiographic transit times and neurological status on admission in patients with aneurysmal subarachnoid hemorrhage”. Journal of Neurosurgery. 124: 1093—1099. .
  5. ^ Westerhof, N. (2008). The arterial Windkessel. Medical & Biological Engineering
  6. ^ McDonald D.A (1960). Blood Flow in Arteries. . Monographs of the Physiological Society. Baltimore: Williams and Wilkins Company
  7. ^ Truant, R. (2013). Design of a Pulsatile Pumping System for Cardiovascular Flow PIV Experimentation. University of Victoria, Faculty of Mechanical Engineering, Victoria, British Columbia.
  8. ^ Nichols W.W., O'Rourke M.F. McDonald's Blood Flow in Arteries: Theoretical, Experimental and Clinical Principles. 2005. . Hodder Arnold Publication
  9. ^ „Windkessel_effect”. www.bionity.com. Приступљено 2024-02-03. 
  10. ^ Johannes W. Rohen, Elke Lütjen-Drecoll: Funktionelle Anatomie des Menschen: Lehrbuch der makroskopischen Anatomie nach funktionellen Gesichtspunkten. Schattauer Verlag, 2006, ISBN 9783794524402, S. 160.
  11. ^ а б Sagawa K, Lie RK, Schaefer J (1899). „Translation of Otto Frank's paper "Die Grundform des Arteriellen Pulses" Zeitschrift für Biologie.”. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 22 (3): 253—4. PMID 2192068. doi:10.1016/0022-2828(90)91459-K. 
  12. ^ Frank O (март 1990). „The basic shape of the arterial pulse. First treatise: mathematical analysis. 1899”. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 22 (3): 255—77. PMID 21438422. doi:10.1016/0022-2828(90)91460-O. 
  13. ^ Ganong MD, William F (2005). Review of Medical Physiology (Twenty-Second изд.). The McGraw-Hill Companies, Inc. стр. 587. ISBN 9780071440400. 
  14. ^ Hales, Stephen (1733). Statical Essays: Haemastaticks. 
  15. ^ Westerhof N, Lankhaar JW, Westerhof BE (фебруар 2009). „The arterial Windkessel”. Medical & Biological Engineering & Computing. 47 (2): 131—41. PMID 18543011. doi:10.1007/s11517-008-0359-2Слободан приступ. 
  16. ^ Cappello A, Gnudi G, Lamberti C (март 1995). „Identification of the three-element windkessel model incorporating a pressure-dependent compliance”. Annals of Biomedical Engineering. 23 (2): 164—77. PMID 7605053. doi:10.1007/bf02368323. 
  17. ^ de Sá Ferreira, Arthur; Filho, José Barbosa; Cordovil, Ivan; de Souza, Marcio Nogueira (2009). „Three-section transmission-line arterial model for noninvasive assessment of vascular remodeling in primary hypertension”. Biomedical Signal Processing and Control. 4 (1): 2—6. ISSN 1746-8094. doi:10.1016/j.bspc.2008.07.001. 
  18. ^ Saveljic, Igor; Nikolic, Dalibor; Milosevic, Zarko; Isailovic, Velibor; Nikolic, Milica; Parodi, Oberdan; Filipovic, Nenad (2018-05-09). „3D Modeling of Plaque Progression in the Human Coronary Artery”. The 18th International Conference on Experimental Mechanics. Basel Switzerland: MDPI. doi:10.3390/icem18-05213. 
  19. ^ Lambermont, B., et.al., “Comparison between Three- and Four-Element Windkessel Models to Characterize Vascular Properties of Pulmonary Circulation”, Arch. Physiol. and Biochem. 105 (1997) 625-632.
  20. ^ Martin Hlavac. Windkessel Model Analysis in MATLAB Doctorate, Brno University of Technology, Prague, Czech Republic. 2004.
  21. ^ Ryan Truant. “Design of a Pulsatile Pumping System for Cardiovascular Flow PIV Experimentation.”, Bachelors in Engineering, University of Victoria, Victoria, British Columbia. 2007.
  22. ^ Greenwald SE (јануар 2007). „Ageing of the conduit arteries”. The Journal of Pathology. 211 (2): 157—72. PMID 17200940. doi:10.1002/path.2101Слободан приступ. 
  23. ^ Ganong M.D., William F. (2005): Review of Medical Physiology, Twenty-Second Edition, page 587. The McGraw-Hill Companies, Inc.
  24. ^ Manning, T. S. (2002). Validity and Reliability of Diastolic Pulse Contour Analysis (Windkessel Model) in Humans. Hypertension, 39  963-968
  25. ^ Lewington S, Clarke R, Qizilbash N, Peto R, Collins R (децембар 2002). „Age-specific relevance of usual blood pressure to vascular mortality: a meta-analysis of individual data for one million adults in 61 prospective studies”. Lancet. 360 (9349): 1903—13. PMID 12493255. doi:10.1016/S0140-6736(02)11911-8. 
  26. ^ Murakami, H.; Inaba, M.; Nakamura, A.; et al. (2002). „Ipsilateral hyperperfusion after neck clipping of a giant internal carotid artery aneurysm”. Case report. Journal of Neurosurgery. 97: 1233—1236. .
  27. ^ Chiu, A. H.; Wenderoth, J. (2013). „Cerebral hyperperfusion after flow diversion of large intracranial aneurysms”. J Neurointerv Surg: 5. : e48.
  28. ^ Rayz, V. L.; Lawton, M. T.; Martin, A. J.; et al. (2008). „Numerical simulation of pre- and postsurgical flow in a giant basilar aneurysm”. Journal of Biomechanical Engineering: 130. : 021004.
  29. ^ Russin, J.; Babiker, H.; Ryan, J.; et al. (2015). „Computational fluid dynamics to evaluate the management of a giant internal carotid artery aneurysm”. World Neurosurg. 83: 1057—1065. .
  30. ^ Steinman DA, Hoi Y, Fahy P, et al. Variability of computational fluid dynamics solutions for pressure and flow in a giant aneurysm: The ASME 2012 Summer Bioengineering Conference CFD Challenge. Journal of Biomechanical Engineering 2013; 135: 021016.
  31. ^ Nichols WW, O'Rourke MF (2005). McDonald's Blood Flow in Arteries: Theoretical, Experimental and Clinical Principles (5th изд.). Hodder Arnold Publication. ISBN 9780340809419. 
  32. ^ Tyberg JV, Davies JE, Wang Z, Whitelaw WA, Flewitt JA, Shrive NG, Francis DP, Hughes AD, Parker KH, Wang JJ (фебруар 2009). „Wave intensity analysis and the development of the reservoir-wave approach”. Medical & Biological Engineering & Computing. 47 (2): 221—32. PMID 19189147. doi:10.1007/s11517-008-0430-z. 
  33. ^ Segers P, Swillens A, Vermeersch S (април 2012). „Reservations on the reservoir”. Journal of Hypertension. 30 (4): 676—8. PMID 22418902. doi:10.1097/HJH.0b013e32835077beСлободан приступ. 
  34. ^ Westerhof N, Segers P, Westerhof BE (јул 2015). „Wave Separation, Wave Intensity, the Reservoir-Wave Concept, and the Instantaneous Wave-Free Ratio: Presumptions and Principles”. Hypertension. 66 (1): 93—8. PMID 26015448. doi:10.1161/HYPERTENSIONAHA.115.05567Слободан приступ. 
  35. ^ Segers P, O'Rourke MF, Parker K, Westerhof N, Hughes A (јун 2017). „Towards a consensus on the understanding and analysis of the pulse waveform: Results from the 2016 Workshop on Arterial Hemodynamics: Past, present and future”. Artery Research. 18: 75—80. PMC 5470638Слободан приступ. PMID 28626494. doi:10.1016/j.artres.2017.03.004. 

Спољашње везе

Молимо Вас, обратите пажњу на важно упозорење
у вези са темама из области медицине (здравља).