DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 08.08.2011

Материалы

загрузка...

Терморегуляция гомойотермного организма в термонейтральной зоне

Лучаков Юрий Иванович, 08.08.2011

 

Каждая часть тела, аппроксимированная цилиндром, с точки зрения теплообмена соответствует по физическим и физиологическим параметрам реальной части организма человека. В целом масса всей модели организма человека равняется 70 кг, площадь поверхности, с которой происходит теплоотдача в среду составляет 1.8 м2, а теплопродукция около 90 Вт. Каждую часть тела, состоящую из 14 цилиндров, представляли в виде двух кооксальных цилиндров, где внутренний цилиндр имитирует ядро, а ткани, расположенные между поверхностями внутреннего и внешнего цилиндров, соответствует оболочке. В ядре теплоперенос осуществляется только конвективным образом, а в оболочке только кондуктивным. Исследования

теплообмена организма человека со средой проводили в термонейтральной зоне человека при температуре среды 27-28-29?С.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Теплоперенос кровью в сосудах различного диаметра

Результаты расчетов на модели отдельного сосуда по формуле (1) показывают, что температура крови при движении по в различным артериальным сосудам изменяется в соответствии с данными представленными на рис.4. Как следует из рисунка, в крупных сосудах температура крови при движении по сосуду фактически не меняется, а в мелких температура крови сравнивается с температурой окружающей ткани.

Т, ?С

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 L?10-1cм

Рис. 4. Изменение температуры крови в сосудах разного калибра: радиусом 0.03 см (1), 0.02 см (2), 0.01 см (3), 0.005 см (4).

В венозных сосудах кровь, оттекая от «холодной» кожи с температурой 34 ?С в ткани «теплого» ядра с Т= 37.5 ?С, нагревается в соответствии с рис. 5. В крупных венозных сосудах температура крови фактически не изменяется

при своем движении по сосуду, а в мелких, наоборот, нагревается до температуры окружающей ткани.

38 Т ?С

36 2

L,см

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Рис.5. Схематическое изображение венозных сосудов различного размера (А) и изменение температуры венозной крови (В) в сосудах радиусом R = 0.06 см (1), R = 0.03 см(2), R = 0.01 см(3), R = 0.008 см(4).

Для понимания процесса теплопереноса в организме, важное значение имеет не только знание теплопереноса в отдельных сосудах, но и в целом сосудистом русле. Поэтому в работе было построено сосудистое дерево, имитирующее реальное русло в коже, используя анатомические и физиологические данные и исходя из определенных физиологических закономерностей строения сосудистого дерева, на котором и анализировался процесс обмена теплом между кровью и окружающей тканью (рис. 6).

Рис. 6. Схематическое изображение сосудистого русла, состоящее из 9 звеньев

Надо отметить, что пространственное расположение сосудистого дерева в реальных тканях может быть самым разнообразным. Однако, расположив это сосудистое дерево параллельно и перпендикулярно поверхности кожи, фактически охватываем все другие случаи.

Исследования показывают, что, если кровь поступает из тканей ядра с температурой 37.5?С на вход выше приведенного сосудистого дерева, которое расположено параллельно поверхности кожи с температурой 34?С, то изменение температуры крови при движении ее по этому сосудистому

руслу соответствует данным, приводимым на рис. 7 (1). Как следует из расчетов, при средней скорости кровотока температура крови в крупных сосудах почти не меняется, а в мелких сравнивается с температурой окружающей ткани. При увеличении скорости кровотока во всем сосудистом русле температура крови повышается и в более мелких сосудах и, напротив, снижение скорости кровотока приводит к уменьшению температуры крови в более крупных сосудах вплоть до величины температуры ткани рис.7ииииииииииии (2, 3, 4).

Т, ?С

2 1 3 4

34 4 8 12 16 20 24 28

Рис. 7. Изменение температуры в каждом звене сосудистого дерева при изменении скорости кровотока: V=Vср(1), V= 0.5·Vср(2), V=3·Vср(3), V=15·Vср(4).

При перпендикулярном расположении сосудистого дерева к поверхности кожи изменение температуры крови в нем будет в основном соответствовать изменению температуры крови, протекающей по этому сосудистому дереву, расположенному параллельно поверхности кожи.

Таким образом, «теплая» артериальная кровь, поступающая в кожу из ядра организма, отдает тепло в окружающие их ткани, и температура крови в

капиллярах, расположенных во внешних слоях кожи, приобретает температуру поверхностных слоев кожи.

По венозной сосудистой системе охлажденная кровь возвращается в ядро организма и по нашим данным прогрессивно нагревается в мелких венулах.

Когда кровь поступает в достаточно крупные венозные стволы, которые еще находятся не в ядре организма, температура крови уже незначительно изменяется. В ядро организма кровь, оттекающая от кожи, поступает по достаточно крупным венам, когда уже почти нет нагревания крови за счет тепла тканей ядра организма. Поэтому венозная кровь, поступает в ядро организма, охлажденной не до уровня температуры поверхностного слоя кожи, а до температуры ниже уровня температуры тканей ядра всего на несколько десятых градуса. При этом изменение скорости кровотока в венозной системе приводит к изменению температуры крови, оттекающей от поверхностных слоев кожи. Увеличение скорости кровотока в венозном русле приводит к тому, что венозная кровь, поступающая в ядро организма, не успевает достаточно сильно нагреться в тканях оболочки, она поступает в ядро организма с более низкой температурой. Наоборот, уменьшение скорости кровотока в венозном дереве при прочих равных условиях приводит к тому, что кровь достаточно долго проходит по теплым тканям и нагревается больше, чем при движении крови с нормальной скоростью, поступая в ткани ядра с большей температурой.

Наши исследования хорошо согласуются с экспериментальными данными о величине температуры крови в крупных венах, собирающих кровь с различных областей тканей кролика (Хорева Е.В., 1989, 1991). В частности, показано, что в крупных венах, отводящих кровь от кожи кролика, температура крови меньше температуры ядра организма всего на 0.2-0.3°С.

Полученные результаты позволили перейти к более реальной задаче переноса тепла в отдельных областях оболочки, где одновременно действуют конвективный и кондуктивный теплоперенос. Как известно, в тканях организма существует сложнейшая архитектоника кровеносного русла, где в каждом отдельном микрообъеме движутся потоки артериальной и венозной крови в самых различных направлениях.

Благодаря тщательному литературному анализу по анатомии строения кожи и подкожных слоев у человека схематично кровеносное русло кожи можно представить в виде рис.8. Одной из важных особенностей этой архитектоники кровеносного русла является тот факт, что чем ближе залегают сосуды к поверхности кожи, тем они становятся все более мелкими. На основе такого представления сосудистого русла была построена математическая модель полного теплопереноса в ткани оболочки организма и проведены исследования теплопереноса в ней. Главным результатом расчетов на этой модели является то, что, несмотря на кровоток в коже, конвективной составляющей теплопереноса здесь не существует, а имеется только кондуктивный теплоперенос.

Рис.8. Схематическое изображение кровеносного русла в коже.

Заштрихованные сосуды – венулы, не заштрихованные сосуды – артериолы.

Теплоперенос в различных областях организма

Для выяснения теплового гомеостаза теплокровного организма в работе были проведены исследования теплопереноса во внутренних тканях организма с помощью построенной математической модели организма человека, в которой учитываются морфологические данные кровеносного русла.

Главным результатом этих исследований является то, что в тканях ядра организма теплоперенос осуществляется в основном конвективно, за счет переноса тепла кровью, а на периферии организма тепло переносится кондуктивно, благодаря градиенту температуры между более глубокими и более поверхностными тканями периферии. Как показывает наш анализ, данное явление обусловлено тем, что в тканях ядра в норме циркулирует большое количество крови, а архитектоника сосудистого русла очень разнообразна (артерии, вены, артериолы, венулы и обширный капиллярный бассейн). В периферийных тканях организма, наличие кондуктивного теплопереноса обусловлено как спецификой сосудистого русла, так и тем,

что в норме количество крови в этой части организма составляет незначительную часть от общего кровотока. В коже залегают сосуды небольшого диаметра, и температура крови, текущая по артериальному руслу в кожу из тканей ядра, сравнивается с температурой окружающей ткани, а температура крови, текущая по венозному руслу из кожи в ткани ядра, тоже нагревается до температуры окружающей ткани. Таким образом, сколько тепла будет входить с «теплой» артериальной кровью в ткани периферии, столько же тепла будет уходить с током венозной крови из периферических областей в ткани ядра.

Терморегуляция кролика

Используя полученные на моделях данные, были проведены целенаправленные экспериментальные исследования терморегуляции организма кроликов в их термонейтральной зоне (22-25?С). Как показывают исследования, температурное распределение на поверхности кролика при оптимальной температуре среды 23.5?С по нашим данным соответствуют значениям, приведенным в табл. 1. Средняя температура кожи кролика по расчетам составляет 32.5(С, а в глубине тканей температура последовательно растет до величины ректальной температуры (температуры ядра).