Układ krwionośny - znowu!

Ludzki organizm można porównać z maszyną będącą skomplikowanym połączeniem wielu różnych układów. Zatrzymanie pracy lub nieprawidłowe działanie któregoś z układów wiąże się z chorobą lub – w przypadku tych kluczowych dla organizmu – ze śmiercią. Jednym z takich układów jest układ krążenia dostarczający tkankom tlenu i pożywienia, a odbierającym produkty przemiany materii.

Układ krążenia jest ściśle powiązany z układami: nerwowym (rola sterująca), pokarmowym (odbiór i rozprowadzanie pożywienia), oddechowym (dostarczanie i odbiór składników powietrza) oraz wydalniczym (wydalanie produktów przemiany materii)

W tym rozdziale zostanie opisana budowa układu krążenia, z krótkim opisem roli naczyń żylnych i tętniczych, zostanie przedstawiona budowa i działanie serca wraz z aortą. Przedstawię również czynniki wpływające na pracę serca i konsekwencje nieprawidłowości w przypadku zaburzeń poszczególnych czynników.

3.1 Budowa układu krążenia

Krew krąży w zamkniętym obiegu w naczyniach krwionośnych i jest wprawione w ruch przez serce. Krew wychodząca z serca transportowana jest przez system tętnic w stronę tkanek, krew wchodząca do serca jest kierowana z tkanek przez system żył. Żyły i tętnice łącza się w tkankach naczyniami o bardzo małej średnicy tworzącymi sieć naczyń włosowatych.

Elementem centralnym układu krążenia jest serce, które kurcząc się rytmicznie pompuje krew. W sercu łączą się mały i duży układ krążenia. W małym układzie krążenia krew wypływa z prawej komory serca, przepływa przez pień płucny do płuc i stamtąd wraca do lewego przedsionka serca. W dużym układzie krążenia krew wypływa z lewej komory do aorty, następnie transportowana jest do wszystkich tkanek aby później powrócić żyłami do prawego przedsionka serca. W krążeniu małym z serca wypływa krew odtlenowana a do serca wpływa krew natlenowana. W krążeniu dużym jest odwrotnie – z serca wypływa krew natlenowana, a do serca wraca krew natlenowana.

3.1.1  Serce

Serce to narząd zbudowany z mięśnia poprzecznie prążkowanego przystosowanego do szybkich wielokrotnych ruchów. Waga serca wynosi od 270 g u kobiety do ok. 300 g u mężczyzny. Jest to worek w kształcie spłaszczonego stożka, którego podstawa jest zwrócona ku górze a koniuszek ku dołowi. Zasadniczo wydziela się w budowie cztery struktury:

a) przedsionek prawy – uchodzą do niego żyły dolna i górna,

b) przedsionek lewy – uchodzą do niego cztery lub trzy żyły płucne,

c) komora prawa – krew jest stąd pompowana do pnia płucnego przez zastawkę trójdzielną,

d) komora lewa – krew jest kierowana przez zastawkę dwudzielną do aorty.

         Ściana serca złożona jest z trzech warstw:

         a) nasierdzia – to cienka błona pokrywająca zewnętrzną powierzchnię serca wraz z leżącymi na jego powierzchni naczyniami wieńcowymi

         b) mięsień sercowy – jest zbudowany z tkanki mięśniowej poprzecznie prążkowanej. W przeciwieństwie do mięśni szkieletowych (również poprzecznie prążkowanych) komórki w poszczególnych włóknach tej tkanki łączą się z komórkami sąsiadujących włókien. Warstwa mięśniowa serca jest najgrubsza w obrębie lewej komory serca, najcieńsza w okolicach przedsionków.

         c) wsierdzie – to cienka przezroczysta błona pokrywająca ściany przedsionków i komór przechodząc bezpośrednio w błonę wyściełającą wnętrze naczyń.

3.1.2 Naczynia krwionośne

Jak już wspomniano wcześniej naczynia dzielimy na żyły, tętnice oraz naczynia włosowate. Budowa poszczególnych naczyń jest ściśle związana z ich czynnością. W tętnicach płynie krew pod dużym ciśnieniem,  wobec tego ich ściany są grube i sprężyste. Naczynia włosowate są bardzo cienkie, co umożliwia wymianę produktów pomiędzy krwią i tkankami. Żyły mają dość cienkie ściany gdyż ciśnienie płynącej w nich krwi jest niewielka.

Wśród tętnic rozróżniamy tętnice małe, średnie i duże. W ich ścianie wyróżniamy trzy warstwy:

a) błonę wewnętrzną – zbudowaną z śródbłonka (jest to wyspecjalizowana pojedyncza warstwa komórek, która bierze udział w aktywnym transporcie substancji chemicznych, jak również wytwarza szereg ważnych substancji, takich jak tlenek azotu) oraz cienkiej warstwy tkanki łącznej,

b) błony środkowej – najgrubsza warstwa zbudowana z włókien mięśniowych umożliwiających skurcz naczynia i zmianę jego średnicy.

c) błona zewnętrzna – zbudowana ze sprężystej tkanki łącznej zawierającej włókna klejodajne  i sprężyste, biegnące wzdłuż osi długiej naczynia.

Grube tętnice zawierają ponadto sprężyste włókna na granicy pomiędzy błoną wewnętrzną i środkową oraz można zaobserwować jeszcze większe ich nagromadzenie w warstwie zewnętrznej.

Żyły podobnie jak tętnice zbudowane są z trzech warstw: błony wewnętrznej (zbudowanej ze śródbłonka i tkanki łącznej), błony środkowej (zawierającej nieliczne włókna mięśniowe) oraz najgrubszej błony zewnętrznej (zawierającej włókna klejodajne i włókan mięśni gładkich)

Naczynia włosowate mają ścianki zbudowane z  jednej warstwy komórek śródbłonka. Mają zdolność do kurczenia się, co oznacza, że mogą zmieniać światło naczyń.

3.1.3 Fizjologia pracy serca i układu krwionośnego

Na układ krążenia składają się w szczególności układ rur – naczyń oraz czterech pomp – komór i przedsionków serca. Jak już wspomniano wcześniej, głównym zadaniem układu krwionośnego jest dostarczenie tlenu i związków odżywczych do tkanek. Krew rozpoczyna swoją wędrówkę w lewej komorze i płynie przez tętnice, naczynia włosowate a następnie przez żyły i wpływa do prawego przedsionka serca. Stamtąd wpływa do prawej komory i następnie jest pompowane do małego układu krążenia. Po natlenowaniu w naczyniach włosowatych płuc powraca do lewego przedsionka i lewej komory. Ruch w naczyniach odbywa się w jedną stronę i jest to uwarunkowane przez istnienie zastawek uniemożliwiających cofanie się krwi.

Na czynność serca składają się trzy fazy: a) skurcz, b) rozkurcz i c) pauza. Podczas pauzy do przedsionków z żył napływa krew. W czasie skurczu najpierw kurczą się przedsionki, które wyrzucają krew do komór. Powoduje to również domykanie się zastawek. Cofnięcie się krwi utrudnia dodatkowo skurcz mięśni leżących dookoła żył głównych. Następnie, po skurczu przedsionków rozpoczyna się skurcz komór: najpierw mięsień sercowy z dużą siłą naciska na znajdującą się w komorze krew, zastawka dwudzielna i trójdzielna szczelnie się domykają. „Napinanie” serca trwa dopóki ciśnienie krwi w komorach będzie większe niż ciśnienie krwi w aorcie i pnia płucnego. Następuje otwarcie zastawek w tych naczyniach i wyrzut krwi z serca trwający dopóki  dopóty ciśnienie krwi w sercu będzie przewyższać te panujące w naczyniach. Po tych czynnościach następuje rozkurcz komór. Rozkurcz przedsionków następuje w czasie napinania się mięśnia sercowego, tj podczas skurczu komór. Cykl pracy serca trwa średnio ok. 0,8 s. W tym skurcz przedsionków trwa ok. 0,12s, skurcz komór oraz pauza trwa po 0,34 s. 

Trochę o krwiobiegu...

Krew jest czerwona, płynie w naszych żyłach i tętnicach. To wie każdy. Dlaczego płynie? Ponieważ pompuje je serce.

Z działaniem serca wiążą się zjawiska elektryczne, chemiczne i mechaniczne. Postaram się je pokrótce wyjaśnić. Pierwszym i najważniejszym czynnikiem wpływającym na pracę serca jest oczywiście rozrusznik. Każdy ma rozrusznik, jest nim układ bodźcowo-przewodzący, na który składa się specyficzna tkanka, która ma możliwość szybkiej i rytmicznej depolaryzacji. Chodzi o to, że w zasadzie w każdej komórce występuje różnica potencjałów pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną stroną jej błony komórkowej. Za całą sprawę odpowiadają stężenia jonów po obu stronach błony oraz pompa sodowo-potasowa (taki enzym, jak ktoś jest ciekawy i nie boi się chemii klik). W sercu występują wyspecjalizowane komórki przewodzące potencjał, jak na animacji poniżej:

źr.: wikimedia.org

Rozchodzenie się potencjału powoduje skurcz kolejnych włókien mięśniowych. Tę aktywność serca można zbadać za pomocą elektrokardiografu.

Jak widać na powyższej animacji, ścianki lewej komory serca są grubsze. Jak myślicie dlaczego? Odpowiedź jest względnie prosta, jeżeli się wie, że właśnie z tej komory krew tłoczona jest przez aortę i rozprowadzona po całym organizmie. Do brzucha, do nóg, do rąk i do głowy. Z prawej komory krew transportowana jest do płuc. Z tego powodu większe ciśnienie panuje w naczyniach wychodzących z lewej komory. Ciśnienie skurczowe wynosi aż 16 kPa, natomiast rozkurczowe wynosi około 9 kPa. Jeśli ktoś lubi bloczki (być może jakiś informatyk, a może automatyk...) proponuje przyjrzenie się poniższej ilustracji:

Ten schemat opisuje w jaki sposób regulowana jest częstotliwość skurczu serca (co za tym idzie - naczyń tętniczych). Kontrola krążenia realizowana jest za pomocą dwóch efektorów - mięśnia sercowego i mięśni gładkich w ścianach naczyń. I serce, i naczynia mają własne ośrodki. Ośrodki te działają nie tylko w sposób elektryczny. Wpływają też na nadnercza tak, by te produkowały noradrenalinę, hormon odpowiedzialny za przyspieszanie pracy serca. Na działanie skurczowe i rozkurczowe tętnic wpływa stosunkowo prosta pętla sprzężenia zwrotnego: rozciągnięte przez wzrost ciśnienia ściany tętnic podrażniają baroreceptory (takie czujniki ciśnienia) te z kolei wysyłają impuls do ośrodka zwalniającego pracę serca. Ośrodek zwalniający wysyła znów sygnał aby skurczyć naczynia.

Podsumowując - na ciśnienie krwi mają wpływ
a) stan w jakim znajdują się tętnice i wpływ tego stanu na ośrodki zwalniające i przyspieszające pracę serca,
b) stężenie NO (tlenku azotu) we krwi,
c) stężenie hormonów (przede wszystkim adrenaliny i noradrenaliny) we krwi.

To wszystko to i tak mały wyrywek, ponieważ mechanizmy o których piszę, są dużo bardziej skomplikowane. W wyniku regulacji chemiczno-nerwowej (tz. neurohormonalnej) oprócz wpływu hormonów nadnercza na ciśnienie ma wpływ również wazopresyna - hormon wydzielany z podwzgórza w wyniku dużego stresu (emocje albo np. utrata krwi). Wazopresyna powoduje kurcz mięśni gładkich i zwiększa ciśnienie krwi (co w w razie utraty krwi jest niezwykle pomocne). Istnieje również coś takiego jak autoregulacja - rozciąganie małych tętniczek powoduje, że te bardziej się kurczą. Dzięki temu ciśnienie krwi zwiększa się wraz z odległością od serca, a przepływ krwi stale utrzymuje się na stałym poziomie. Następnym czynnikiem regulującym ciśnienie krwi są angiotensyny - enzymy wytwarzane kiedy ciśnienie krwi jest zbyt niskie -  o bardzo szybkim działaniu na mięśnie gładkie, powodującymi ich skurcz i wzrost ciśnienia.

Dziękuję za uwagę i zapraszam za jakiś czas!

Posiłkowałem się przede wszystkim książką pana Władysława Z. Traczyka "Fizjologia człowieka w zarysie" wydawnictwa PZWL

Mamy dane. I co dalej?

Zakładając bloga postanowiłem sobie, że będę starał się wyjaśniać pewne zagadnienia "łopatologicznie", sprowadzając je do najbardziej pierwotnych pojęć. Takich, który każdy, nawet (zgroza!) humanista powinien zrozumieć.

Podejmując temat jakiejkolwiek analizy wypadałoby znać pewne zagadnienia, z dziedziny matematyki na przykład. Ale co tam, jeżeli ktoś jest noga z matmy to ja też postaram się wyjaśnić. Więc po co taki tekst, skoro technik się nie nauczy, a ktoś z poza 'branży' nie potrzebuje? Zdaje się, że chyba wszyscy lubią czytać popularnonaukowe czasopisma, prawda? Więc, miłej zabawy.


1. Mózg, czy komputer?

Do analizowania danych wykorzystuje się mnóstwo różnych metod. Teraz każdy ma dostęp do komputera i wobec tego faktu analiza mnóstwa ilości danych nie nastręcza wielkich trudności i mozolnego liczenia słupków. W pierwszej kolejności analizowanie danych trzeba kojarzyć ze statystyką. Cóż to wszystko nie wygląda dobrze zwłaszcza, że statystyka wiąże się z niezrozumiałymi wzorami, kobylastymi formułami, znakiem sumy* i iloczynu**. Ale nie powinniśmy tej dziedziny sprowadzać do takiej tylko do liczenia różnego rodzaju średniej (bo średnia od średniej potrafi się bardzo różnić), median i odchyleń, choć w wielu dziedzinach jest to absolutnie niezbędne. Analiza danych to również analiza obrazu, dźwięku, zjawisk przyrodniczych i wielu innych, gdzie można za pomocą pewnych narzędzi pokazać różne prawidłowości, których gołym okiem (nieuzbrojonym w aparat matematyczny) nie sposób zauważyć.

Do zauważania takich rzeczy, których nie możemy zauważyć od razu, na przykład z powodu zbyt wielkiej ilości danych, służą przeróżne algorytmy***. Ostatnio, przez ten dostęp do komputerów, karierę robią algorytmy, które pierwotnie zaprojektowano na nasz wzór i podobieństwo. Mam tu na myśli algorytmy sieci neuronowych, algorytmy genetyczne lub te korzystające z logiki rozmytej. Pojęcia te wzięto od obserwacji nas samych:

1. Sieci neuronowe - w zamierzeniu sztuczna sieć neuronowa miała pracować jak ludzki mózg, a w zasadzie jak neurony połączone synapsami. Żeby nie było - nie jest to jakaś prawdziwa struktura, jak można by pomyśleć. Neurony istnieją jako struktury matematyczne, jakiś rodzaj działania, który oblicza pewne wartości i kieruje je do innego określonego neuronu by obliczoną wartość poddać innemu działaniu. Jest to zatem rodzaj programu komputerowego rozwiązującego pewne rodzaje problemów. Aby taki algorytm zadziałał niezbędny jest etap "nauki". Polega to na pokazaniu pewnego problemu i wskazanie odpowiedniego rozwiązania. Na tej podstawie algorytm jest w stanie rozpoznać inny problem i podać dobre rozwiązanie. 
2. Algorytmy genetyczne działają na zasadzie doboru naturalnego. Tyle, że tutaj naszym ewoluującym organizmem (populacją) jest jakiś zbiór informacji. Nasz algorytm poszukuje na podstawie podanych informacji i grupy alternatywnych rozwiązań rozwiązania najlepszego.
3. Logikę być może pamiętacie ze szkoły. Ta logika zakładała, że mamy albo prawdę. albo fałsz. Logika rozmyta zakłada istnienie stanów pośrednich - czyli prawda, półprawda, nie do końca fałsz, raczej prawda. Jeśli postawimy kogoś kto ma 200 cm wzrostu przy kimś, kto ma 160 cm wzrostu, to jedna z tych osób będzie niska, a druga wysoka. Jeżeli do tej grupy dodamy kogoś kto ma 180 cm to jaki on będzie? Niski, czy wysoki? Cóż, będzie średni. Ogólnie nie wkładamy wszystkiego co możemy  porównać do dwóch przeciwstawnych znaczeniowo worków. Niemal zawsze możemy wyróżnić stany pośrednie. I takie właściwości daje rzeczom logika rozmyta.

A po co to komu, zapytacie? Wszystkie te dość nowe sposoby obliczania danych pozwalają na szybkie rozwiązywanie pewnych określonych problemów. Jeżeli jesteście graczami i lubicie gry komputerowe (RPG, strategie lub Simsy), to musicie przyznać, że jedną z najbardziej irytujących sytuacji jest taka, kiedy któraś z postaci nie potrafi znaleźć przejścia, bo się zablokuje. Gdzieś. Oznacza to, że któryś z algorytmów genetycznych zawiódł. Natomiast sztuczne sieci neuronowe wykorzystujecie kiedy wasza cyfrówka stara się rozpoznać uśmiech w kadrze. Lub kiedy Google próbuje rozpoznać jakie wypowiada się słowo do mikrofonu lub podczas tłumaczenia stron www w całości.

2. A jednak matematyka.

Nie możemy zapomnieć o tych bardziej tradycyjnych metodach. Najważniejszymi jest obecnie transformacja Fouriera. Załóżmy, że mamy pewną cechę, która zmienia się w przedziale czasu w sposób jednostajny. Może być to rytm przypływów, ciśnienie krwi. Ogólnie wszystko co zmienia się co jakiś określony czas. Przedstawię o co cho na rysunkach:

Na powyższym wykresie mamy jakiś sygnał. Na poziomej osi mamy czas (w milisekundach), na pionowej wartość sygnału. Wyraźnie widać, że wartość tego sygnału zmienia się w czasie dość regularnie, ale ma pewne odchylenia. Po zastosowaniu transformaty Fouriera otrzymujemy:

  I cóż tu widać? Na poziomej osi mamy częstotliwość, na pionowej wartości. Wyobraźcie sobie, że sygnał z pierwszego obrazka można odtworzyć za pomocą szeregu sinusoid o określonej na drugim rysunku amplitudzie i częstotliwościach.

Pytanie, gdzie tego się używa? Analizy Fouriera oraz analizy falkowej (swego rodzaju uogólnienie Fouriera) używa się przede wszystkim do analizowania sygnałów zmiennych w czasie, ale coraz większe znaczenie ma w kompresji. Mp3, JPEG. Jeżeli znacie te skróty to macie już małe pojęcie po co to wszystko.

 Jak widać, nasza podstawowa internetowa aktywność nie obejdzie się bez Fouriera, bez transformat i tego całego bagna. Na szczęście nie każdy musi wiedzieć, jak to działa. Prawda?


* **znak sumy i iloczynu: ∑ i Π
*** algorytm - ustalony sposób postępowania.

mgr

Co jakiś czas będę pisać o swojej pracy magisterskiej. Przynajmniej moje postępy będą widoczne dla mnie samego.

Moja magisterka to w zasadzie nic skomplikowanego, ot napisać parę linijek w Matlabie.
Ale może od początku. Wszystko zaczyna się tak naprawdę w gabinecie lekarskim kardiologa lub angiologa. Pacjent przychodzi z określonymi objawami. Istnieje podejrzenie nadciśnienia tętniczego. Proste badanie ciśnienia krwi potwierdza diagnozę, jednak nadciśnienie może być tylko objawem (jestem na bieżąco z serialem o dr Housie). I tutaj wkraczam ja. Pacjentowi wykonuje się pomiar ciśnienia tonometrem aplanacyjnym, który dzięki strzeżonym przed innymi algorytmem estymuje falę tętna krwi w aorcie. Jest to pomiar ciśnienia centralnego krwi. Wartość tego ciśnienia jest nieco niższa niż ta mierzona na obwodzie. Dokładna analiza tego ciśnienia pozwala na określenie źródeł nadciśnienia i wprowadzenia odpowiedniego leczenia.

Jestem już bliski końca takiej analizy. Niedługo przedstawię różne metody analizowania przebiegów czasowych.