lavoro cardiaco - Università degli studi di Pavia

UNIVERSITÀ
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA
dip. Fisica nucleare e teorica
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1
elio giroletti
MECCANICA DEI FLUIDI
lavoro cardiaco
FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE,
RADIOPROTEZIONE,
elio giroletti, 2005
Classe Lauree
di INFERMIERISTICA e OSTETRICIA
corso integrato
FISICA, STATISTICA e INFORMATICA
disciplina: FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONE
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nulceare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Lavoro cardiaco
MECCANICA DEI FLUIDI
lavoro cardiaco
FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE,
RADIOPROTEZIONE,
elio giroletti, 2005
- Potenza e rendimento
- La pompa cardiaca
- Lavoro cardiaco
- Lo sfigmomanometro
lucidi di D.Scannicchio,
D.Scannicchio, rivisti da E.Giroletti
2
AAVV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997
Sistema
circolatorio
• Volume del sangue: 6 l
• portata: 5 l/min
• 1 battito /s
• velocità
velocità media: 22-3 cm/s
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
AAVV, Enciclopedia del corpo umano, cd-rom, 1997
LA POMPA CARDIACA
FILMFILM-1
FILMFILM-2
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nulceare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Lavoro cardiaco
LA POMPA CARDIACA
è una doppia pompa sincrona
valvole semilunari
chiuse
DIASTOLE
aorta
valvola
bicuspide
o mitrale
chiusa
fase IIIa e IVa
riempimento
dei ventricoli
SISTOLE
AD
valvola
tricuspide
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
valvola aortica aperta
AS
chiusa
VD
VS
fase Ia e IIa
eiezione dai
ventricoli
POTENZA MECCANICA
POTENZA
W= L
∆t
→ →
3
→
→ →
→
= F ∆ℓ = F ∆ℓ = F v
∆t
∆t
[W] = [M][L]2[t]–2[t]–1 = [M][L]2[t]–3
watt (W) = joule s–1
S.I.
erg s–1
C.G.S.
kgmetro s–1, hp
sistemi pratici
1 hp = 75 kgm s–1 = 735 watt
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
RENDIMENTO η
macchina T, U, Q
attriti
Lmeccanico
perdita di energia
η≤1
L
η (%) = E 100
totale
L = lavoro meccanico utile prodotto dalla macchina
Etotale = energia totale impiegata
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nulceare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Lavoro cardiaco
LA POMPA CARDIACA
CUORE
muscolo
energia potenziale biochimica
η =10-15% < 100%
lavoro meccanico + calore
processi biochimici all'origine della contrazione
muscolare e quindi della produzione di energia
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
LA POMPA CARDIACA
CUORE
MUSCOLO
4
contrazione isotonica
- contro una forza esterna
- viene compiuto lavoro
contrazione isometrica
- tensione contro forza esterna
- lunghezza muscolo invariata
- non si compie lavoro
- dispendio energia
calore
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
DATI CARDIACI
(a riposo)
gettata pulsatoria V V ≈ 60 cm3
frequenza cardiaca ν ν ≈ 70 contrazioni min–1
–1
T ≈ 60 s min
70 min–1 = 0,86 s
periodo cardiaco T =ν1
volume totale di sangue Vtotale ≈ 6 litri =6000 cm3
3
n = 6000 cm
≈ 100 pulsazioni per pompare tutto il
60 cm3 sangue attraverso il sistema circolatorio
vmedia = ℓ ≈ 2 metri ≈ 2,3 cm s–1
n T 100 0,86 s
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nulceare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Lavoro cardiaco
p
sistole
diastole
sistole
diastole
I II III
IV
I II III
IV
apertura
chiusura
valvola
valvola
aortica
aortica
(mmHg)
120
IL CICLO
CARDIACO
V
80
apertura
valvola
mitralica
40
chiusura
valvola
mitralica
paorta
pVS
pAS tempo
0
secondi
(cm3)
60
40
20
0
VVS
tempo
∆V(mV)
ECG
0.06 T
0.29
P
U
R
R
0.06 Q
0.48
S
T
U
P
Q
FCG
0
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
S
p
(mmHg)
120
IL CICLO
CARDIACO
80
40
5
sistole
diastole
sistole
diastole
I II III
IV
I II III
IV
apertura
chiusura
valvola
valvola
aortica
aortica
apertura
valvola
mitralica
chiusura
valvola
mitralica
paorta
pVS
pAS tempo
0
secondi
• I fase: contrazione isometrica, no lavoro esterno
• II fase: contrazione isotonica, varia volume, L=p ∆V
• III fase: rilassamento isometrico, no lavoro
• IV fase: contrazione atrio, lavoro compiuto da atrio,
L=p∆V, ma p atrio molto bassa > L=0
Ia L = 0
IIa L ≈ pv(V2–V1 )
a L≈p
a
IV
III L = 0
atriale(V2–V1 )
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
♥
♥
♥
Ltotale ≈ LS + LD = 1 joule
♥
=
Wtotale
Ltotale 1 joule
≈
≈ 1.2 watt
0.86 s
T
Wpicco ≈ 2.4 watt (IIa fase del ciclo)
rendimento muscolo cardiaco η = 10%÷15%
assumiamo per semplicità η ≈ 10%
≈1 secondo
L = 1 joule
{Q= 9 joule
Etotale ≈ 10 joule
perduto
processi biochimici
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Lavoro cardiaco
(valori medi)
h, cm
posizione eretta
– 60
p = psangue + d g h
h(cuore) = 0
0
ritorno venoso
circolazione cerebrale
+60
posizione orizzontale
p = psangue
40
50
60
70
80
90
00 100
10 110
20 120
30 130
40 140
50 150
–
+
60 160
70 170
80 180
+120
EFFETTI FISIOLOGICI della
PRESSIONE
MECCANICA
DEI FLUIDI – Lavoro IDROSTATICA
cardiaco
p, mmHg
pv pa
pressione venosa pressione
arteriosa
EFFETTI FISIOLOGICI della
PRESSIONE IDROSTATICA
6
VENE VARICOSE
• pressione idrostatica aumenta pressione
negli arti inferiori
• pareti vasi venosi sono sottili e poco elastiche
• pressione idrostatica dilata le vene
• reflusso contrastato da valvole a nido
di rondine e muscoli della gamba
• vene si irrigidiscono con età
età - vene varicose
SANGUE AL CERVELLO
• accelerazioni elevate (es. piloti) o da supino a
eretto ⇒ può mancare sangue alla testa
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
MISURA PRESSIONE del SANGUE
p1
h1
pesterna
pressione intramurale
pinterna
pressione relativa
pinterna– pesterna
MANOMETRO a LIQUIDI
p2
h2
∆h
p1 – p2 = d g ∆h
misura della pressione p1 relativa
alla pressione p2
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nulceare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Lavoro cardiaco
SFIGMOMANOMETRO
(misura non invasiva della pressione)
pressione sistolica (MAX)
ps
pressione diastolica (MIN)
pd
effetti idrostatici: quota riferimento
stetoscopio
1
cuore
valvola
pompa
fascia elastica
parteria ≈ p aorta
manometro
misura della pressione del vaso di maggior calibro
nel braccio -arteria
arteria brachialebrachiale(poca dissipazione di energia nelle arterie grandi)
grandi
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
(mmHg)
ps
pd
120
7
SFIGMOMANOMETRO
p
p1
p2
ps
p3
80
40
o
A B
pd
p4
tempo
1
2
34
5 (s)
fuoriuscita graduale dell'aria dalla fascia elastica
vaso chiuso (assenza di rumore)
1 pfascia > ps
2 pfascia < psist rumore periodico di apertura e
3
chiusura del vaso (punti A e B)
p
<
p
4
fascia
diast lume dell'arteria sempre aperto,
regime laminare (silenzio)
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
SFIGMOMANOMETRO
OSSERVAZIONI
• misura non invasiva
• precisione: alcuni mm Hg
• non troppo lento:
• si ferma il sangue, sistema reagisce mandando
sempre più
più sangue, aumenta la pressione
• non troppo veloce: non preciso
• misura invasiva (entro il vaso):
• pressione arterie: si usa Hg
• pressione vene: si usa soluzione salina (perché
(perché?)
MECCANICA DEI FLUIDI – Lavoro cardiaco
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nulceare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Lavoro cardiaco
MECCANICA DEI FLUIDI
lavoro cardiaco
FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE,
RADIOPROTEZIONE,
elio giroletti, 2005
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