Hämodynamik (oder Hämodynamik im britischen Englisch), was wörtlich „Blutbewegung“ bedeutet, ist die Lehre vom Blutfluss oder dem Kreislauf. Alle tierischen Zellen benötigen Sauerstoff (O2) für die Umwandlung von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen in Kohlendioxid (CO2), Wasser und Energie in einem Prozess, der als aerobe Atmung bekannt ist.

Blut

Blut ist eine komplexe Flüssigkeit und wird als so wertvoll angesehen, dass es manchmal als „rotes Gold“ bezeichnet wird, weil die darin enthaltenen Zellen und Proteine für mehr als den Preis des gleichen Gewichts in Gold verkauft werden können. Ein durchschnittlicher Erwachsener hat mehr als 5 Liter Blut in seinem Körper, das Sauerstoff und Nährstoffe zu den lebenden Zellen transportiert und deren Abfallprodukte abtransportiert. Es liefert auch Immunzellen zur Bekämpfung von Infektionen und enthält Blutplättchen, die in einem beschädigten Blutgefäß einen Pfropfen bilden können, um einen Blutverlust zu verhindern. Durch das Kreislaufsystem passt sich das Blut an die Bedürfnisse des Körpers an. Bei sportlicher Betätigung pumpt das Herz härter und schneller, um die Muskeln mit mehr Blut und damit Sauerstoff zu versorgen. Bei einer Infektion bringt das Blut mehr Immunzellen an den Ort der Infektion, wo sie sich ansammeln, um schädliche Eindringlinge abzuwehren.

Blut besteht zu 55 % aus Plasma und zu 45 % aus gebildeten Elementen. Der Buffy Coat enthält Leukozyten in einer konzentrierten Suspension, die aus Vollblut oder Knochenmark stammen. Die Herstellung eines Buffy-Coats aus Vollblutproben hilft, große Probenmengen zu konzentrieren und den Aufwand für die nachgeschaltete Zellseparation zu verringern. Das Plasma enthält 91,5 % Wasser, 7 % Proteine und 1,5 % andere gelöste Stoffe. Die gebildeten Elemente sind weniger als 1 % Thrombozyten, weniger als 1 % Leukozyten (weiße Blutkörperchen) und mehr als 99 % Erythrozyten“ (rote Blutkörperchen), die beim Menschen typischerweise eine bikonkave Scheibe ohne Zellkern sind. Erythrozyten enthalten den Farbstoff Hämoglobin, der dem Blut die rote Farbe verleiht, und transportieren Sauerstoff und Kohlendioxid zu und aus den Geweben. Normales Blutplasma verhält sich bei physiologischen Schergeschwindigkeiten wie eine Newtonsche Flüssigkeit. Die Viskosität des normalen Plasmas variiert mit der Temperatur in der gleichen Weise wie die seines Lösungsmittels Wasser; ein Temperaturanstieg von 5 °C im physiologischen Bereich verringert die Plasmaviskosität um etwa 10 %. Der osmotische Druck der Lösung wird durch die Anzahl der vorhandenen Teilchen und die Temperatur bestimmt. Der osmotische Druck des Plasmas beeinflusst die Mechanik des Kreislaufs auf verschiedene Weise. Eine Veränderung des osmotischen Druckunterschieds an der Membran einer Blutzelle führt zu einer Verschiebung von Wasser und einer Veränderung des Zellvolumens. Die Veränderungen in Form und Flexibilität wirken sich auf die mechanischen Eigenschaften des Vollbluts aus. Eine Änderung des osmotischen Drucks im Plasma verändert den Hämatokrit, d. h. die Volumenkonzentration der roten Blutkörperchen im Vollblut, indem Wasser zwischen dem intravaskulären und dem extravaskulären Raum umverteilt wird. Dies wirkt sich wiederum auf die Mechanik des Vollbluts aus. Das rote Blutkörperchen ist hochflexibel und hat eine bikonkave Form.

Das Kreislaufsystem

Das Kreislaufsystem hat die Aufgabe, das Blut zu transportieren, um die Zellen des Körpers mit Sauerstoff, Nährstoffen und Chemikalien zu versorgen, um ihre Gesundheit und ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten, und um die zellulären Abfallprodukte zu entfernen. Das Kreislaufsystem besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Röhren, zu denen das Herz, die Arterien, die Mikrozirkulation und die Venen gehören.

Das Herz ist die treibende Kraft des Kreislaufsystems und erzeugt durch rhythmisches Zusammenziehen und Entspannen das Herzzeitvolumen (CO). Dies führt zu Veränderungen des regionalen Drucks und sorgt in Verbindung mit einem komplexen Klappensystem im Herzen und in den Venen dafür, dass sich das Blut im Kreislaufsystem in eine Richtung bewegt. Das „Schlagen“ des Herzens erzeugt einen pulsierenden Blutfluss, der in die Arterien, über die Mikrozirkulation und schließlich über das venöse System zurück zum Herzen geleitet wird. Die Aorta, die Hauptarterie, verlässt das linke Herz und teilt sich in immer kleinere Arterien, bis sie zu Arteriolen und schließlich zu Kapillaren werden, in denen der Sauerstofftransport stattfindet. Die Kapillaren verbinden sich mit Venolen, in die das sauerstoffarme Blut aus den Zellen zurück ins Blut fließt, und das Blut fließt dann durch das Venennetz zurück zum rechten Herzen. Die Mikrozirkulation – Arteriolen, Kapillaren und Venolen – macht den größten Teil der Fläche des Gefäßsystems aus und ist der Ort, an dem O2, Glukose und Enzymsubstrate in die Zellen übertragen werden. Das venöse System führt das sauerstoffarme Blut zum rechten Herzen zurück, wo es in die Lunge gepumpt wird, wo es mit Sauerstoff angereichert wird und CO2 und andere gasförmige Abfallstoffe ausgetauscht und beim Atmen ausgestoßen werden. Anschließend kehrt das Blut zur linken Seite des Herzens zurück, wo der Prozess erneut beginnt. Es liegt auf der Hand, dass Herz, Gefäße und Lunge alle aktiv an der Erhaltung gesunder Zellen und Organe beteiligt sind und die Hämodynamik beeinflussen.

Hämodynamik kann als die physikalischen Faktoren definiert werden, die den Blutfluss steuern. Es handelt sich um dieselben physikalischen Faktoren, die den Fluss jeder Flüssigkeit bestimmen, und sie basieren auf einem grundlegenden physikalischen Gesetz, dem Ohmschen Gesetz, das besagt, dass Strom (I) gleich der Spannungsdifferenz (ΔV) geteilt durch den Widerstand (R) ist. Bezieht man das Ohm’sche Gesetz auf den Flüssigkeitsstrom, so ist die Spannungsdifferenz die Druckdifferenz (ΔP; manchmal auch Antriebsdruck, Perfusionsdruck oder Druckgradient genannt), der Widerstand ist der Strömungswiderstand (R), der durch das Blutgefäß und seine Wechselwirkungen mit dem fließenden Blut entsteht, und der Strom ist der Blutfluss (F). Diese hämodynamische Beziehung lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Für den Blutfluss in einem Blutgefäß ist ΔP die Druckdifferenz zwischen zwei beliebigen Punkten entlang einer bestimmten Länge des Gefäßes. Bei der Beschreibung des Blutflusses für ein Organ wird die Druckdifferenz im Allgemeinen als Differenz zwischen dem arteriellen Druck (PA) und dem venösen Druck (PV) ausgedrückt. Beispielsweise wird der Blutfluss für die Niere durch den Druck in der Nierenarterie, den Druck in der Nierenvene und den renalen Gefäßwiderstand bestimmt.

Der Blutfluss durch eine Herzklappe folgt der gleichen Beziehung wie bei einem Blutgefäß; die Druckdifferenz ist jedoch die Differenz der beiden Drücke auf beiden Seiten der Klappe. Beispielsweise ist die Druckdifferenz über der Aortenklappe, die den Fluss über diese Klappe während der ventrikulären Ausstoßung antreibt, der intraventrikuläre Druck (PIV) minus dem Aortendruck (PAo). Der Widerstand (R) ist der Strömungswiderstand, der zum großen Teil von der Größe der Klappenöffnung abhängt. Daher lautet die Beziehung, die den Fluss durch die Aortenklappe beschreibt:

Unter idealen laminaren Flussbedingungen, bei denen der Gefäßwiderstand unabhängig von Fluss und Druck ist, kann die Beziehung zwischen Druck, Fluss und Widerstand wie in der Abbildung rechts dargestellt werden. Da Fluss und Widerstand in einem reziproken Verhältnis zueinander stehen, führt eine Erhöhung des Widerstands zu einer Verringerung des Flusses bei einem gegebenen ΔP. Außerdem erhöht ein Anstieg des Widerstands bei einem gegebenen Fluss entlang eines Blutgefäßes oder einer Herzklappe den ΔP.

Änderungen des Widerstands sind das wichtigste Mittel, mit dem der Blutfluss in den Organen reguliert wird, da die Kontrollmechanismen im Körper im Allgemeinen den arteriellen und venösen Blutdruck innerhalb eines engen Bereichs halten. Änderungen des Perfusionsdrucks wirken sich jedoch auf den Fluss aus.

Die obige Beziehung zeigt auch, dass es eine lineare und proportionale Beziehung zwischen Fluss und Perfusionsdruck gibt. Diese lineare Beziehung wird jedoch nicht eingehalten, wenn pathologische Bedingungen zu einem turbulenten Fluss führen, da Turbulenzen den Fluss bei einem bestimmten Perfusionsdruck verringern. Außerdem verändert die pulsierende Natur des Flusses in großen Arterien diese Beziehung, so dass für einen bestimmten Fluss höhere Drücke erforderlich sind. Mit anderen Worten, die Pulsatilität erhöht ebenso wie die Turbulenz den Strömungswiderstand.
Quellen:
http://www.cvphysiology.com/Hemodynamics/H001.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Hemodynamics
http://www.hemodynamicsociety.org/hemodyn.html
https://teach.lanecc.edu/naylore/225Lectures/02B/L2B.html
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK2263/
https://basicmedicalkey.com/blood/
https://www.stemcell.com/how-to-prepare-a-buffy-coat.html

Bearbeitet von John Sandham