Aspekte der Gefäßphysiologie im klinisch-operativen Alltag: Grundbegriffe der Gefäßmechanik

Zusammenfassung

Hintergrund: Um ein Gefäßproblem richtig durchdenken zu können, sind Grundbegriffe der Gefäßphysiologie erforderlich, wie sie in der Physiologie seit Langem gelehrt werden. Diese Übersichtsarbeit behandelt ausgewählte Definitionen und Gesetze der passiven Gefäßmechanik, eingeteilt in Parameter der Gefäßfüllung und Parameter der Gefäßdurchströmung.

Parameter der Gefäßfüllung: Bei Gefäßfüllung dehnt der transmurale Druck die Gefäßwand so weit, bis ihm durch die Wandspannung das Gleichgewicht gehalten wird. Das Ausmaß der Dehnung bis zum Gleichgewicht hängt von der Elastizität der Wand ab. Transmuraler Druck, Wandspannung und Elastizität werden definiert, und ihre jeweilige Bedeutung wird durch klinische Beispiele aufgezeigt, z. B. Aneurysma und Varize.

Parameter der Gefäßdurchströmung: Die Gefäßdurchströmung wird in stationär und pulsierend eingeteilt. Für den Blutkreislauf sind beide Strömungen relevant. Weil der Blutstrom im Kreislauf gerichtet ist, kann er in erster Näherung als stationär (Gleichstrom) aufgefasst werden.

Im Gleichstrommodell werden von pulsierenden Größen nur die Mittelwerte verwendet. Der große Vorteil des Gleichstrommodells ist, dass es mit einfachen Gesetzen beschrieben werden kann, die zwar nicht uneingeschränkt gelten, aber oft eine erste theoretische Annäherung an ein Gefäßproblem ermöglichen: Ohmʼsches Gesetz, Perfusionsdruck, Strömungswiderstand, Hagen-Poiseuille-Gesetz, Wandscherstress, Kontinuitätsgesetz, Bernoulli-Gleichung und Reynolds-Zahl werden beschrieben und mit klinischen Beispielen verbunden.

Das Herz ist eine Druck-Saug-Pumpe und erzeugt eine pulsierende Strömung, den Puls. Der Puls läuft mit Pulswellengeschwindigkeit, die viel größer ist als die Blutflussgeschwindigkeit, durch das arterielle Gefäßsystem. In seinem Lauf muss der Puls den Wellenwiderstand (Impedanz) überwinden. Überall dort, wo der Wellenwiderstand sich ändert, z. B. an Gefäßverzweigungen und in der Peripherie, kommt es zu Reflexionen. Einfallende (rechtläufige) und reflektierte (rückläufige) Wellen überlagern sich und ergeben den endgültigen Puls. An diesem kann man durch Messung Druck- und Strompuls unterscheiden. Beide werden getrennt beschrieben, und ihre jeweilige klinische Bedeutung wird exemplarisch beleuchtet, z. B. arterielle Gefäßsteifigkeit bzw. prä-/postokklusiver Hoch-/Niedrigwiderstandsfluss.

Abstract

Background: To be able to evaluate properly a vascular problem, basic concepts of vascular physiology need to be considered, as they have been taught in physiology for a long time. This article deals with selected definitions and laws of passive vascular mechanics, subdivided into parameters of vascular filling and parameters of vascular flow.

Parameters of vascular filling: During vascular filling the transmural pressure distends the vascular wall until it is balanced by the wall tension. The extent of this distension up to the point of balance depends on the elasticity of the wall. Transmural pressure, wall tension and elasticity are defined, and their respective importance is described by clinical examples, e.g. aneurysm and varix.

Parameters of vascular flow: The vascular flow can be divided into stationary and pulsating components. Both components are relevant for the bloodstream. Since the blood flow is directed in the circuit, it can be understood in first approximation as stationary (“direct current”).

The direct current model uses only the average values of the pulsating variables. The great advantage of the direct current model is that it can be described with simple laws, which are not valid without reservation, but often allow a first theoretical approach to a vascular problem: Ohmʼs law, driving pressure, flow resistance, Hagen-Poiseuille law, wall shear stress, law of continuity, Bernoulliʼs equation and Reynoldʼs number are described and associated with clinical examples.

The heart is a pressure-suction pump and produces a pulsating flow, the pulse. The pulse runs with pulse wave velocity, which is much larger than the blood flow velocity, through the arterial vascular system. During propagation, the pulse has to overcome the wave resistance (impedance). Wherever the wave resistance changes, e.g., at vascular bifurcations and in the periphery, it comes to reflections. The incident (forward) and reflected (backward) waves are superimposed to yield the resulting pulse wave. This pulse wave allows one to distinguish pressure and flow pulse by measurement. Both are described separately, and their respective clinical meaning is illustrated by appropriate examples, e.g., arterial stiffness and pre-/postocclusive high/low resistance flow, respectively.

Schlüsselwörter

Gefäßfüllung - Wandspannung - Elastizität - Gefäßdurchströmung - Strömungswiderstand - Wellenwiderstand

Key words

vascular filling - wall tension - elasticity - vascular flow - flow resistance - impedance

• Literatur

• 1 Deussen A. Herzstoffwechsel und Koronardurchblutung. In: Schmidt RF, Lang F, Heckmann M, Hrsg. Physiologie des Menschen mit Pathophysiologie. 31. Aufl. Heidelberg: Springer; 2010: 569
• 2 Boutellier U. Sport- und Arbeitsphysiologie. In: Schmidt RF, Lang F, Heckmann M, Hrsg. Physiologie des Menschen mit Pathophysiologie. 31. Aufl. Heidelberg: Springer; 2010: 864-865
• 3 Bogert LWJ, van Lieshout JJ. Non-invasive pulsatile arterial pressure and stroke volume changes from the human finger. Exp Physiol 2005; 90: 437-446
• 4 Wittenburg J, Pestel E. Festigkeitslehre. 3. Aufl. Berlin, Heidelberg: Springer; 2011
• 5 Ehmke H. Das Kreislaufsystem. In: Klinke R, Pape HC, Kurtz A, Silbernagl S, Hrsg. Physiologie. 6. Aufl. Stuttgart: Thieme; 2010: 173-222
• 6 Rettig R, Kuschinsky W. Kreislauf. In: Speckmann EJ, Hescheler J, Köhling R, Hrsg. Physiologie. 5. Aufl. München, Jena: Urban & Fischer; 2008: 414-447
• 7 Burton AC. Physiologie und Biophysik des Kreislaufs. Stuttgart, New York: Schattauer; 1969
• 8 Thubrikar MJ, Agali P, Robicsek F. Wall stress as a possible mechanism for the development of transverse intimal tears in aortic dissection. J Med Eng Tech 1999; 23: 127-134
• 9 Salvolini L, Renda P, Fiore D et al. Acute aortic syndromes: Role of multi-detector row CT. Eur J Radiol 2008; 65: 350-358
• 10 Ludwig M, Rieger J, Ruppert V. Gefäßmedizin in Klinik und Praxis. 2. Aufl. Stuttgart, New York: Thieme; 2010
• 11 Vande Geest JP, Di Martino ES, Bohra A et al. A biomechanics-based rupture potential index for abdominal aortic aneurysm risk assessment: Demonstrative application. Ann NY Acad Sci 2006; 1085: 11-21
• 12 Doyle BJ, Callanan A, Walsh MT et al. A finite element analysis rupture index (FEARI) as an additional tool for abdominal aortic aneurysm rupture prediction. Vasc Dis Prev 2009; 6: 114-121
• 13 Isaksen JG, Bazilevs Y, Kvamsdal T et al. Determination of wall tension in cerebral artery aneurysms by numerical simulation. Stroke 2008; 39: 3172-3178
• 14 McGloughlin TM, Doyle BJ. New approaches to abdominal aortic aneurysm rupture risk assessment: Engineering insights with clinical gain. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2010; 30: 1687-1694
• 15 McGloughlin T. Biomechanics and Mechanobiology of Aneurysms. Berlin and Heidelberg: Springer; 2011
• 16 Maier A, Gee MW, Reeps C et al. A comparison of diameter, wall stress, and rupture potential index for abdominal aortic aneurysm rupture risk prediction. Ann Biomed Eng 2010; 38: 3124-3134
• 17 Gauer OH. Mechanik des Gefäßsystems. In: Physiologie des Menschen. Band 3. München u.a.: Urban & Schwarzenberg; 1972: 164-264
• 18 Nichols WW, OʼRourke MF, Vlachopoulos C. Properties of the arterial Wall: Theory. In: McDonaldʼs Blood Flow in Arteries: theoretical, experimental and clinical Principles. 6th ed London: Hodder Arnold; 2011: 55-75
• 19 Opitz H, Pfeiffer C. Das kardiovaskuläre System. Leipzig: Thieme; 1984
• 20 Brandes R, Busse R. Kreislauf. In: Schmidt RF, Lang F, Heckmann M, Hrsg. Physiologie des Menschen mit Pathophysiologie. 31. Aufl. Heidelberg: Springer; 2010: 573-626
• 21 Wetterer E, Kenner T. Grundlagen der Dynamik des Arterienpulses. Berlin u.a.: Springer; 1968
• 22 Bramwell JC, Hill AV. The velocity of the pulse wave in man. Proc R Soc Lond 1922; 93: 298-306
• 23 Golenhofen K. Physiologie. München u.a.: Urban & Schwarzenberg; 1997: 229
• 24 Mancia G, De Backer G, Domininczak A et al. 2007 Guidelines for the management of arterial hypertension. Eur Heart J 2007; 28: 1462-1536
• 25 Baumann J, Nürnberger J, Slany J et al. Arterielle Gefäßsteifigkeit und Pulswellenanalyse: Positionspapier zu Grundlagen, Methodik, Beeinflussbarkeit und Ergebnisinterpretation. Dtsch Med Wochenschr 2010; 135: S4-S14
• 26 Safar ME, Henry O, Meaume S. Aortic pulse wave velocity: an independent marker for cardiovascular risk. Am J Geriatr Cardiol 2002; 11: 295-304
• 27 Laurent S, Cockcroft J, Van Bortel L et al. Expert consensus document on arterial stiffness: methodological issues and clinical applications. Eur Heart J 2006; 27: 2588-2605
• 28 Reneman RS, Arts T, Hoeks APG. Wall shear stress – an important determinant of endothelial cell function and structure – in the arterial system in vivo. J Vasc Res 2006; 43: 251-269
• 29 Petersson S, Dyverfeldt P, Ebbers T. Assessment of the accuracy of MRI wall shear stress estimation using numerical simulations. J Magn Reson Imaging 2012; 36: 128-138
• 30 Busse R. Kreislauf. In: Schmidt RF, Lang F, Hrsg. Physiologie des Menschen mit Pathophysiologie. 30. Aufl. Heidelberg: Springer; 2007: 622
• 31 Davies PF. Hemodynamic shear stress and the endothelium in cardiovascular pathophysiology. Nat Clin Pract Cardiovasc Med 2009; 6: 16-26
• 32 Thews G, Vaupel P. Vegetative Physiologie. 5. Aufl. Heidelberg: Springer; 2005
• 33 Slager CJ, Wentzel JJ, Gijsen FJH et al. The role of shear stress in the destabilisation of vulnerable plaques and related therapeutic implications. Nat Clin Pract Cardiovasc Med 2005; 2: 456-464
• 34 Kamiya A, Togawa T. Adaptive regulation of wall shear stress to flow change in the canine carotide artery. Am J Physiol 1980; 239: H14-H21
• 35 Doriot PA, Dorsaz PA, Dorsaz L et al. In-vivo measurements of wall shear stress in human coronary arteries. Coron Artery Dis 2000; 11: 495-502
• 36 Pohl U, Holtz J, Busse R et al. Crucial role of endothelium in the vasodilator response to increased flow in vivo. Hypertension 1986; 8: 37-44
• 37 Griffith TM. Endothelial control of vascular tone by nitric oxide and gap junctions: a haemodynamic perspective. Biorheology 2002; 39: 307-318
• 38 Langille BL, OʼDonnel F. Reductions in arterial diameter produced by chronic decreases in blood flow are endothelium-dependent. Science 1986; 231: 405-407
• 39 Zhang H, Sunnarborg SW, McNaughton KK et al. Heparin-binding epidermal growth factor−like growth factor signaling in flow-induced arterial remodeling. Circ Res 2008; 102: 1275-1285
• 40 Malek AM, Alpert SL, Izumo S. Hemodynamic shear stress and its role in atherosclerosis. JAMA 1999; 282: 2035-2040
• 41 Zhang C, Xie S, Li S et al. Flow patterns and wall shear stress distribution in human internal carotid arteries: The geometric effect on the risk for stenoses. J Biomech 2012; 45: 83-89
• 42 Schäberle W. Ultraschall in der Gefäßdiagnostik. 3. Aufl. Berlin, Heidelberg: Springer; 2010
• 43 Berguer R, Hwang NHC. Critical arterial stenosis: a theoretical and experimental solution. Ann Surg 1974; 180: 39-50
• 44 Fercher AF. Medizinische Physik. Wien, New York: Springer; 1992: 211
• 45 Nichols WW, OʼRourke MF, Vlachopoulos C. Wave Reflections. In: McDonaldʼs Blood Flow in Arteries: theoretical, experimental and clinical Principles. 6th ed London: Hodder Arnold; 2011: 196-223
• 46 Mitchell GF, Parise H, Benjamin EJ et al. Changes in arterial stiffness and wave reflection with advancing age in healthy men and women: The Framingham heart study. Hypertension 2004; 43: 1239-1245
• 47 Strauss AL. Farbduplexsonographie der Arterien und Venen. Berlin u.a.: Springer; 1995
• 48 Nichols WW, OʼRourke MF, Vlachopoulos C. Contours of Pressure and Flow Waves in Arteries. In: McDonaldʼs Blood Flow in Arteries: theoretical, experimental and clinical Principles. 6th ed London: Hodder Arnold; 2011: 225-253