thumb|Bloedsomloop
Hemodynamica of hemodynamiek, de 'bloedbewegingsleer', is de studie van de mechanische eigenschappen van de bloedstroom in het hart en vaatstelsel. Met mechanische eigenschappen worden in cijfers uitgedrukte parameters bedoeld als drukverschillen, impedantie, totale perifere vaatweerstand, traagheid en compliantie.
Hemoreologie, de bloedstroomleer', is de studie van de fysische eigenschappen van de bloedstroom in het hart en vaatstelsel en als zodanig, samen met de hemodynamica, onderdeel van de biofysica. Bij fysische eigenschappen gaat het om eveneens gekwantificeerde parameters als viscositeit, bloeddichtheid, elasticiteitsmodulus en vervormbaarheid en aggregatie van rode bloedcellen.
Bij de studie van de bloedsomloop worden de mechanische en fysische eigenschappen zelden volledig afzonderlijk bekeken. Strikt genomen zijn het geen synoniemen, maar ze kunnen in de praktijk ook niet los van elkaar worden gezien.
Studie van de bloedstroom Voor organismen boven een bepaalde omvang, is alleen diffusie niet langer toereikend voor een efficiënte stofwisseling. Deze organismen beschikken over een hart en vaatstelsel om via het bloed benodigde stoffen aan te voeren en afvalstoffen af te voeren. Dit geldt eveneens voor het aan- en afvoeren van warmte. De snelheid van de stofwisseling is bepalend voor de snelheid van de bloedstroom. Weefsels kunnen de bloedvoorziening lokaal of in zijn algemeenheid beïnvloeden. Dit proces wordt autoregulatie genoemd. De weefsels kunnen met lokale autoregulatie de doorbloeding nauwkeurig bijstellen door de bloedvaten nauwer of wijder te maken. Dat gaat naargelang dat nodig is, vasoconstrictie is het vernauwen en vasodilatatie verwijden van de bloedvaten. Bij algemene autoregulatie wordt de gehele bloedsomloop beïnvloed. Bijvoorbeeld door verhoogde afgifte van adrenaline door de bijnier wordt de bloedsomloop versneld omdat het hart sneller en krachtiger gaat pompen en de vaten gemiddeld vernauwen. Stenose is de medische naam voor vernauwen.
Hart thumb|
Het hart vervult de grootste pompfunctie van de bloedsomloop. Bij iedere volledige doorstroming van het lichaam passeert het bloed tweemaal het hart. In feite bestaat het hart uit twee pompen die hetzelfde debiet leveren, maar met een verschillende druk. Beide kanten bestaan uit een ventrikel en een atrium. Het rechterdeel van het hart pompt het bloed naar de longen. Dat is de kleine bloedsomloop. Het linkerdeel pompt het bloed behalve naar de longen door het hele lichaam, dat is de grote bloedsomloop. Doordat het hart zich steeds samentrekt krijgt de bloedstroom een pulserend of oscillerend karakter. Dit wordt in de slagaderen in een gestage bloedstroom omgezet, waardoor bij de haarvaten een efficiënte uitwisseling van stoffen met het omliggende weefsel plaats kan vinden.
Bloedvaten thumb|Verhoudingen tussen bloedvaten thumb|Systemisch bloeddrukverloop
De verschillende soorten bloedvaten vervullen ook verschillende functies binnen het lichaam. De grote slagaders zorgen voor de geleiding van het bloed. Ze zetten daarbij het pulserende karakter van de bloedstroom, als gevolg van het samentrekken van het hart, in een gestage bloedstroom om. Dat gaat op een manier dat daarbij zo min mogelijk druk wordt verloren. Het worden daarom de geleidingsvaten genoemd. Ze hebben een grote dwarsdoorsnede en een elastische vaatwand. Het opvangen en uitspreiden van de druk en flow wordt het windketeleffect genoemd. De arteriolen, de kleine slagaders zijn gespierd en vervullen een regulerende weerstandsfunctie. Door vasoconstrictie en vasodilatatie kunnen ze de bloedvoorziening naar de betreffende weefsels naar behoefte instellen. Zij worden daarom de weerstandsvaten genoemd. De haarvaten of capillairen hebben een dunne vaatwand en een kleine diameter, zodat diffusie kan plaatsvinden. De haarvaten en de venulen worden samen de uitwisselingsvaten genoemd. De druk is inmiddels laag geworden door onder andere de grote weerstand van de arteriolen. De aders, de venulen en de venen, hebben een grotere diameter dan de slagaders, waardoor ze het bloed onder lage druk terug naar het hart kunnen voeren. Bovendien kan er door deze grotere diameter en het grotere volume relatief veel bloed in het veneuze stelsel worden opgeslagen. Daar komt de naam capaciteitsvaten voor de venen vandaan.
Bloed thumb|Gecentrifugeerd bloed
Het bloed bestaat uit plasma en bloedcellen. De effecten van de bestanddelen van het bloed op de bloedstroom worden in de hemoreologie bestudeerd. Het hematocriet, de vervormbaarheid van de bloedcellen en de aggregatie van rode bloedcellen hebben bijvoorbeeld een groot effect op de viscositeit van het bloed. De viscositeit heeft weer een groot effect op de manier waarop bloed stroomt.
Factoren die de bloedstroom beïnvloeden Bij de analyse van de bloedstroom is er een groot verschil tussen de gestage flow, Engels: steady flow, en de pulserende flow, Engels: oscillatory flow. Over het algemeen wordt in de hemoreologie vooral de steady flow en in de hemodynamica vooral de oscillatory flow bestudeerd. Womersley's oscillerende flow theorie maakt hierop een uitzondering.
Hemoreologische factoren De bloedstroom wordt beïnvloed door een groot aantal fysische factoren. In grote lijnen wordt de hemoreologie beschreven door de wet van Hagen-Poiseuille die overeenkomstig de wet van Ohm kan worden geschreven als:
Daarbij is de stroomsterkte of flow van het bloed, de drukval over het gemeten traject en de weerstand van het bloedvat. In feite is dit een vereenvoudigde afleiding van de uit de numerieke stromingsleer bekende Navier-Stokesvergelijkingen. Lokale autoregulatie van de druk en de flow gebeurt door het aanpassen van de weerstand.
Factoren waar de weerstand in hoofdzaak van afhangt zijn de interne diameter en lengte van het bloedvat en de viscositeit van het bloed.
De wet van Hagen-Poiseuille wordt daarom vaak geschreven als:
thumb|Laminair flow-profiel
Daarbij worden de volgende aannames gedaan: Het bloedvat is stijf, recht en uniform. De viscositeit van het bloed is constant. De flow is laminair en gestaag, dus niet pulsatiel. De flow slipt niet ter hoogte van de wand.
Aan deze voorwaarden wordt in vivo nooit voldaan, dus kan deze formule niet direct worden toegepast om de precieze waarden te bepalen. Wel kan het een idee geven hoeveel de andere variabelen veranderen als men er een aanpast. Voor de hele bloedsomloop is een variant van de eerste formule wel van toepassing. Het hartminuutvolume (Cardiac Output, CO) is gelijk aan de gemiddelde druk in de slagaders (Mean Arterial Pressure, MAP) gedeeld door de totale perifere vaatweerstand (Total Peripheral Resistance, TPR). Eigenlijk hoort de druk in het rechteratrium van de MAP te worden afgetrokken, maar omdat deze relatief klein is, wordt de term meestal weggelaten.
De stroomsnelheid van het bloed moet onderscheiden worden van stroomsterkte. De flow en het hartminuutvolume zijn maten van stroomsterkte en worden uitgedrukt in eenheden van volume per eenheden van tijd. De stroomsterkte gedeeld door de oppervlakte van de dwarsdoorsnede van een bloedvat geeft de gemiddelde stroomsnelheid en wordt uitgedrukt in eenheden van lengte per eenheden van tijd.
De stroomsnelheid in een bloedvat is niet gelijkmatig verdeeld en het profiel hangt vooral van de vaatdiameter af en de mate van turbulentie. Voor turbulentiestudies wordt vaak het reynoldsgetal gebruikt.
Grofweg kan men turbulente flow verwachten als de waarde van boven de 2200 komt. Stroomsnelheden en turbulente flow vinden onder andere hun belang bij studies naar afwijkingen van de hartklep en vaatvernauwingen. De viscositeit van het bloed en de visco-elasticiteit van het bloed en de vaatwand, worden onder andere bestudeerd bij bloedafwijkingen.
De wet van Bernoulli speelt een belangrijke rol in de vloeistofdynamica en daarmee in de hemodynamica.
Hemodynamische factoren 225x315px|rechts|Elektrisch schakelschema voor R, L en C in een vier elementen windkessel-model
In het slagaderlijke vaatstelsel is de bloedstroom zelden gestaag. Het verschil tussen een gestage en een pulserende bloedstroom kan worden vergeleken met het verschil tussen gelijkstroom en wisselstroom uit de elektriciteitsleer. Vanwege de lengte van de slagaders in het vaatstelsel vertoont het veel gelijkenissen met een transmissielijn.
Omdat de vaten een bepaalde compliantie hebben en het bloed een bepaalde traagheid heeft kan bij een oscillerende bloedstroom de flow niet langer bepaald wordt door druk gedeeld door weerstand. Bij een oscillerende bloedstroom kunnen alleen deelsignalen van druk en flow uit dezelfde harmonische met elkaar in direct verband gebracht worden. Daarvoor moet eerst een fourieranalyse van de signalen worden uitgevoerd. Het verband tussen druk en flow, een frequentieafhankelijke mechanische weerstand, is de impedantie.
Om de impedantie van het vaatstelsel te berekenen zoals die vanuit het hart wordt gezien is het zinvol om het met een elektrisch netwerk te vergelijken. De traagheid van het bloed, te vergelijken met de zelfinductie van een elektrische spoel , de compliantie van de vaten te vergelijken met een elektrische capaciteit van een condensator , de weerstand van de vaten, te vergelijken met een weerstand en de hartslagfrequentie , met , zijn dan de gebruikte componenten waarmee een elektrisch vervangschema kan worden opgesteld.
Voor kan in de literatuur de waarde 1,5 en 2 worden teruggevonden.
200x380px|Complexe impedantie
staat daarbij voor de incrementele elasticiteitsmodulus van de vaatwand. De elasticiteitsmodulus krijgt de toevoeging incrementeel, omdat het verband tussen spanning of stress, en rek, strain, , in biologische weefsels niet lineair is.
Voor de bepaling van de complexe impedantie wordt gebruikgemaakt van complexe getallen. De reactantie is het imaginaire deel van de complexe impedantie die staat voor de mate van tegenstand van het systeem aangaande veranderingen van flow of druk. De reactantie en de complexe impedantie worden gegeven door:
Voor de weerstand is en . Voor de traagheid is en Voor de compliantie is en Dit is de transversale impedantie .
De impedanties van de weerstand en de traagheid samen vormen de longitudinale impedantie (ZL).
De transversale impedantie wordt gegeven door de impedantie van de compliantie.
De karakteristieke impedantie is de impedantie van het systeem in een reflectieloze toestand. Deze wordt in het frequentiedomein benaderd door de druk en flow uit de hogere harmonischen van vier Hz en hoger te delen of in het tijddomein door de helling van de upstroke van de drukgolf te delen door de helling van de upstroke van de flow-golf. In het vroege begin van de polsgolf is er namelijk nog geen significante reflectie aanwezig. De kan ook voor grote vaten zoals de aorta, waar de weerstand laag is, worden uitgerekend met behulp van de en de per lengte eenheid. Dat zijn en . Dit kan worden herschreven naar een formule met andere grootheden die gemakkelijker kunnen worden bepaald. Daarbij staat voor de oppervlaktecompliantie.
De ingangsimpedantie beschrijft het te meten systeem volledig. Deze kan goed benaderd worden met het vier elementen windketelmodel, bestaande uit een weerstand, een compliantie, een karakteristieke impedantie en een traagheid. In het frequentiedomein is bij 0 Hz de ingangsimpedantie gelijk aan de weerstand. Bij hogere harmonischen (4 Hz en hoger) is de ingangsimpedantie ongeveer gelijk aan de karakteristieke impedantie. In geleidingsvaten is de karakteristieke impedantie een reëel getal en kan dan benaderd worden met behulp van de polsgolfsnelheid (PWV).
Arteriële windketelmodel