Blutvolumenstrom (Q)
Der Blutvolumenstrom ($Q$) ist ein hydrodynamischer Parameter, der die Flüssigkeitsmenge (das Volumen) charakterisiert, die pro Zeiteinheit durch den Gefäßquerschnitt fließt. Meistens wird dieser Parameter in Millilitern pro Minute (ml/min) gemessen.
Zur Berechnung des Volumenstroms wird die Poiseuille-Gleichung (1854) verwendet. Ihr zufolge wird die Geschwindigkeit durch das Verhältnis der Druckdifferenz zum Gefäßwiderstand bestimmt:
$Q = (P_1 - P_2) / R$
Wobei:
- $Q$ — Volumenstrom des Blutes (ml/min).
- $P_1 - P_2$ — Druckdifferenz am Anfang und Ende des Gefäßbetts (mmHg).
- $R$ — hydrodynamischer Widerstand (dyn • s/cm).
Es ist wichtig zu beachten, dass die Blutströmungsgeschwindigkeit direkt vom Gefäß lumen abhängt und in verschiedenen Abschnitten erheblich variiert. Gemäß der Kontinuitätsgleichung der Strömung bleibt der Volumenstrom in allen Blutgefäßen desselben Kalibers jedoch konstant.
Verteilung des Volumenstroms in den Organen
Die Intensität der Organdurchblutung ist ungleichmäßig und hängt von deren funktioneller Aktivität ab. Nachfolgend sind die Normalwerte des Blutvolumenstroms für verschiedene Organe dargestellt (ml/min):
| Organ | Blutströmungsgeschwindigkeit (ml/min) |
|---|---|
| Schilddrüse | 560 (höchste Intensität) |
| Nieren | 420 |
| Leber | 150 |
| Herz (Koronargefäße) | 85 |
| Milz | 70 |
| Gehirn | 65 |
| Darm | 50 |
| Magen | 35 |
| Extremitätenmuskulatur (in Ruhe) | 2–3 |
Lineare Blutströmungsgeschwindigkeit (V) and Kontinuitätsgleichung
Die lineare Blutströmungsgeschwindigkeit ($V$) ist die Strecke, die ein konkretes Blutpartikel pro Zeiteinheit zurücklegt. Sie wird nach folgender Formel berechnet:
$V = Q / (\pi r^2)$
Wobei $Q$ der Volumenstrom und $\pi r^2$ die Querschnittsfläche eines bestimmten Gefäßes ist.
Ein fundamentales Prinzip der Hämodynamik ist die Kontinuitätsgleichung. Sie besagt: Wenn eine Flüssigkeit mit konstantem Volumenstrom durch ein System von Röhren unterschiedlichen Durchmessers fließt, ist die lineare Bewegungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit umgekehrt proportional zur Gesamtquerschnittsfläche dieser Röhren ($S$).
$S_1 V_1 = S_2 V_2$
Schlüsselregeln für das Gefässbett:
- Der Volumenstrom ändert sich entlang des Gefäßbetts nicht.
- Die lineare Geschwindigkeit hängt ausschließlich von der gesamten Querschnittsfläche aller Gefäße desselben Kalibers ab.
- Je größer die Gesamtquerschnittsfläche, desto geringer ist die lineare Geschwindigkeit.
Dynamik der linearen Geschwindigkeit nach Gefäßabschnitten
In der Grafik der Geschwindigkeitsabhängigkeit vom Gesamtquerschnitt zeigt sich ein klarer umgekehrter Zusammenhang:
- Aorta und Arterien: Hier ist die Gesamtquerschnittsfläche minimal, weshalb die lineare Geschwindigkeit maximal ist. Während des Blutauswurfs aus dem Herzen erreicht sie 50–60 cm/s, und im Durchschnitt beträgt sie in der Aorta und den Arterien 25–40 cm/s.
- Arteriolen: Der Charakter des Blutstroms verändert sich – vom stoßartigen (pulsierenden) wandelt er sich in einen kontinuierlichen um.
- Kapillaren: In diesem Abschnitt ist ein steiler Peak der Gesamtquerschnittsfläche zu beobachten („Kissen“ in der Grafik). Entsprechend fällt die lineare Geschwindigkeit auf ein absolutes Minimum ab – 0,5 mm/s. Ein derartig drastischer Abfall ist von kritischer Bedeutung für die Gewährleistung eines effektiven Stoffwechsels zwischen Blut und Gewebe.
- Venen: Die Gesamtquerschnittsfläche beginnt im Vergleich zum Kapillarnetz abzunehmen (obwohl sie die Fläche der Arterien übersteigt). Aufgrund der Konfluenz von Venulen zu größeren Venen und Hohlvenen nimmt die Geschwindigkeit mäßig zu und erreicht 20 cm/s.
Geschwindigkeitsprofil im Gefäß
Die Blutbewegung innerhalb eines einzelnen Gefäßes ist uneinheitlich. Aufgrund von Reibungskräften zwischen den Blutpartikeln und der Gefäßwand bildet sich ein laminäres Geschwindigkeitsprofil aus:
- Die maximale Geschwindigkeit der Partikelbewegung wird streng in der Mitte des Gefäßes beobachtet.
- Die minimale Geschwindigkeit wird direkt an den Wänden registriert.
Diese Verteilung führt dazu, dass die sich bewegende Blutmasse eine spezifische Kraft erzeugt, die parallel zur Oberfläche der inneren Gefäßwand gerichtet ist – dieses Phänomen wird als Schubspannung bezeichnet.
Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema
Von welchen konkreten Parametern hängt der hydrodynamische Gefäßwiderstand (R) ab?
Der hydrodynamische Gefäßwiderstand ($R$) hängt von seiner Länge, seinem Radius sowie der Blutviskosität ab. Zur Berechnung wird die Hagen-Poiseuille-Gleichung (1846) verwendet, nach welcher der Widerstand umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Gefäßradius ($r^4$) ist.
Parameter, die $R$ bestimmen:
- Gefäßlänge ($l$)
- Gefäßradius ($r$)
- Blutviskosität ($\eta$)
Was ist eine turbulente Blutströmung und unter welchen Bedingungen tritt sie im Normalfall auf?
Eine turbulente Strömung ist ein nicht-laminärer (wirbelnder) Blutfluss, der Schwingungen erzeugt. Normalerweise existieren Wirbel beim Auswerfen des Blutes aus dem Ventrikel in die Aorta und an den Verzweigungsstellen der Gefäße (Bifurkationen) bereits von Anfang an. Auch in Arterien kann die Strömung bei Erhöhung der Blutströmungsgeschwindigkeit, beispielsweise bei körperlicher Arbeit, turbulent werden.
Wie hoch ist der Blutvolumenstrom im Lungenkreislauf?
Die Durchblutungsgröße durch den kleinen Kreislauf entspricht dem Herzminutenvolumen (HMV). Die Volumenstromwerte im kleinen Kreislauf:
- In Ruhe: 3,5–5,5 l/min.
- Bei körperlicher Arbeit: bis zu 30–40 l/min.
Das Prinzip der Kontinuitätsgleichung lässt sich am Beispiel eines Gebirgsflusses leicht veranschaulichen: In einer engen Schlucht (Aorta mit kleinem Gesamtquerschnitt) sprudelt und rast das Wasser mit enormer Geschwindigkeit. Wenn sich der Fluss jedoch in viele kleine Bäche über ein breites Tal ausbreitet (Kapillaren), wird die Strömung langsam und kaum wahrnehmbar.
Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen
Wo liegt der Unterschied zwischen volumetrischer und linearer Blutflussgeschwindigkeit?
Der Volumenstrom gibt an, welches Blutvolumen pro Minute durch einen Querschnitt fließt (ml/min), und ist für Gefäße desselben Kalibers konstant. Die lineare Geschwindigkeit gibt an, welche Strecke ein Blutpartikel pro Sekunde zurücklegt (cm/s), und ändert sich umgekehrt proportional zur Gesamtquerschnittsfläche der Gefäße.
Wo wird die geringste lineare Geschwindigkeit registriert und warum?
Die niedrigste lineare Geschwindigkeit (etwa 0,5 mm/s) wird in den Kapillaren registriert. Dies liegt daran, dass die Gesamtquerschnittsfläche aller Kapillaren maximal ist. Die langsame Durchblutung ist hier für einen vollwertigen Stoffwechsel erforderlich.
Was ist ein laminares Geschwindigkeits profil?
Dies ist die ungleichmäßige Verteilung der Blutströmungsgeschwindigkeit innerhalb eines Gefäßes. Aufgrund der Reibung an der Gefäßwand bewegt sich das Blut an der Peripherie am langsamsten und im Zentrum des Gefäßes am schnellsten.
Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt
- Hydrodynamischer Widerstand und Poiseuille-Gleichung
- Schubspannung: Einfluss auf das Gefäßendothel
- Mechanismen des Übergangs von pulsierendem zu kontinuierlichem Blutfluss in den Arteriolen
- Regulation der volumetrischen Blutflussgeschwindigkeit in Organen bei körperlicher Belastung
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