I. Betydelsen av regional genomblödning i kliniken.
Arteriella och venösa obstruktioner är vanliga tillstånd i kliniken och kan i svårare fall hota vävnadens överlevnad. Dock har kärlkirurgin gjort stora framsteg inom detta område på senare tid.
På inflödessidan skiljer man på organiska och funktionella hinder som försvårar blodtillflödet. Exempel på organiska hinder är arterioskleros, tromboser, embolier och diabetesförändringar i kärlen. Funktionella störningar kan vara t.ex.
Raynauds fenomen och s.k. vita fingrar efter lång tids användning av vibrerande verktyg, t.ex. högtrycksmaskiner.
Det vanligaste organiska hindret är arteriosklerosiska förändringar hos äldre, främst i A. iliaca, A. femoralis och A.
poplitea, vilket förr ofta ledde till gangrän (kallbrand) och amputation.
De funktionella hindren är inte alls lika alarmerande och farliga men kan naturligtvis upplevas mycket obehagliga av patienterna. Det är därför viktigt att kunna skilja på de organiska respektive funktionella hindren.
På avflödessidan förekommer t.ex. varicer (åderbråck) som ger tryckstegring bakåt i kärlsystemet vid upprätt kroppsställning och därmed kroniska ödem som så småningom kan leda till nutritionsrubbning i vävnaden och ibland svårläkta bensår. Vidare förekommer ventromboser som, vid stor omfattning, kan bli mycket akuta och hota
genomblödningen genom svår avflödesstas. Genomblödningen i ett stort område, t.ex. ett ben, kan därmed bli mycket dålig. Ventromboser kan dessutom lossna och orsaka ännu mer skada då de kan fastna i lungkärlen och därmed orsaka lungödem och hjärtsvikt på grund av att cirkulationen i lungorna försämras och lungkretsloppet inte längre fungerar.
På mikrokärlnivå finns bl.a. diabetesangiopati med spridda perifera cirkulationsstörningar i t.ex. hud och tår. Det är även på denna kärlnivå, i små artärer och arterioler, i fingrar och tår som de funktionella, spastiska tillstånden med ökande mediaförtjockning av typen Raynauds sjukdom och vibrationsskador, finns.
Med ökande möjligheter till kärlkirurgisk behandling av patologiska hinder ökar också kraven på snabb, säker och helst non-invasiv metodik för a) differentialdiagnostik mellan obstruktiv och funktionell störning, b) lokalisering av flödeshinder och c) kvantifiering av hur allvarligt den regionala genomblödningskapaciteten påverkats.
Med dessa metoder kan man bedöma om kärlkirurgi är möjlig och behövlig (vid ett mindre hinder avvaktar man och försöker i stället stimulera till kollateraltillväxt och kärlbäddsanpassning med hjälp av bl.a. fysisk träning). Man kan också bedöma hur mycket ett kirurgiskt ingrepp skulle förbättra tillståndet.
De metoder som används för dessa bedömningar är en kombination av
1) Hudtemperaturmätning (i fingrar och tår, visar apikala hudgenomblödningen).
2) Ultraljudsundersökning för mätning av artärpulsationer på olika nivåer för att lokalisera artärhinder.
3) Flebografi som är en kontraströntgenologisk verifiering och lokalisering av hinder av framförallt större natur.
4) Pletysmografi främst för kvantitativ mätning av såväl maximal- som vilogenomblödning i företrädesvis vad- och underarmsregionen; kvoten mellan max- och vilogenomblödningen minskar i proportion till flödeshindrets omfattning.
Denna metod är den enda som kan bestämma genomblödningen i absoluta tal.
Vid ett kärlhinder sker en kompensatorisk dilatation distalt om hindret och därmed upprätthålls viloflödet in i det längsta. Därav är det ingen idé att mäta enbart viloflöden. Denna flödeskompensation sker på bekostnad av de
”cirkulationsreserver” man normalt har för att kunna öka genomblödningen vid arbete, i form av den tonusreglering som finns i kärlväggen. Därav följer att en person, med stor kärlobstruktion, vid arbete inte längre har någon reserv utan snabbt drabbas av ischemi vid ökade krav på genomblödning från den arbetande muskulaturen.
Pletysmografimetoden tillåter kvantitativ och lättreproducerbar mätning av genomblödning både i vila och vid maximal dilatation. Dessutom kan man mäta den kapillära filtrationskapaciteten. Detta ger en god uppfattning om
perfunderad yta och venös avflödeskapacitet. Man följer hur snabbt det stasade venblodet rinner undan vid ändringar i regional blodvolym och kan följa regionalt systoliskt och diastoliskt artärtryck, samt regionalt ventryck. Man kan därmed kvantifiera t.ex. en artärstenos svårighetsgrad. Om artärtrycket sjunker under ca 40 mmHg finns risk för celldöd p.g.a. nutritionsstörningar.
Metodiken för denna laboration ger god inblick i muskelkärlbäddens fysiologi. För att rätt förstå metoden och dess kliniska användning ska vi först summera vissa cirkulationsfysiologiska grundprinciper.
II. Kärlbäddens kontrollprinciper.
A. Blodkärlens basala tonus.
Kroppens blodkärl har i vila en mer eller mindre uttalad basaltonus, vars storlek är beroende av vilken kärlsektion som avses, men också i vilken vävnad kärlet befinner sig. Denna tonus byggs upp av kärlmuskelceller av typen ”single-unit”, medan ”multi-unit”-typen vanligen har låg myogen aktivitet. Hög basaltonus föreligger främst i kärlbäddarnas prekapillära resistanskärl och sfinktersektioner (och ibland i postkapillära resistanskärl), medan låg basaltonus vanligen förekommer i venösa kapacitanskärl.
Ett exempel på en kärlbädd med hög vilotonus i prekapillära resistanskärl är skelettmuskulaturens. Denna tonus orsakas endast till ca 15-30% av de sympatiska vasokonstriktorfibrerna. Resten bygger alltså på den myogena aktiviteten i "single-unit"-cellerna. Den maximala genomblödningen, vid maximal dilatation av prekapillära
resistanskärl, är här 10-15 ggr större än vilogenomblödningen. (D.v.s. skillnaden mellan den höga vilotonusen och den mycket låga tonus som ses vid hårt arbete är mycket stor.)
De postkapillära resistanskärlen och speciellt de venösa kapacitanskärlen har mycket lägre basaltonus, varför t.ex. den regionala blodvolymen i en kärlbädd bara ökar 20-30% vid maximal vasodilatation i dess vensektion. Dess tonus bestäms främst av aktiviteten i de sympatiska vasokonstriktorfibrerna (något som är särskilt uttalat i huden). Njurens resistanskärl utgör ett undantag och uppvisar en relativt låg basal tonus. Särskilt hos organ med stor variation i
metabolisk aktivitet, t.ex. tvärstrimmig muskulatur och spottkörtlar, föreligger hög basal tonus, som kraftigt modifieras av vävnadens funktionsgrad. I samband med ökad vävnadsaktivitet utlöses t.ex. i spottkörteln en uttalad kärldilatation, som möjliggör flödesökningar upp till 20-25 gånger.
B. Lokal kontroll av blodcirkulationen.
Den lokala kontrollen av cirkulationen bygger på två mekanismer: Dels den myogena aktiviteten, som stimuleras av tänjning orsakat av blodtrycket, dels metaboliter som vid lokal ansamling har vasodilaterande effekt. Dessa
moduleringssystem kan både samverka och motverka varandra. Där neurogent och hormonellt inflytande saknas tenderar dessa lokala faktorer att verka för att både blodflöde och kapillärtryck hålls konstant så länge vävnadens
ämnesomsättning inte ändras. Detta kallas autoreglering. Ett exempel på detta är när det arteriella trycket stiger: Den myogena aktiviteten prekapillärt stimuleras av ökat tryck och det ökade blodflödet gör att metaboliter effektivt sköljs bort och pO2 ökar. De båda mekanismerna samverkar alltså till att höja basal tonus och därmed återgår kapillärtrycket och blodflödet snart till utgångsvärdet. Motsatt effekt får man alltså om blodtrycket skulle sjunka. Även en
artärobstruktion leder till en samverkan: nedgången i transmuralt tryck med hämning av den myogena aktiviteten tillsammans med lokal metabolitansamling ger upphov till ökade blodflöden i kärlbädden.
En antagonistisk verkan mellan de båda mekanismerna uppstår vid t.ex. en isolerad ventryckshöjning, vilket innebär ett minskat perfusionstryck (Pa- Pv) men ett ökat intravaskulärt tryck (Pa+ Pv)/2. I denna situation dominerar vanligen den lokalkemiska faktorn, med resultatet att kärlbädden relaxerar.
C. Den kemiska faktorn.
I detta begrepp bör inräknas såväl lokalt bildade metaboliter som ämnen som tillförs kärlbädden genom blodet, t.ex. O2, H+ och CO2. Sänkt arteriellt pO2 och pH samt förhöjt arteriellt pCO2, orsakar alla vasodilatation i systemkretsloppet. I lungkretsloppet orsakar hypoxi däremot kärlkonstriktion.
Vad gäller metabolitansamlingens effekter så är det troligen själva samverkan mellan dessa ämnen och inte de enskilda ämnena som påverkar kärlbädden.
Man vet att i skelettmuskulatur åstadkommes en liten eller måttlig vasodilatation av lågt pO2 och/eller ansamling av vätejoner, adenosinföreningar och laktat. Lågt pO2 , framförallt i kombination med kaliumjoner samt lokal
hyperosmolaritet samverkar däremot till att relaxera skelettmuskelns kärlbädd i proportion till muskelaktivitet.
I koronarkärlen förefaller adenosin och lågt pO2 ha störst effekt, medan vätejoner dominerar vid relaxation av hjärnans kärlbädd.
Tunntarmens funktionella hyperemi är främst en effekt av en lokal intramural reflex och insöndring av vissa hormoner.
För alla dessa substanser gäller att den vasodilatation de åstadkommer liknar den som ses i samband med en funktionell hyperemi, d.v.s. en relaxation av framför allt prekapillära resistanskärl och sfinktersektionen medan postkapillära resistanskärl förblir relativt opåverkade, det vill säga förblir under det sympatiska nervsystemets kontroll.
D. De sympatiska vasokonstriktorfibrerna.
För det andra regleras kvoten mellan pre- och postkapillärt motstånd, vilket innebär att det transkapillära vätskeutbytet kraftigt kan påverkas. Detta gäller särskilt skelettmuskulaturen, där man, tack vare den stora vävnadsmassan, kan mobilisera stora vätskemängder via sympatikusstimulering, t.ex. vid en blödningschock (autotransfusion). Detta är viktigt på längre sikt, men omedelbart vid en stor blödning upprätthålls cirkulationen med hjälp av en ”sympatikusdrive”
som ger vasokonstriktion och ökad hjärtfrekvens. För det tredje regleras de venösa kapacitanskärlen vilket är mycket viktigt för det venösa återflödet till hjärtat.
Den sympatiska innervationen varierar i täthet, såväl mellan olika kärlbäddar, som mellan deras olika seriekopplade kärlsektioner. (Det är bara placentas kärl som helt saknar sympatiska vasokonstriktorfibrer). De cerebrala och koronara kärlen är relativt sparsamt innerverade, medan tätheten av adrenerga nerver till andra organ, exempelvis huden, kan vara mycket hög. Av de seriekopplade kärlsektionerna mottar de största artärerna, venerna och de prekapillära sfinktrarna vanligen relativt sparsamt med sympatiska nervfibrer. Som följd av denna ojämna distribution kommer naturligtvis effekten av de sympatiska vasokonstriktorfibrernas aktivitet att variera mellan olika blodkärl. Dessutom skiftar förmågan hos de sympatiska nerverna i olika vävnader att behålla sin vasokonstringerande effekt i konkurrens med de lokala metaboliterna. En konstant blodflödesreduktion kan bibehållas i skelettmuskulaturen, medan den nervösa effekten på prekapillära kärl är mer övergående ("autoregulatory escape") i andra organ såsom mag-tarmkanalen och levern. Även de prekapillära sfinktrarna, vilka bestämmer storleken av den kapilläryta som är tillgänglig för transkapillärt utbyte, påverkas starkast av de lokala mekanismerna.
E. Reflexogen aktivering av sympatiska vasokonstriktorfibrer.
Den helt dominerande delen av det efferenta sympatiska utflödet till perifera organ förmedlas via VMC - vasomotor-centrum i hjärnstammen. Den toniska aktiviteten påverkas hela tiden av såväl excitatoriska som inhibitoriska afferenta inflytanden från både perifera kardiovaskulära proprioceptorer och från högre autonoma centra i hypothalamus och cortex. Det vanligaste är att det afferenta inflödet leder till att den vagala inhibitionen är mest dominerande.
Vad gäller de enskilda reflexbågarnas efferenta mönster, så är dessa relativt väl kända på försöksdjur: Så ger avlastning av baroreceptorerna i aortabågen och A. carotis upphov till ökad hjärtfrekvens samtidigt som blodflödet i tarmkanalen stryps. Blodflödesminskningen är vanligen klart mindre uttalad i njurar och uteblir helt i t.ex. hudens arterio-venösa shuntar (se nedan). Aktivering av de omyeliniserade mekanoreceptorerna (C-fibrer) i hjärtats förmak och kammare utlöser en inhibition av VMC och en minskad konstriktoraktivitet vilket resulterar i en dilatation i främst njurar och skelettmuskulatur. Samtidigt stimuleras de vagala fibrerna till hjärtat, vilket ger en bradykardi. Aktivering av de myeliniserade hjärtförmaks-afferenterna verkar inhiberande på ADH-frisättningen från hypothalamus.
Av naturliga skäl är vår kunskap om de kardiovaskulära reflexerna hos människa baserad på mer indirekta
undersökningar. Direkt registrering från enskilda receptorer kräver att man preparerar fram och ibland denerverar vissa receptorer. Med hjälp av indirekta metoder (t.ex. "lower body negative pressure": passiv höjning av ben och
nedsänkning i vatten till halsnivå av en sittande försöksperson) kan man dock studera de enskilda kardiovaskulära reflexerna relativt specifikt. De enskilda reflexerna tycks dock i allt väsentligt vara likartade hos människa och djur även om effekterna kan vara kvantitativt olika.
Skillnader som dock är värda att notera är att
1) baroreceptorer hos människa utövar sin huvudsakliga effekt på hjärtfrekvens och blodflöde i mag-tarmkanalen, medan
2) måttlig stimulering av omyeliniserade mekanoreceptorer i hjärtat hos människa främst leder till
blodflödesförändringar i skelettmuskel (som p.g.a. sin stora massa är av mycket stor betydelse för total perifer resistans och därmed blodtryck) och har liten effekt på hjärtfrekvens.
Dessa skillnader mellan människa och djur är naturligtvis inte förvånande i beaktande av de speciella krav som ställs p.g.a. människans uppresta kroppsställning och mot bakgrund av hur differentierat det autonoma nervsystemet är.
Således leder måttlig variation av central blodvolym (ex. förändring i kroppsläge, lätt blödning, m.m.) hos människa till påverkan av omyeliniserade mekanoreceptorer i hjärtats förmak och kammare utan att ge förändringar i artärtryck, d.v.s.
utan att påverka baroreceptorer.
De mycket komplexa omställningsmönster som förmedlas via hypothalamus har till funktion att ställa om hela organismen så att vissa påträngande problem både i den inre och i den yttre miljön löses på adekvat sätt. Dessa
funktioner kräver därför en uttalad samordning av impulser från många olika delar av CNS. Exempel på sådana mönster är regleringen av kroppens vätske-saltbalans, födointag, temperatur, sexuella beteende samt reaktionerna på t.ex. akut fara. Det sistnämnda inbegriper framför allt den s.k. "defence reaction", vars funktion i djurvärlden är att snabbt mobilisera kroppens alla resurser inför flykt eller strid. Om flykt och strid ter sig utsiktslöst, inträder istället en generell, akut inhibition "playing dead reaction". Även människan uppvisar, i stort, samma svar vid påfrestningar av olika slag, exempelvis vid mer subtila, psykosocialt inducerade stress-situationer, där vår motsvarighet till "playing dead" torde
adrenerga fibrer i kroppen, d.v.s. en kraftig inotrop och kronotrop effekt på hjärtat samt en resistansökning i kroppens olika kärlkretsar. Ett viktigt undantag är emellertid skelettmuskulaturen vars sympatiska konstriktoraktivitet närmast inhiberas, med följd att stora delar av den neurogent ökade hjärtminutvolymen kan omdirigeras till denna vävnad. Den blodtrycksstegring och ökade hjärtfyllnad som följer med reaktionen medför naturligtvis sekundärt en stimulering av baroreceptorer och hjärtreceptorer, men deras inflytande moduleras i denna situation i hjärnstammens kardiovaskulära centra så att deras reflexinhibitoriska effekter på hjärtat helt undertrycks, medan kärlreflexeffekterna påverkas mindre.
Slutresultatet blir därför snarast en ytterligare ökning i hjärtminutvolymen som favoriserar muskler, myocard och CNS. - Vid emotionell svimning utlöses massiv vagusbradykardi samt inhibition av all sympatikusaktivitet.
III. Metoder för mätning av blodflöde.
Mätning av blodflödet innebär en bestämning av volymflödet per tidsenhet, korrelerat till det försörjda organets storlek, vanligen angivet som ml x (min x 100 ml vävnad)-1. Man får inte förväxla mätning av volymflödet med mätning av den lineära flödeshastigheten. Lineär flödeshastighet löper nämligen ej alltid parallellt med volymflödet. Volymflödet, som är av störst intresse, är proportionellt mot flödeshastigheten multiplicerad med kärlets genomsnittliga tvärsnittsyta.
Registrering av den lineära flödeshastigheten får störst värde om man samtidigt mäter volymblodflödet och samtidigt kan beräkna kärlbäddens volymkapacitet.
Det finns flera metoder för mätning av volymflödet hos människa. De flesta är dock indirekta metoder, som är behäftade med ibland rätt stora felkällor. De vanligaste metoderna är: Fick-principen, Stewart-Hemilton-metodiken (främst för mätning av "cardiac output"), eliminationsmetoden (clearance), olika färg- och temperaturmätmetoder (alla behäftade med stora felkällor) och slutligen pletysmografimetoden. Här tar vi endast upp och diskuterar två av dessa metoder.
Fick-principen: Man kan mäta volymflödet per tidsenhet (Q) genom ett organ, om blodet under passagen antingen upptar eller avger känd mängd av ett ämne (t.ex. O2 ), vars arteriovenösa koncentrationsdifferens kan bestämmas. Denna princip är grunden för vår äldsta (Adolph Fick 1856) metod för bestämning av hjärtats minutvolym. O2-koncentration från ett A. brachialisprov respektive från blandat venöst blod taget med katetrar från A. pulmonalis.
O2-konsumtion / min arteriovenösa O2-differensen
Den för mätning av njurgenomblödningen använda metoden, PAH-clearance, bygger också på Ficks princip men med den förenklingen att venblodskoncentrationen antages vara noll, eftersom njuren normalt helt befriar artärblodet från dessa substanser om koncentrationen ej är för hög.
Pletysmografi: (Grek. "att registrera ökning"). Denna metod beskrevs ursprungligen 1905 av Brodie för mätning av blodvolymsförändringar i viscerala organ vid djurförsök, t.ex. njurar och mjälte, s.k. oncometri. Metoden modifierades sedan av Hewlett och van Zwaluwenburg för mätning av blodflödet till extremiteterna hos människa med hjälp av tillfällig venstas. Korrekt utförd är metoden förvånansvärt exakt och dessutom enkel att handha när man väl vant sig vid den. Den tjänstgör fortfarande som referensmetod för andra metoder och är, som inledningsvis angavs, den enda kliniska metoden för absolut bedömning av extremitetsgenomblödningen. Venbädden i en kroppsdel bildar en distensibel reservoar, som med mycket små tryckändringar kan ackumulera en relativt stor volym blod. Den kan, i genomsnitt, ta emot en blodmängd på ungefär 2 % av vävnadsvolymen utan alltför störande ökningar av ventrycket.
Om det venösa avflödet plötsligt stängs, ökas venreservoarens volym av det blod som strömmar till från artärerna.
Kroppsdelens volymökning per tidsenhet är då lika med det arteriella flödets storlek, varigenom man på ett oblodigt sätt får ett uttryck för det arteriella flödet genom registrering av volymökningen per tidsenhet. När venfyllnaden blir alltför stor stiger trycket i venerna markant, som då minskar den effektiva tryckgradienten, varför givetvis inflödet blir långsammare. Det är därför bara under de första sekunderna efter venstasen, som en exakt korrelation föreligger mellan det opåverkade artärinflödets storlek och den registrerade volymökningen per tidsenhet. Pletysmografi kan mäta flera olika parametrar av extremitetsgenomblödning. Vi kommer förutom den som nämnts att utnyttja metoden för att mäta CFC (se nedan).
Bestämning av CFC (kapillära filtrationskoefficienten)
Den kapillära filtrationskoefficienten (Capillary Filtration Coefficient = CFC) utgör ett mått på vätskepermeabiliteten hos kapillärmembranen. Den definieras som den mängd vätska, som per minut och 100 g vävnad förflyttas över
bestämning av kapillär filtrationskoefficient i skelettmuskulatur hos människa höjs det venösa utflödestrycket med hjälp av en blodtrycksmanschett. Eftersom förhållandet mellan pre- och postkapillärt motstånd i skelettmuskulaturens
kärlbädd är ca 4 : 1 multipliceras ventrycksförändringen med faktorn 0.8 vid beräkning av förändringen av hydrostatiska medelkapillärtrycket. Det transkapillära vätskeflödet kan bestämmas genom att mäta vikt- eller volymsändringar av det undersökta organet. Vid undersökningar av skelettmuskulatur hos människa bestäms volymsändringar med pletysmograf eller trådtöjningsgivare.
Enligt vår nuvarande uppfattning om kapillärernas struktur bestäms storleken av den kapillära filtrationskoefficienten dels av den kapilläryta som är tillgänglig för vätskeutbyte, samt av porstorlek och portäthet i kapillärmembranen. Den första faktorn, kapillärytan, varierar med tonus hos de s.k. prekapillära sfinktrarna. I situationer då dessa sfinktrar dilateras, t.ex. i samband med ett skelettmuskelarbete, kommer följaktligen filtrationskoefficienten att öka i storlek (permeabiliteten ändras dock ej, eftersom såväl portäthet som porstorlek är oförändrade). Med hjälp av vissa farmaka såsom histamin och bradykinin kan på vensidan flera "stora" porer öppnas, vilket kraftigt ökar CFC och även plasmaprotein passagen. Hittills har det inte varit möjligt att med hjälp av farmaka eller på något annat sätt minska kapillärporernas storlek, eller direkt påverka de vanliga "små" porerna.
Den kapillära filtrationskoefficienten varierar från organ till organ hos en och samma organism, vilket avspeglar organskillnader i kapillärtäthet och/eller i porernas storlek och antal. I tabellen nedan anges den kapillära filtrationskoefficientens storlek i några organ hos människa och katt.
Organ CFC ( ml x (min x 100g x mmHg)-1
)
Människa Katt
Skelettmuskel, vila ca 0.005 0.01-0.02
Skelettmuskel, arbete ca 0.035 ca 0.04
Tarm - 0.1-0.4
Om man stänger av blodflödet från en kroppsdel (venstas), men fortfarande låter tillflödet ske som vanligt så kommer vävnaden i kroppsdelen att öka i volym när blodet strömmar in. Vävnadens volym ökar alltså med samma hastighet som blodets strömningshastighet, dvs. volymsökningshastigheten = flödet!
Eftersom kärlen är eftergivliga till en viss gräns, och dessutom inte helt fyllda initialt, kommer tillflödet i början att vara konstant och vävnaden ökar i volym med konstant hastighet. Men allteftersom kärlbädden i den aktuella vävnaden fylls upp så kommer det slutligen att bli ett visst flödesmotstånd (perfusionstrycket minskar), tillflödet minskar och
Eftersom kärlen är eftergivliga till en viss gräns, och dessutom inte helt fyllda initialt, kommer tillflödet i början att vara konstant och vävnaden ökar i volym med konstant hastighet. Men allteftersom kärlbädden i den aktuella vävnaden fylls upp så kommer det slutligen att bli ett visst flödesmotstånd (perfusionstrycket minskar), tillflödet minskar och