Ist die Pulsdiagnose der chinesischen Medizin mysteriös? Die Physik hinter der Pulsdiagnose

Quelle | Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften (ID: cas-iop)

Herausgeber | Xiao Fan

Wenn wir unsere Hände sanft auf unsere Handgelenke, unseren Hals und unsere Brust legen, können wir alle das schwache, aber feste Schlagen spüren. Das ist der Takt des Lebens. Zwischen den Herzschlägen wird der Stoffwechsel des Körpers abgeschlossen und die Worte und Taten der Menschen dienen als Energiequelle.

Dies alles geschieht so selbstverständlich, dass sich die Menschen daran gewöhnen. Bis der Redakteur eines Tages eine Frage sah: Sind Herz- und Handgelenkpuls gleichzeitig? Meine erste Reaktion war natürlich: „Zur gleichen Zeit.“ Ist nicht das Herz die Quelle des Pulses?

Ja, der Puls kommt vom Herzen, das heißt, die Frequenz von Herz und Puls muss gleich sein! Dies zeigt jedoch auch, dass der Pulsschlag durch den Herzschlag übertragen wird, es gilt also immer das Prinzip „Wer zuerst kommt, mahlt zuerst“ und es kommt immer zu einer Zeitverzögerung! Aus der Wellengleichung, die wir in der zweiten Klasse der Grundschule gelernt haben, wissen wir, dass die Obergrenze der Geschwindigkeit, mit der sich mechanische Störungen in Materie ausbreiten können, die Schallgeschwindigkeit ist.

Damit ist das Problem gelöst. Es scheint, dass der Puls etwas hinter dem Herzen schlägt, was ungefähr der Distanz geteilt durch die Schallgeschwindigkeit entspricht. Einer groben Schätzung zufolge befinden sich zwischen Herz und Handgelenk etwa 1 m lange Blutgefäße und die Schallgeschwindigkeit im Wasser beträgt etwa 1500 m/s. Die Verzögerung beträgt also etwa 1/1500 s oder 0,0006 Sekunden.

Aber irgendetwas fühlt sich immer falsch an. Muss es noch sorgfältig studieren! Es spielte keine Rolle, dass ich sorgfältig darüber nachdachte. Ich stellte nicht nur fest, dass meine Schätzung völlig falsch war, sondern entdeckte auch eine Seite des Herzens, die mir wirklich die Augen öffnete.

Du bist so schlau, du musst doch bemerkt haben, was nicht stimmt! Wenn wir es als Schallwelle und den menschlichen Körper als Wasser betrachten, ist diese Annäherung so grob wie ein kugelförmiges Huhn im Vakuum. Dadurch soll die Störung über die Körperflüssigkeiten gleichmäßig im gesamten Körper verteilt werden. Mit anderen Worten: Der ganze Mensch sollte sich im Takt des Herzschlags ausdehnen und zusammenziehen. Es ist ein bisschen beängstigend, darüber nachzudenken … Das bedeutet auch, dass wir den Herzschlag in jedem Teil unseres Körpers spüren sollten – aber das ist natürlich nicht richtig!

Wir können dieses Pulsieren nur in relativ oberflächlichen Arterien wie der Halsschlagader und der Handgelenksarterie spüren. Das ist vernünftig. Kehren wir zur wesentlichen Funktion des Herzens zurück. Die Funktion des Herzens besteht darin, Blut durch den gesamten Körper zu transportieren. Die Energie aus den Schlägen sollte auf die Blutzirkulation konzentriert werden.

Schematische Darstellung menschlicher Blutgefäße | Bildquelle: Internet

Die Weiterverarbeitung ist jedoch schwierig. Wie genau breitet sich der Herzschlag aus? Dies beginnt mit dem Mechanismus der Herzfunktion.

Glauben Sie, dass die Aufgabe des Herzens darin besteht, Blut zu pumpen?

Um das Problem der Zeitverzögerung besser lösen zu können, wollen wir uns folgende Frage stellen: Wie fließt das Blut unter dem Impuls des Herzens durch den gesamten Körper? Angesichts einer solchen Frage habe ich folgendes Bild vor Augen: Wenn das Herz schlägt, hat es die Aufgabe, das Blut zu pressen und die Energie für den Blutfluss bereitzustellen. Daher fließt das Blut stetig in den starken und zuverlässigen Blutgefäßen. In dieser Ansicht wird das Herz auch als „Blutpumpe“ bezeichnet.

Schematische Darstellung der stationären laminaren Strömung in einem Rohr | Bildquelle: Internet

Bis ich auf diese Idee kam: Das Herz fungiert eher als Pulswellengenerator denn als Blutpumpe[1]! Mit Pulswelle ist hier die Pulsationswelle der Arterie gemeint, gleiches gilt auch im Folgenden.

Wenn wir davon ausgehen, dass das Blut stetig fließt, entsteht ein natürlicher Widerspruch. Da der Herzschlag periodisch ist, wie kann der Blutfluss konstant sein? Da der Herzschlag periodisch ist, können wir davon ausgehen, dass auch die Geschwindigkeit des Blutflusses periodisch ist. Das heißt, das Blut fließt in Blutgefäßen mit einer periodischen Geschwindigkeit im Zeitbereich.

Schematische Darstellung des Herzschlags | Quelle: Internet

Aber es gibt immer noch ein Problem! Blut ist sehr zähflüssig und die Blutgefäße sind gewunden und komplex, wobei ihr Radius vom Herzen zu den Gliedmaßen hin allmählich abnimmt. Wenn das Blut im Inneren ständig beschleunigt und abgebremst wird, wäre dann nicht viel Energie nötig, um den Schlauchwiderstand und die viskose Dissipation zu überwinden? Wo liegt das Problem? Tatsächlich haben wir ein Problem übersehen: Blutgefäße können nicht als starre Röhren behandelt werden, sie sind elastisch. Wenn das Herz schlägt, bewegen sich die Blutgefäße mit.

Während des Herzschlags dehnen sich die Blutgefäße ständig aus und ziehen sich zusammen. Bildquelle: Internet

Der Fall ist gelöst. Durch den Herzschlag entstehen Transversalwellen, die eine Erweiterung und Kontraktion der Blutgefäße bewirken, sowie Longitudinalwellen, die sich entlang der Blutflussrichtung ausbreiten. Und hier ist eine noch überraschendere Tatsache: Der Großteil (fast die gesamte) Energie des schlagenden Herzens wird den Blutgefäßen zugeführt, um Pulsationen zu erzeugen, und nicht, um Blut zu pumpen!

Es scheint, dass das Herz weit mehr als eine einfache „Blutpumpe“ ist und eher einem Generator arterieller Pulsation gleicht!

Herz - Pulswellengenerator

Bisher haben wir ein vorläufiges Bild davon, wie sich der Herzschlag auf das Blut-Gefäß-Kopplungssystem auswirkt. Mit einem konkreten Verständnis der Physik wird es viel einfacher, einer bestimmten mathematischen Beschreibung nachzugehen. Als nächstes nehmen wir eine detaillierte Schätzung vor, um die Wellengeschwindigkeit zu ermitteln. Wir werden feststellen, dass die Eigenschaften der Blutgefäße und des Blutes die Wellengeschwindigkeit bestimmen. Dies ist in der Medizin, Biomechanik und anderen Bereichen von großer Bedeutung.

Erstens kann die Wahl eines geeigneten Startpunkts uns dabei helfen, die nachfolgenden Berechnungen erheblich zu vereinfachen. Für diesen Teil der Herleitung wird auf die Referenz [6] verwiesen. Wir gehen von dem Ausdruck für die Geschwindigkeit von Schallwellen in einem Medium aus, der durch die Wellendynamik kontinuierlicher Medien gegeben ist:

wobei das spezifische Volumen ist, also das Volumen pro Masseneinheit, und der Kehrwert der Dichte ist. Diese Formel ist sehr anwendbar und kann verwendet werden, um die Schallgeschwindigkeit und andere Parameter zu ermitteln.

Es handelt sich um den Volumenkompressionsmodul des Materials, also die Druckänderung des Materials bei Kompression des relativen Einheitsvolumens. Man erkennt, dass sich hier die Eigenschaften des Materials widerspiegeln. Bei Stahl ist dieser Wert groß, da selbst bei Anwendung großen Drucks die Volumenänderung des Materials vernachlässigbar ist. Für einen Schwamm ist diese Menge sehr gering und der Schwamm lässt sich mit sehr wenig Kraft in ein kleines Stück zusammendrücken.

Wenn wir dann den Volumenkompressionsmodul des Blutgefäßsystems ermitteln, können wir eine vorläufige Schätzung der Pulswellengeschwindigkeit abgeben!

Beim gekoppelten System aus Blut und Blutgefäßen müssen wir bei einer Druckänderung sowohl die Volumenänderung der Blutgefäße als auch die Volumenänderung des Blutes berücksichtigen. Wie wird dieser Druck zwischen Blutgefäßen und Blut verteilt? Wenn man bedenkt, dass Blutgefäße und Blut in radialer Richtung miteinander in Kontakt stehen und die von uns betrachteten Druckänderungen hauptsächlich in radialer Richtung erfolgen, kann man davon ausgehen, dass Blut und Blutgefäße wie Federn in Reihe geschaltet sind:

Schematische Darstellung der Blutgefäßkopplung | Bild aus [6]

Wir verwenden die Indizes s (System), b (Blut) und v (Gefäß), um das gesamte System, den Blutteil bzw. den Gefäßteil zu identifizieren:

Darunter

Einfach und leicht! Das heißt, indem wir den Volumenkompressionsmodul von Blut bzw. Blutgefäßen ermitteln, können wir den Volumenkompressionsmodul des Systems berechnen und dann die Wellengeschwindigkeit berechnen.

Bei Blut hängt der Kompressionsmodul von den Eigenschaften des Blutes ab. Die komplexe Zusammensetzung des Blutes lässt sich aus einer grundlegenderen Perspektive nur schwer ableiten und wird im Allgemeinen durch Experimente ermittelt.

Bei Blutgefäßen können wir sie jedoch als elastisches Material mit einem Kompressionsmodul betrachten, das dem Hookeschen Gesetz gehorcht. Zur Beschreibung fester Materialien verwenden wir im Allgemeinen den Elastizitätsmodul der Masse und nicht den Kompressionsmodul des Volumens, da diese Größe die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung direkt widerspiegelt und es außerdem einfacher ist, die spezifischen Werte dieser Größe für verschiedene Materialien zu ermitteln. Es bedarf also eines kleinen Anstoßes, um eine Konvertierung herbeizuführen.

Schematische Darstellung der Gefäßspannung | Bild aus [6]

Was hier berücksichtigt werden muss, ist die radiale Reaktion unter Verwendung des verallgemeinerten Hookeschen Gesetzes, d. h. Spannung = Dehnungsmodul der Elastizität.

Beachten Sie die geometrischen Zusammenhänge:

Hier ist die Dicke der Blutgefäße, also erhalten wir:

Wandeln Sie dann das infinitesimale Element in das infinitesimale Element der relativen Volumenänderung um:

So erhalten wir den Gefäßvolumenkompressionsmodul, ausgedrückt durch den Elastizitätsmodul

Weiterhin ermitteln wir den Volumenkompressionsmodul des Blutgefäß-Blut-Kopplungssystems und definieren einen Koeffizienten:

Dann

Mission erfüllt! Es ist ersichtlich, dass sich nach dem Hinzufügen von Blutgefäßen die Änderung der Wellengeschwindigkeit des Systems als Multiplikationskoeffizient widerspiegelt, der eine Funktion des Verhältnisses des Blutvolumenkompressionsmoduls zum Elastizitätsmodul des Gefäßkörpers ist.

Schauen wir uns einige konkrete Beispiele an:

(1) Unter der Annahme, dass die Blutgefäße starr sind (Stahlrohre), dann ist die erhaltene Wellengeschwindigkeit gleich der Wellengeschwindigkeit des Blutsystems, die nahe an der Schallgeschwindigkeit in physiologischer Kochsalzlösung liegt, ungefähr

(2) Stellen Sie sich vor, dass es sich bei den Blutgefäßen um Plexiglasröhren (PMMA) handelt. Dadurch wird die Geschwindigkeit stark reduziert.

(3) Bei einem realen Blutgefäßsystem beträgt dieses Verhältnis ungefähr , also erhalten wir .

Da die Blutgefäße weicher und elastischer werden, nimmt die Geschwindigkeit der Pulswelle schnell ab. Die erhaltenen Ergebnisse stimmen auch mit der tatsächlich gemessenen Wellengeschwindigkeit überein. Nun können wir mit einiger Genauigkeit sagen, dass der Puls im Vergleich zum Herzen um etwa das eine oder andere Grad verzögert ist.

Wenn wir weiter folgern, können wir zu dem Schluss kommen, dass die innere Energie der Ausdehnung und Kontraktion von Blutgefäßen 10.000-mal so hoch ist wie die des Blutes[1]! Das heißt, die meiste Energie des Herzschlags wird über die Blutgefäße und nicht durch das Blut übertragen. Das heißt, das Herz ist eher ein „Pulswellengenerator“ als eine „Pumpe“.

Viele Inspirationen

Es macht nichts, wenn Sie sich die Formel nicht merken können. Der Schlüssel liegt darin, dass wir die folgenden zwei Tatsachen entdeckt haben:

1. Die Energie eines schlagenden Herzens wird in Form einer Pulswelle übertragen, bei der es sich um eine komplexe Welle mit Flüssigkeits-Feststoff-Kopplung handelt.

2. Die Geschwindigkeit und Wellenform der Pulswelle werden durch die Eigenschaften der Blutgefäße und des Blutes beeinflusst. Der physiologische Zustand der Blutgefäße kann viele Probleme widerspiegeln!

Dies wird zu einem neuen Verständnis vieler Themen führen!

Was den Nährstofftransport betrifft: Nährstoffe gelangen aus dem Blut ins Gewebe, und der Blutfluss allein reicht nicht aus. Tatsächlich weist die Pulswelle unter dem Herzschlag eine Wellenform wie diese auf:

Schematische Darstellung der Druckänderungen während des Pulswellenzyklus, wobei die vertikale Achse die Druckamplitude darstellt. AB entspricht dem steigenden Zweig und letzterer entspricht dem entladenden Zweig | Abbildung aus [4]

Wohin auch immer die von jedem Herzschlag hervorgerufene Pulswellenoberfläche gelangt, gibt es einen aufsteigenden Druckzweig, gefolgt von einem absteigenden Zweig. Durch das Heben und Senken wird der Blutfluss und die Nährstoffübertragung abgeschlossen.

Am Beispiel von Sauerstoff hängt der Prozentsatz der Sauerstoffbindung von Hämoglobin vom Sauerstoffpartialdruck im Blut ab, der wiederum proportional zum Gesamtblutdruck ist. Das heißt, die Sauerstoffkonzentration ändert sich mit dem durch die Pulswelle erzeugten Druck und Sauerstoff wird entsprechend an verschiedene Gewebe abgegeben. Dies weicht stark von der intuitiven Ansicht ab, dass Sauerstoff mit dem stetigen Blutfluss transportiert wird. Dies bedeutet auch, dass der menschliche Körper Sauerstoff mit einer Pulswellengeschwindigkeit (10¹m/s) transportieren kann, die viel schneller ist als die Blutpartikelflussrate (10-1m/s).

Die Bemühungen der Menschen um künstliche Herzen können auch die tatsächliche Rolle des Herzens deutlich widerspiegeln.

Merkmale eines künstlichen Herzens | Bild aus [3]

Wenn das Herz seine Funktion nicht mehr erfüllen kann, kann ein künstliches Herz erforderlich sein, um seine Funktion zu ersetzen. Bei der Entwicklung künstlicher Herzen imitierte man zunächst den Herzschlag und schuf so die erste Generation pulsierender Pumpen. Die so entstandenen Geräte waren allerdings groß und verschleißten extrem schnell. Später wurde die Axialpumpe der zweiten Generation mit dem Ziel entwickelt, den Blutfluss zu fördern. Um den ursprünglichen Blutflusseffekt zu erzielen, war jedoch eine sehr hohe Rotationsgeschwindigkeit erforderlich, die leicht zu großen Schäden an den wirksamen Bestandteilen des Blutes im künstlichen Herzen führte. Schließlich löste die dritte Generation der Magnetschwebe-Kreiselpumpe das Problem der Zerstörung von Blutbestandteilen.

Man hat jedoch festgestellt, dass die zum bloßen Antreiben des Blutflusses erforderliche Kraft weitaus größer ist als die Arbeitsleistung des Herzens selbst. und die Steady-Flow-Push-Methode führt nicht nur nicht dazu, dass Nährstoffe effektiv an verschiedene Gewebe und Organe abgegeben werden, sondern führt auch dazu, dass das Herz-Kreislauf-Gewebe aufgrund des Verschwindens der Pulswelle allmählich an Elastizität verliert, was schließlich zu schweren Herz-Kreislauf-Erkrankungen führt. Auch das derzeitige Design künstlicher Herzen muss durch periodische Veränderungen einen pulsierenden Blutfluss erzeugen, um die ursprüngliche Wirkung des Herzens zu erzielen.

Wir haben bereits erwähnt, dass Informationen wie Geschwindigkeit und Wellenform der Pulswelle von den mechanischen Eigenschaften der Blutgefäße und des Blutes abhängen. Ein naheliegender Gedanke ist, dass die Art der Pulswelle den Gesundheitszustand des menschlichen Körpers gut widerspiegeln kann! Das ist es! Herz-Kreislauf- und zerebrovaskuläre Erkrankungen sind die Todesursache Nummer eins beim Menschen (weit vor Krebs) und stellen eine enorme Bedrohung für die menschliche Gesundheit dar. Die Pulswelle kann bis zu einem gewissen Grad Informationen über den Gesundheitszustand der Blutgefäße widerspiegeln [2], wie beispielsweise:

Vergleich der Pulswellen zwischen normalen Menschen und Menschen mit Arteriosklerose | Bild aus [7]

Durch die Messung der Pulswellendruckänderungen an verschiedenen Stellen kann der Gesundheitszustand der Blutgefäße widergespiegelt werden. Bild aus [8]

Und wenn wir schon dabei sind: Fällt Ihnen noch etwas ein? Das ist richtig, es handelt sich um eine Pulsdiagnose der traditionellen chinesischen Medizin! Das Pulsdruckwellendiagramm kann mit den 28 traditionellen Pulszuständen verknüpft werden, wie zum Beispiel

Flacher Puls, Saitenpuls und Gleitpuls entsprechen unterschiedlichen Druckpulsdiagrammen | Bild aus [5]

(Der Herausgeber muss seufzen, weil er den Puls lange Zeit gefühlt hat, aber nichts gespürt hat. Können Menschen diese Art von Wellenformunterschied wirklich spüren? Der Schlüssel ist wirklich. Ich habe gehört, dass Studenten der traditionellen chinesischen Medizin lange Zeit vor dem Pulssimulator üben müssen. Ich kann nicht anders, als zu seufzen, weil jeder Beruf seine eigenen Spezialgebiete hat.)

Ich werde es hier nicht im Detail vorstellen. Interessierte Studierende können mehr darüber erfahren~

Es stellt sich heraus, dass Schwankungen ganz in unserer Nähe sind. Jeder Herzschlag breitet sich in Form einer Pulswelle entlang der ultraflexiblen Blutgefäße aus und ermöglicht so eine effiziente Nährstoffzufuhr. So entsteht eine wunderschöne Lebensmelodie, die uns über die Großartigkeit des Lebens staunen lässt! Ich hoffe, dass die eingehende Erforschung der Pulswellen in Zukunft einen größeren Beitrag zur menschlichen Gesundheit leisten kann.

Hinweis: Dieser Artikel stellt keine medizinische Beratung dar, sondern ist lediglich eine Diskussion der Biomechanik. Bitte befolgen Sie bei gesundheitlichen Problemen den Rat Ihres Arztes.

Cover aus [8]

Quellen:

[1] Wang Hui, Wang Lili, Miao Fuxing et al. Zur „Pumpentheorie“ und „Wellentheorie“ der Herzfunktion[J]. Explosion und Schockwellen, 2020, 40(11): 4-13.

[2] Zhang Jing, Sun Lijuan. Anwendungswert der ultraschnellen Pulswellentechnologie bei Arteriosklerose bei Patienten mit metabolischem Syndrom[J]. Anhui Medicine, 2023, 27(10): 2081-2085+2125.

[3] Der aktuelle Stand und die Zukunft künstlicher Herzen

[4] Liu Jian. Beurteilung und Quantifizierung der Pulswellenformqualität bei der oszillometrischen Blutdruckmessung[D]. Southeast University, 2022. DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2022.000465.

[5] Pulsdiagnose der modernen chinesischen Medizin. Peking: People's Medical Publishing House, 2006

[6] Miao Fuxing, Wang Hui, Wang Lili et al. Beziehung zwischen Blutgefäß-Kopplungseigenschaften und Pulswellenausbreitungseigenschaften [J]. Explosion und Schockwellen, 2020, 40(04): 4-13.

[7] Wang Lili, Wang Hui, Yang Liming et al. Zum Kern der objektiven und quantitativen Erforschung der Pulswelle[J]. Chinesisches Journal für Traditionelle Chinesische Medizin, 2017, 32(11): 4855-4863.

[8] Das Geheimnis des menschlichen Körpers: Den Puls des Lebens erfassen – Die Entwicklung der modernen Pulswellenforschung

Dieser Artikel wurde vom offiziellen Konto „Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences“ (ID: cas-iop) reproduziert.