background image

43 

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

 

Session 4: 

 

Lecture 7: 

 

Physics of Cardiovascular System 

Objectives: after the end of this lecture, the student must know: 

1- The principle laws that govern the heart structure and function 

2-  Blood pressure and its measurement 

3- Types of blood flow (laminar and turbulent) and its application in diseases. 

 

The blood is pumped by contraction of the heart muscle, from left ventricle at 

pressure of 125 mmHg and finally into very fine meshwork or capillary bed for 

few seconds the blood supplies O2 to cells and picks up CO2. Adult has about 4.5 

liters of blood, each section of heart pumps 80 ml with each contraction. 

The combination of RBC and plasma causes blood to have flow properties 

different from those of fluid like water. 

Starling law: 

fluid movement through capillary wall= the hydrostatic pressure 

 

(p) across the capillary wall+ osmotic pressure bringing fluid in. 

 

Work Done By The Heart 

 

Left side of the heart systole pressure= 120 mmHg 

Right side of the heart diastolic pressure= 80 mmHg 

Above caused by following: 

1-  The left side of the heart three times thicker than right side. 

 

2-  The circular shape of left ventricle producing pressure larger than elliptical 

shape of right ventricle. 


background image

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

The work done= P∆V 

 

Blood Pressure And Its Measurement 

 

The  instruments  called  Sphygmomanometer,  the  sound  heard  with 

stethoscope called Kortokoff or K sounds. 

The onset of K indicate systolic pressure precision ± 2 mmHg 

The fade of k indicates diastolic pressure precision ± 5 mmHg 

Pressure Across Blood Vessel Wall 

 

The pressure drops in the capillaries which have thin walls (1 μm) permit easy 

diffusion of O2 and CO2, the capillary do not burst according to Laplace law 

Consider a tube of radius  R 

F = 2 R P 

 

P blood pressure 

 

T tension in the wall 

 

2T = 2 R P 

T = R P 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 


background image

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

Bernoulli’s principle Applied To Cardiovascular System 

 

Bernouli’s principle 

is based on the law of conservation of energy 

 

Increasing KE (kinetic energy) obtained by reduction of PE, the pressure in the 

tube 

Average K E of 1 gm ( 1 cm

3

 ) of blood as it leaves the heart 

KE= 1/2 mv

2

 

v= 30cm/ sec 

KE=1/2x1x(30)= 450 erg/ cm³ 

 

 

 

 

 

 

 

 

How Fast Does Your Blood Flow 

Capillaries about  20 μm diameter, there total cross-sectional area  30 cm. The 

blood velocity V inversely related to the total cross-section area of the vessels 

carrying blood. 

 


background image

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

Figure 7-1: 

relationship between cross sectional area of vessel and velocity of 

blood flow. 

Viscosity of blood= 3x10

-3

 to 4x10

-3

 Pas. Depending on RBC in the blood or 

Hematocrit. 

Hematocrit   α Viscosity 

Viscosity α  Temperature 

 

Figure 7-2

: relationship between hematocrit and velocity of blood flow 

 

Blood Flow Laminar And Turbulent 

 

Laminar (

silent) if all blood flow were laminar information could not be 

obtained from the heart with stethoscope 

If increase the velocity of the fluid in the tube by reduction the radius it will 

reach the critical velocity Vc, when laminar flow change into turbulent flow. The 

critical velocity will be lower if there is restriction or obstruction in the tube. 

Osborne Rynold studied the property in 1883 

 

Vc  = k η  / ρ R 
 
R ; radius of the tube  
K ; constant  1000 for many fluid 
 
For aorta has radius  =  1 cm  in adults  


background image

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

Vc  = ( 1000 ) ( 4 x 10 

-3

pas )  /  ( 10 ³ kg / cm³ ) ( 10̄

-2

m ) = 0.4 m /s 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

 

 

Figure 7-3: 

effect of gradual tapering of tube on velocity 

 
 
The Physics Of Some Cardiovascular Diseases 

 

Work load of heart increases by ;  

1-  Hypertension 

       2- Tachycardia 
 

Disease 

 

1-  Heart attack, caused by blockage one or more arteries of the heart muscle. 

the blockage does not always immediately affect the electrical signal and a 


background image

48 

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

person has heart attach may still have normal  ECG. 

2-  Congestive heart failure, characterized by enlargement of the heart and 

reduction in the ability of the heart to provide adequate circulation. 

Medical treatment of congestive heart failure help to reduce the work load on 

the heart. 

3-  Heart valve defects are of two types, the valve either does not open enough 

(stenosis) or it does not close well enough (insufficiency) 

The Physics OF Cardiovascular Diseases Involving In The Blood Vessels 

 

1-  A more common vessel problems is the formation sclerotic plaques on the 

wall of the artery, increase the velocity in that region with a decrease in 

wall pressure because of Bernoulli effect. 

2-  If the valve defective and let the blood run back down it will pool in the 

vein, and the vein will become varicose. 

The viscosity of blood depends on temperature change from (37-0 ) increases 

the velocity of blood by a factor  2.5 in addition to viscosity , 

other factors affect the flow of blood in the vessel; the pressure difference 

from one end to the other, the length of the vessel, and its radius. 

Poiseulle’s law stats that the flow of a given tube depends on the pressure 

difference from one end to the other P1-P2, the length of the tube L, the 

radius R and viscosity of blood. 

Flow rate =  ( P1- P1 ) (  Π / 8 ) ( 1/ η ) ( R4 / L ) 

 

If radius is doubled the flow rate increases by  24 or by 16. This law applies 

to the rigid tubes of constant radius, since the major arteries have elastic walls 

and expand slightly at each heartbeat, so blood does not obey this law exactly 


background image

49 

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

in addition the blood viscosity changes slightly with flow rate, however this 

effect is negligible. 

A disease clinically causes varicose vein, these enlarged surface veins in the 

legs results from a failure of the one way valves in the veins. 

The pressure in the leg vein is about 90 mmHg (115 cm of blood) due to a 

column of blood above it. 

The slandered treatment for varicose veins is surgical removal of offending 

vessels. There are usually adequate parallel veins to carry the blood back to the 

heart. 




رفعت المحاضرة من قبل: علي الشبري
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 180 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل