ปรากฏการณ์วินด์เคสเซล (ภาษาเยอรมัน: Windkesseleffekt) เป็นคำที่ใช้ในทางการแพทย์เพื่ออธิบายรูปร่างของ คลื่น ความดันโลหิตแดงในแง่ของปฏิสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรเลือดที่สูบฉีดออกจากหัวใจและความยืดหยุ่นของหลอดเลือดแดงใหญ่และ หลอดเลือดแดงที่ มีความยืดหยุ่น ขนาดใหญ่ (หลอดเลือดวินด์เคสเซล) และความต้านทานของหลอดเลือดแดงขนาดเล็กและหลอดเลือดฝอยวินด์เคสเซล เมื่อแปลอย่างคร่าวๆ จากภาษาเยอรมันเป็นภาษาอังกฤษ หมายถึง 'ห้องอากาศ' ^{[ 1 ] [ 2 ]}แต่โดยทั่วไปแล้วมักหมายถึงอ่างเก็บน้ำที่มีความยืดหยุ่น [ ^{3 ] ผนัง}ของหลอดเลือดแดงที่มีความยืดหยุ่นขนาดใหญ่ (เช่นหลอดเลือดแดง ใหญ่ หลอดเลือดแดงแคโรติดทั่วไป หลอดเลือดแดงซับคลาเวียนและหลอดเลือดแดง ปอด และแขนงขนาดใหญ่) ประกอบด้วยเส้นใยยืดหยุ่นที่สร้างจากอีลาสตินหลอดเลือดเหล่านี้จะขยายตัวเมื่อความดันโลหิตสูงขึ้นในช่วงซิสโตลและหดตัวเมื่อความดันโลหิตลดลงในช่วงไดแอสโตล เนื่องจากอัตราการไหลของเลือดที่เข้าสู่หลอดเลือดแดงที่มีความยืดหยุ่นเหล่านี้สูงกว่าอัตราการไหลของเลือดที่ออกจากหลอดเลือดเหล่านี้ผ่านทางความต้านทานส่วนปลายจึงทำให้มีการสะสมของเลือดสุทธิในหลอดเลือดแดงใหญ่และหลอดเลือดแดงขนาดใหญ่ในช่วงหัวใจบีบตัว และจะถูกระบายออกในช่วงหัวใจคลายตัว ดังนั้น ความยืดหยุ่น (หรือความสามารถในการยืดตัว ) ของหลอดเลือดแดงใหญ่และหลอดเลือดแดงขนาดใหญ่จึงเปรียบได้กับตัวเก็บประจุ (โดยใช้การเปรียบเทียบทางไฮดรอลิก ) กล่าวอีกนัยหนึ่ง หลอดเลือดเหล่านี้โดยรวมแล้วทำหน้าที่เหมือนเครื่องสะสมไฮดรอลิก

ผลของวินด์เคสเซลช่วยลดความผันผวนของความดันโลหิต ( ความดันชีพจร ) ตลอดวงจรการเต้นของหัวใจและช่วยรักษาการไหลเวียน ของเลือดไปยังอวัยวะต่างๆ ในช่วงไดแอสโตลเมื่อการสูบฉีดของหัวใจหยุดลง แนวคิดของวินด์เคสเซลได้รับการกล่าวถึงโดยGiovanni Borelliแม้ว่าStephen Halesจะอธิบายแนวคิดนี้ได้ชัดเจนยิ่งขึ้นและเปรียบเทียบกับห้องอากาศที่ใช้ในเครื่องดับเพลิงในศตวรรษที่ 18 ^{[ 4 ]} Otto Frankนักสรีรวิทยาชาวเยอรมันผู้ทรงอิทธิพล ได้พัฒนาแนวคิดนี้และวางรากฐานทางคณิตศาสตร์ที่มั่นคง^{[ 2 ]}แบบจำลองของ Frank บางครั้งเรียกว่าวินด์เคสเซลแบบสององค์ประกอบเพื่อแยกความแตกต่างจากแบบจำลองวินด์เคสเซลที่ใหม่กว่าและซับซ้อนกว่า (เช่น แบบจำลองวินด์เคสเซลแบบสามหรือสี่องค์ประกอบและแบบไม่เชิงเส้น) ^{[ 5 ] [ 6 ]}

สรีรวิทยาของวินด์เคสเซลยังคงเป็นคำอธิบายที่เกี่ยวข้องแต่ล้าสมัยซึ่งมีความสำคัญทางคลินิก นิยามทางคณิตศาสตร์ดั้งเดิมของซิสโตลและไดแอสโตลในแบบจำลองนั้นเห็นได้ชัดว่าไม่ใช่เรื่องใหม่ แต่ในที่นี้ได้ถูกแบ่งออกเป็นสี่ระดับพื้นฐาน การไปถึงห้าระดับจะเป็นงานวิจัยใหม่

โดยทั่วไปถือว่าอัตราส่วนของความดันต่อปริมาตรคงที่ และการไหลออกจากวินด์เคสเซลเป็นสัดส่วนกับความดันของของเหลว การไหลเข้าเชิงปริมาตรต้องเท่ากับผลรวมของปริมาตรที่เก็บไว้ในองค์ประกอบตัวเก็บประจุและการไหลออกเชิงปริมาตรผ่านองค์ประกอบตัวต้านทาน ความสัมพันธ์นี้อธิบายได้ด้วยสมการเชิงอนุพันธ์ :

${\displaystyle I(t)={P(t) \over R}+C{dP(t) \over dt}}$

I(t)คือปริมาณการไหลเข้าเนื่องจากปั๊ม (หัวใจ) และวัดเป็นปริมาตรต่อหน่วยเวลา ในขณะที่P(t)คือความดันเทียบกับเวลาที่วัดเป็นแรงต่อหน่วยพื้นที่Cคืออัตราส่วนของปริมาตรต่อความดันสำหรับ Windkessel และRคือความต้านทานที่สัมพันธ์กับการไหลออกต่อความดันของของเหลว แบบจำลองนี้เหมือนกับความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าI(t)และศักย์ไฟฟ้า P (t)ในวงจรไฟฟ้าที่เทียบเท่ากับแบบจำลอง Windkessel สององค์ประกอบ

ในการไหลเวียนของเลือด องค์ประกอบแบบพาสซีฟในวงจรจะถือว่าแทนองค์ประกอบในระบบหัวใจและหลอดเลือด ตัวต้านทานRแทนความต้านทานส่วนปลายทั้งหมด และตัวเก็บประจุCแทนความยืดหยุ่นของหลอดเลือดแดงทั้งหมด^{[ 7 ]}

ในช่วงไดแอสโตลจะไม่มีเลือดไหลเข้าเนื่องจากลิ้นหัวใจเอออร์ติก (หรือลิ้นหัวใจพัลโมนารี) ปิดอยู่ ดังนั้นจึงสามารถแก้สมการ Windkessel สำหรับP(t) ได้ เนื่องจากI(t) = 0:

${\displaystyle P(t)=P(t_{d})e^{-(t-t_{d}) \over (RC)}}$

โดยที่t _dคือเวลาเริ่มต้นของช่วงคลายตัวและP(t _d )คือความดันโลหิต ณ จุดเริ่มต้นของช่วงคลายตัว แบบจำลองนี้เป็นเพียงการประมาณคร่าวๆ ของการไหลเวียนของหลอดเลือดแดงเท่านั้น แบบจำลองที่สมจริงกว่านั้นจะรวมองค์ประกอบต่างๆ มากขึ้น ให้การประมาณค่าคลื่นความดันโลหิตที่สมจริงกว่า และจะกล่าวถึงในรายละเอียดต่อไป

แบบจำลอง Windkessel สามองค์ประกอบนั้นดีกว่าแบบจำลองสององค์ประกอบ โดยการเพิ่มองค์ประกอบต้านทานอีกหนึ่งตัวเพื่อจำลองความต้านทานต่อการไหลของเลือดอันเนื่องมาจากความต้านทานเฉพาะของหลอดเลือดแดงใหญ่ (หรือหลอดเลือดแดงปอด) สมการเชิงอนุพันธ์สำหรับแบบจำลองสามองค์ประกอบมีดังนี้:

${\displaystyle (1+{R_{1} \over R_{2}})I(t)+CR_{1}{dI(t) \over dt}={P(t) \over R_{2}}+C{dP(t) \over dt}}$

โดยที่R ₁คือความต้านทานลักษณะเฉพาะ (ซึ่งถือว่าเทียบเท่ากับอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ) ^{[ 7 ]}ในขณะที่R ₂แสดงถึงความต้านทานรอบนอก แบบจำลองนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะแบบจำลองที่ยอมรับได้ของระบบไหลเวียนโลหิต^{[ 5 ]}ตัวอย่างเช่น มีการใช้เพื่อประเมินความดันโลหิตและการไหลเวียนในหลอดเลือดแดงใหญ่ของตัวอ่อนไก่^{[ 8 ]}และหลอดเลือดแดงปอดในหมู^{[ 8 ]}รวมถึงเป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างแบบจำลองทางกายภาพของระบบไหลเวียนโลหิตที่ให้ภาระที่สมจริงสำหรับการศึกษาเชิงทดลองของหัวใจที่แยกออกมา^{[ 9 ]}

แบบจำลองสามองค์ประกอบประเมินค่าความสอดคล้องสูงเกินไปและประเมินค่าความต้านทานลักษณะเฉพาะของการไหลเวียนต่ำเกินไป^{[ 7 ]} แบบจำลองสี่องค์ประกอบประกอบด้วย ตัว เหนี่ยวนำLซึ่งมีหน่วยเป็นมวลต่อความยาว ( ) เข้าไปในส่วนประกอบใกล้เคียงของวงจรเพื่ออธิบายความเฉื่อยของการไหลของเลือด ซึ่งถูกละเลยในแบบจำลองสองและสามองค์ประกอบ สมการที่เกี่ยวข้องคือ: ${\displaystyle {M \over l^{4}}}$

${\displaystyle (1+{R_{1} \over R_{2}})I(t)+(R_{1}C+{L \over R_{2}}){dI(t) \over dt}+LC{d^{2}I(t) \over dt^{2}}={P(t) \over R_{2}}+C{dP(t) \over dt}}$

แบบจำลองเหล่านี้เชื่อมโยงการไหลเวียนของเลือดกับความดันโลหิตผ่านพารามิเตอร์R, C (และในกรณีของแบบจำลองสี่องค์ประกอบL)สมการเหล่านี้สามารถแก้ไขได้ง่าย (เช่น โดยใช้ MATLAB และส่วนเสริม SIMULINK) เพื่อหาค่าความดันเมื่อกำหนดอัตราการไหลและ พารามิเตอร์ R, C, Lหรือหาค่าR, C, Lเมื่อกำหนดอัตราการไหลและความดัน ตัวอย่างของแบบจำลองสององค์ประกอบแสดงไว้ด้านล่าง โดยที่I(t)แสดงเป็นสัญญาณอินพุตในช่วงซิสโตลและไดแอสโตล ซิสโตลแสดงด้วย ฟังก์ชัน ไซน์ในขณะที่การไหลในช่วงไดแอสโตลเป็นศูนย์sแทนระยะเวลาของวงจรหัวใจ ในขณะที่Tsแทนระยะเวลาของซิสโตล และTdแทนระยะเวลาของไดแอสโตล (เช่น ในหน่วยวินาที)

${\displaystyle I(t)=I_{o}\sin[{(\pi *{t \over s}) \over Ts}]{\text{ สำหรับ }}{t \over s}\leq Ts}$

${\displaystyle I(t)=0{\text{ สำหรับ }}Ts<(Td+Ts)}$

'ผลของวินด์เคสเซล' จะลดลงเมื่ออายุมากขึ้น เนื่องจากหลอดเลือดแดงที่มีความยืดหยุ่นจะมีความยืดหยุ่นน้อยลง ซึ่งเรียกว่าหลอดเลือดแดงแข็งตัวหรือหลอดเลือดแดงแข็งอาจเป็นผลมาจากการแตกตัวและการสูญเสียอีลาสติน^{[ 10 ]}การลดลงของผลของวินด์เคสเซลส่งผลให้ความดันชีพจร เพิ่มขึ้นสำหรับ ปริมาตรเลือดที่สูบฉีดออกจากหัวใจในแต่ละครั้งความดันชีพจรที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้ความดันซิสโตลิกสูงขึ้น ( ความดันโลหิตสูง ) ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงต่อกล้ามเนื้อหัวใจตายโรคหลอดเลือดสมองหัวใจล้มเหลวและโรคหัวใจและหลอดเลือดอื่นๆ อีกหลายชนิด^{[ 11 ]}

แม้ว่า Windkessel จะเป็นแนวคิดที่เรียบง่ายและสะดวก แต่ก็ถูกแทนที่ด้วยวิธีการที่ทันสมัยกว่าซึ่งตีความรูปแบบคลื่นความดันและการไหลของหลอดเลือดแดงในแง่ของการแพร่กระจายและการสะท้อนของคลื่น^{[ 12 ]}ความพยายามล่าสุดในการบูรณาการการแพร่กระจายของคลื่นและวิธีการ Windkessel ผ่านแนวคิดอ่างเก็บน้ำ^{[ 13 ]}ได้รับการวิพากษ์วิจารณ์^{[ 14 ] [ 15 ]}และเอกสารฉันทามติล่าสุดได้เน้นย้ำถึงลักษณะคล้ายคลื่นของอ่างเก็บน้ำ^{[ 16 ]}

• ตัวสะสมแรงดันไฮดรอลิก  – อ่างเก็บและรักษาระดับแรงดันของของเหลว