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1、第四章心脏力学基础,第一节心脏的构造,心脏是循环系统的动力源。从循环力学观点看来，我们要从理论上分析心脏及心内血液动力学行为，就应该知道它的几何形状、组织结构、生物力学特性以及电、化学、神经活动对心肌力学特性的影响等。,1,循环力学04第四章A2,从组织结构上看，四个瓣膜位于同一平面。二尖瓣与三间瓣较主动脉瓣与肺动脉瓣面积大。,左心房,一 房室结构,2,循环力学04第四章A2,二心肌走向,图右给出给出了心室壁肌纤维的走向：,心外膜相邻的肌纤维自心底到尖纵向排列，随着从外到内深度的增加，肌纤维连续地逆时针旋转，在中面上肌纤维平行于基底。,在内膜处，肌纤维开始为纵向排列，然后，继续顺时针旋转，在中
2、面上肌纤维平行于基底。,3,循环力学04第四章A2,若肌纤维与基底平面夹角为，随深度变化见右图。,图给出给出了心室壁肌纤维的走向,900,00,-900,4,循环力学04第四章A2,第二节心电系统,一 心电信息传输系统,心电信号通过心脏内不同部位心肌按一定时间顺序激活心脏。,心脏存在一完整的电信息传输系统。 图421心电系统及心脏不同部位的动作电位,(一) 窦房结,5,循环力学04第四章A2,6,循环力学04第四章A2,(二)房室结,7,循环力学04第四章A2,(三)希氏带,8,循环力学04第四章A2,(四)心肌细胞,9,循环力学04第四章A2,二 心电图的形成,( 一) 心肌产生心电以不同传
3、播速按一定时序进行。,(三) 心电传播速度先于压力 波传 播速度。,(二) 形成的PQRST波描写不同心 肌部位传播的电信号。,(四) 心脏某部分心电信号异常，必然 反映该部分心肌力 学特 性 改变。,p,QRS,T,10,循环力学04第四章A2,三 心搏动的力学过程,( 一) 特点：,图4-2-2左、右心室收缩模式,11,循环力学04第四章A2,左心 1. 左心房压力 12 mm Hg 2. 左心室压力 峰值收缩压 100-150 mm Hg 峰值舒张压 12 mm Hg 3.主动脉 舒张压 60-100 mm Hg,2 心脏压力与容积分布情况,(1) 表4-3-1列出了正常人心脏在心搏过程
4、中 的特 征压力 和容积。,表4-3-1正常人心脏的压力与枳,12,循环力学04第四章A2,收缩压 100-150 mm Hg 右心 1. 右心房压力 6 mm Hg 2. 右心室压力 峰值收缩压 15-30 mm Hg 舒张压末 6 mm Hg 3. 肺动脉 收缩压 15-50 mm Hg 舒张压 4-12 mm Hg,13,循环力学04第四章A2,左心容枳 1. 左心舒张期未容积 70-100 mm l /m2 (单位人体表面积：下同) 2. 左心收缩期末容积 25-35 mm l / mm2 3. 每搏心输出量 40-70 ml/m2 4. 射血指数(每搏心输出量/舒张期末容量) 2.8
5、-4.21/min/m2 心率： 60-100次/分 心输出指数 2.8-4.2L/min/m2 体循环血管阻力： 770-1500dynscm-5,14,循环力学04第四章A2,表4-2-2心脏尺寸及心输出量测量方法,(2 )表4-2-2列出了心腔尺寸和心输出量的常用测量方法。,. 1 应变计 塑料管里装水银： 壁厚 壁应力 2.电导 3.阻抗 4.超声晶体 5.X射线摄影 6.腔室造型,1 应变计 2 X射线摄影 3腔室造型,1. X射线摄影 2 导管(超声， 应变计) 3.超声反射 4.指示剂稀释 5.放射同位素,1.X 射线摄影 2.导管(超声， 应变计) 3.指示剂稀释 4.放射同位
6、素,15,循环力学04第四章A2,图4-2 -3给出了清醒状态下，测得的狗的左心室尺寸的变化。,在等容收缩期心室成旋转椭球形。,左心室与主动脉压力增大，右心房压变化甚小L,主动脉流量与左心室压力增大，右心房压变化甚小,16,循环力学04第四章A2,三 心搏动力学过程与心电活动的关系,图4-2-4 给出了心脏动力学过程与电活动的关系：,(一) 各曲线表示意义,1最底下是心电图(ECG)。P波表示心房电活动，QRS则表示心室的去极化过程，T波表示心室再极化。,图4-2-4 心博动力学过程与心电活动的关系,心电先于力学波极活,17,循环力学04第四章A2,2 瓣膜运动如图中部：A代表主动脉瓣，P代表
7、肺动脉瓣，T为三间瓣，M为二间瓣，O表示开，C表示关。,左室容积曲线,18,循环力学04第四章A2,心尖博动图,a,C,IC,左室容积曲线,3 心电图上面的曲线表示心尖位移：a 波相当于血液从左心房注入左心室，即充盈期，IC表示等容收缩过程，它终止于c，这是心尖达到的最外位置。,19,循环力学04第四章A2,O,C,IR,心尖博动图,充盈过程,左室容积曲线,20,循环力学04第四章A2,4 左心室压力曲线：a 波是左心房收缩引起的，其后是左心室等容收缩期。当主动脉辫打开后，左心室容积由于射血而锐减。,a,21,循环力学04第四章A2,等容舒张期，容积大致不变，直到二间辫打开，心室充盈，容量剧增
8、。,22,循环力学04第四章A2,5 右心室压力曲线与左心室压力相似，只是幅值较低。,23,循环力学04第四章A2,(1)心室充盈期AB，此时心脏舒张，心肌松弛。,四 左心室压力容积曲线,图3-2-5给出了一心动周期内，左心室左力容积曲线。,(2)等容收缩期BC，在C点，主动脉瓣打开。,(3)射血期CD，在D点，主动脉辫关闭。,(4)等容舒张期DA。,(5)整个封闭回线的面积等于心脏每搏动一次所作的功。,24,循环力学04第四章A2,第三节关于心脏的几个流体力学问题,主动脉辫由三个半月形的薄膜组成。在主动脉根部，有三个凹坑，称为瓦耳萨耳瓦氏窦，在辩膜关闭过程中起重要作用。肺动脉结构与此相似。,
9、本节出将讨论心脏工作时的几个重要的流体力学问题。,25,循环力学04第四章A2,26,循环力学04第四章A2,一 心辫膜关闭机理,健康人的瓣膜打开时流阻极小，在很小压力下立即关闭，几乎没有倒流。瓣膜由胶原纤维组成，其关闭全由流体动力学原理控制。瓣膜的开启原理不难理解，引起争议的是关闭原理，简介如下：,27,循环力学04第四章A2,(一) 实验1.,图4-3-1 Henderson 与Johnson 实验1示意图,Henderson 与Johnson通过下列一系列实验解释了瓣膜的关闭原理。如图4-3-1所示:,用一根管子，上端与有色液体容器连通，下端插入一杯清水中。,1 当活塞打开，图中(a)可
10、见到一股清的射流。,28,循环力学04第四章A2,2如果关闭活塞，阻止水流， (b)图 所示，当管流突然终止，射流续继向前，在管口中断，两旁清水却涌向管口。,29,循环力学04第四章A2,图4-3-2 Henderson 与Johnson 实验2示意图,(二)实验2,如图4-3-2所示：在直管旁 加一曲管，形成D形管。D形管进口处装上中心瓣膜。一开始，流体从直管流进水箱，弯曲管里无流体流动。,30,循环力学04第四章A2,一旦直管下端将管关闭，则D形管内就可以看到回流。,31,循环力学04第四章A2,(三) 实验3.,如图4-3-3所示：用一根直玻璃管，下端套一段很软的橡皮管。,图4-3-3
11、Henderson 与Johnson 实验3示意图,32,循环力学04第四章A2,图4-3-2 Henderson 与Johnson 实验2示意图,(二)实验2,如图4-3-2所示：在直管旁 加一曲管，形成D形管。D形管进口处装上中心瓣膜。一开始，流体从直管流进水箱，弯曲管里无流体流动。,33,循环力学04第四章A2,上述实验的装置情况与心辫膜相似，其解释为：“减速度产生压力，压力关闭瓣膜。”,以实验2为例，可对上述实验加以理论解释。,实验前弯曲管S处瓣膜关闭,如忽略重力与粘性作用，则在管内一维流体运动方程可近似表为：,34,循环力学04第四章A2,(4-3-1),式中，t 为时间，x 为流体
12、运动坐标，流体密度，p 是流体中压力。,(4-3-2),a=dv/dt=f/m,在BA段，由于管面积是常数，质量守衡定律要求U不随x而变。因此，式中第二项为零，故上式可简化为,35,循环力学04第四章A2,上式说明，假使管内的液体受减速， 是负值，则 一定是正值，即 PB-PA0。,所以，液体有减速时，B点压力比A点压力高，这两点压力差推动曲管C内液体，引起回流，推开瓣膜，而成为该图中所示的流象。,36,循环力学04第四章A2,结论：,在射血后期，流动减速，它造成逆压梯度，使主、肺动脉瓣关闭。二尖辫关闭原理与此相同 。由于瓣膜关闭是加速度引起的，故非常灵敏，基本上没有逆流。,37,循环力学04
13、第四章A2,三 主动脉瓣流动,在主动脉的边缘的部分中央流进瓦耳萨耳瓦氐窦，形成旋涡，然后再从主动脉瓣两边，流进主动脉。,图4-3-4主动脉瓣膜附近血液流动情况的简单示意图,图4-3-4是主动脉瓣膜附近血液流动情况的简单示意图。,P2,P1,38,循环力学04第四章A2,瓣膜开启时形成的旋涡，有防止瓣膜过分开张碰到窦壁的功用。,p2,p1,39,循环力学04第四章A2,瓣膜的有效运行，完全是由血流控制的，而用不着在膜缘加外力来控制。心脏乳头肌的主要功能，不在于启闭瓣膜，而在于防止瓣膜在心室收缩期因压力过大而翻转。,结论：,40,循环力学04第四章A2,第四节关于心脏的两个生物力学问题,一 心脏压
14、力与心肌壁张力,图4-4-1 心室壁张力计算示意图,(一) 心室张力计算,41,循环力学04第四章A2,则半球形心室壁所受的合应力,TTW=Pr2 (4-4-1),一单位心室壁切平面所受张力 称为张应力：即,=Pr2/2rh =pr/2h (4-4-2),42,循环力学04第四章A2,可见，上式为心室转化为心室压力能力决定于心脏大小，将上式变为,p=2h/r (4-4-3),上式表明，当心脏扩大时，即产生同样血压，也需较大张力(P=c，h=c，r大,大 ),p=大2h/r大,43,循环力学04第四章A2,(二)左心室壁总张力与左心室体积的关系,图4-4-2 一周期正常(A)、与肥大心室壁张力-
15、体积曲线(B) 。箭头表明时序。,1 由公式 TTW=Pr2 (4-4-1) 作出的左心室容积与总张力函数关系曲线如图4-3-2所示。,舒张期,等容收缩期,肥大心室在等容收缩时，心室压强迅速增加，其结果是总张力也增加。,44,循环力学04第四章A2,2 即心内压P与r2之积随心室收缩逐渐减小: TTW=Pr2 。,3 心室等容舒张时，心室壁张力在舒张期前迅速减小。,等容收缩期,射血期,等容舒张期,舒张期,射血时，心室容积与半径皆减小。由于正常心脏比异常小，虽然内压增加但由r2减小更甚，故总的心室壁张力，减小,45,循环力学04第四章A2,4 如果有心脏病(心脏肥大)，射血。,等容收缩期,射血期
16、,等容舒张期,舒张期,5 等容舒张室压减小，张力减小。,肥大心赃比正常心脏作功(面积) 大得多。,结论：,46,循环力学04第四章A2,二 左心室所作的功,在广义定义下，心脏作功指的是，描写心肌从代谢所产生的能转化为压力或血管内血流动能，即压力容积或心脏外机械功是用于反抗主动脉或肺动脉压的每搏输出量(strok volume)。,心肌代偿,糖元,化学能,内功：热能、电能等,外功：压-容、血流能等,47,循环力学04第四章A2,(一) 压力体积图,1 当心室等容收缩(AB)压力增加。,图4-3-3一心动同期内左心室压心容积曲线。ABCD面积纯压力容积功。,2 心室射血期(BC)，心室体积迅速减小
17、，而压力不断增加，,3 等容舒张期(CD)随着主动脉瓣关闭，心室压迅速降低，,4 最后心室舒张期(DA)心室血充盈，并有小的压强增加。,48,循环力学04第四章A2,由前图ABCD围成的面积为一心动周期左心室的压容功。由公式,(4-4-4 ),此处，W(左室)为左心室压力容积功。,49,循环力学04第四章A2,(4-3-5),当心脏射血到主动脉后，心脏作功包括两部份，其一为主动脉压作功及其二为转变为血流运的血流动能，即：,此时表示左心室的外功的方程(3-3-4)则变为：,50,循环力学04第四章A2,(二)左心室压力容积功与负载的关系,左心室外功可以按其对心脏所加的负荷(load)分类。例如，
18、高血压，左心室须要泵出与正常人心搏量相同的血，故需要克服较正常动脉压更高的压力，则后负荷(aftreload)增加，,故必须使压力容积图上附加一块超压功，如图4-4-5所示。,图4-4-5,51,循环力学04第四章A2,图4-4-5 A射正常体积血，要求在正常动脉压下，要求射大心搏血量的超容积功的示意图。,如果因运动量加大，心脏要射出较正常更多的心搏血量，以克服相同的动脉压，则必须要求附加的超容积功或动态功。,52,循环力学04第四章A2,(1)正常增大运动量，通常增加体积超容积功。,由此可见，,(2)异常高血压引起后负荷增加，必须克服后负荷增大的超压功。,53,循环力学04第四章A2,心脏病患者的压容功明显大于正常值，即S肥S正,S正,S肥,图4-4-5 B 肥大左心室在相同动脉压下，射正常心搏血量的作功示意图。,54,循环力学04第四章A2,(1)正常增大运动量，通常增加体积的超容积功。,(2)异常高血压后负荷增加，必须克服后负荷增大的压容功。,结论：,55,循环力学04第四章A2,