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1、第四章心脏力学基础第四章心脏力学基础第一节心脏的构造第一节心脏的构造心心脏脏是是循循环环系系统统的的动动力力源源。从从循循环环力力学学观观点点看看来来，我我们们要要从从理理论论上上分分析析心心脏脏及及心心内内血血液液动动力力学学行行为为，就就应应该该知知道道它它的的几几何何形形状状、组组织织结结构构、生生物物力力学学特特性性以以及及电、化学、神经活动对心肌力学特性的影响等。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，从组织结构上看，四个瓣膜位于同一平面。四个瓣膜位于同一平面。二尖瓣与二尖瓣与三间瓣较主动脉瓣与肺动脉瓣面积大。三间瓣较主动脉瓣与肺动脉瓣面积
2、大。左心房左心房心房、心心房、心室壁均由室壁均由心肌构成。心肌构成。心室、心房及四个半膜连接在此封闭的纤维组织构架上。封闭的纤维组织构架上唯一连接心室与心房的的肌肉是希斯氏带。一一 房室结构房室结构2循环力学04第四章A2 二心肌走向二心肌走向图图右右给给出出给给出出了了心心室室壁壁肌纤维的走向：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。心外膜心外膜心内膜心内膜在内膜处，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
3、出给出了心室壁肌纤维的走向图给出给出了心室壁肌纤维的走向心心内内膜膜心心肌肌排排列列心心外外膜膜心心肌肌排排列列中膜90000-9004循环力学04第四章A2第二节心电系统第二节心电系统一一 心电信息传输系统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( (一一) )窦房结窦房结5循环力学04第四章A2窦房结窦房结S-AS-A成 人 的 窦 房 结 S-A的 尺 寸 为253(或4)2mm3。它由小而圆的P细胞和细长过渡细胞组成，前者是起搏细胞，后者的形状介于P细胞与正常心肌细胞之间。6循环力学0
4、4第四章A2窦房结窦房结S-AS-A房室节房室节A-VA-V自S-A发出的信号以1m/s的速度直接传遍右心房，同时，通过若干特定的心肌束将信号传至左心房。此外，还通过三条肌纤维将S-A信号传至房室节A-V。( (二二) )房室结房室结7循环力学04第四章A2( (三三) )希氏带希氏带 窦房结窦房结S-AS-A希氏带沿室中隔右侧下行后分为左、右两分支。A-V是寸约为31022mm3的信号传输站，其组成与S-A类似，仅P细胞较少。S-A将来自A-V信号沿希氏带（或称房室束）传向左右心室。8循环力学04第四章A2( (四四) )心肌细胞心肌细胞窦房结窦房结S-AS-A然后以约1-4m/s的速度将电
5、信号再沿浦肯野氏纤维传遍左、右心室壁。心肌细胞以0.3-0.4m/s速度将倍号传至下一个邻近心肌细胞。9循环力学04第四章A2二二 心电图的形成心电图的形成 (一)心肌产生心电以不同传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 pQRSQRST T心房波心室波心室波室复极化波室复极化波左图给出了心室壁各部分心肌激发的顺序。10循环力学04第四章A2三三 心搏动的力学过程心搏动的力学过程 (一)特点：图4-2-2左、右心室收缩模式 由于左心室压力高于右心室，使室间
6、隔向右弯曲，从而使右心室呈风箱状。此形状使较低压力泵出大量血液。右心室射血自由壁缩短左心室射血腔室收缩对右心室壁牵引腔壁缩短11循环力学04第四章A2左心1.左心房压力12mmHg2.左心室压力峰值收缩压100-150mmHg峰值舒张压12mmHg3.主动脉舒张压60-100mmHg2 2心脏压力与容积分布情况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收收缩缩压压100-150mmHg右心右心1.右心房压力右心房压力6mmHg2.右心室压力右心室压力峰峰值值收收缩缩压压15-30mmHg舒舒张
7、张压压末末6mmHg3.肺动脉肺动脉收收缩缩压压15-50mmHg舒舒张张压压4-12mmHg13循环力学04第四章A2左心容枳左心容枳1.左心舒张期未容积左心舒张期未容积70-100mml/m2(单位人体表面积：下同单位人体表面积：下同)2.左左心心收收缩缩期期末末容容积积25-35mml/mm23.每搏心输出量每搏心输出量40-70ml/m24. 射射 血血 指指 数数 (每每 搏搏 心心 输输 出出 量量 /舒舒 张张 期期 末末 容容 量量 ) 2.8-4.21/min/m2心率：心率：60-100次次/分分心输出指数心输出指数2.8-4.2L/min/m2体体循循环环血血管管阻阻力力
8、：770-1500dynscm-514循环力学04第四章A2表表4-2-24-2-2心脏尺寸及心输出量测量方法心脏尺寸及心输出量测量方法人人动物动物人人动物动物直接测量直接测量间接测量间接测量(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2X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.放射同位素15循环力学04第四章A2图图4-2-34-2-3给出给出了清醒状态了清醒状态下，测
9、得的下，测得的狗的左心室狗的左心室尺寸的变化。尺寸的变化。在等容收缩期心室成旋转椭球形。等容收缩期,短轴缩短,壁略增厚而长轴伸长，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，右心房压变化甚小长轴长度短轴长度主动脉流量左心室压力左心房压力心室壁厚16循环力学04第四章A2三三 心搏动力学过程与心电活动的关系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图心电图PQRSTPQR
10、ST心房心房心心室室再再极极化化心房压心电先于力学波极活17循环力学04第四章A22 2瓣膜运动如图中部：瓣膜运动如图中部：A A代表主动脉瓣，代表主动脉瓣，P P代表肺动脉瓣，代表肺动脉瓣，T T为三间瓣，为三间瓣，MM为二间瓣，为二间瓣，O O表示开，表示开，C C表示关。表示关。AOAOACACMOMOMCMC主动脉压与左心室压力升高等容射血期左室容积曲线左室容积曲线左心室开始收缩压力升高充盈过程动脉切迹18循环力学04第四章A2心尖博动图心尖博动图a aC Ca波相当于血液从左心房注入左心室-充盈期等容等容收缩收缩ICIC等容收缩终止心尖达到的最外位置左室容积曲线左室容积曲线3 3 心
11、电图上面的曲线表示心尖位移：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射血期射血期O O快快慢慢C C二尖辨开二尖辨开IR IR心尖博动图心尖博动图等容射血期等容射血期充盈过充盈过程程充盈过程充盈过程左室容积曲线左室容积曲线20循环力学04第四章A2 4 4左左心心室室压压力力曲曲线线：a a波波是是左左心心房房收收缩缩引引起起的的，其其后后是是左左心心室室等等容容收收缩缩期期。当当主主动动脉脉辫辫打打开开后后，左左心心室室容容积积由由于射血而锐减。于射血而锐减。左心室左心室压力
12、曲压力曲线线左室容积曲线左室容积曲线a a左心室收缩左心室收缩左心左心室容室容积锐积锐减减等容收等容收缩期缩期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。左心室左心室压力曲压力曲线线左室容积曲线左室容积曲线等容舒张等容舒张心室充盈，心室充盈，容量剧增容量剧增等容射血期主动脉关闭22循环力学04第四章A25 5右心室压力曲线与左心室压力相似，只是幅值较低。右心室压力曲线与左心室压力相似，只是幅值较低。右心室压力右心室压力曲线曲线与左室相与左室相似，仅幅似，仅幅值较低值较低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。四四 左心
13、室压力容积曲线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第三节关于心脏的几个流体力学问题主主动动脉脉辫辫由由三三个个半半月月形形的的薄薄膜膜组组成成。在在主主动动脉脉根根部部，有有三三个个凹凹坑坑，称称为为瓦瓦耳耳萨萨耳耳瓦瓦氏氏窦窦，在在辩辩膜膜关关闭闭过过程程中中起起重重要要作作用用。肺肺动动脉脉结构与此相似。结构与此相似。 本节出将讨论心脏工作时的
14、几个重要的流体力本节出将讨论心脏工作时的几个重要的流体力学问题。学问题。瓦耳萨耳瓦氏窦25循环力学04第四章A2三尖辫由三个辫膜组成。二尖瓣由两片约成梯形的簿膜组成，其底形成椭圆形。辫膜打开时膜成锥状结构。膜缘有腱索与心室乳头肌相连，防止辫膜翻转。26循环力学04第四章A2一一 心辫膜关闭机理心辫膜关闭机理健健康康人人的的瓣瓣膜膜打打开开时时流流阻阻极极小小，在在很很小小压压力力下下立立即即关关闭闭，几几乎乎没没有有倒倒流流。瓣瓣膜膜由由胶胶原原纤纤维维组组成成，其其关关闭闭全全由由流流体体动动力力学学原原理理控控制制。瓣瓣膜膜的的开开启启原原理理不不难难理理解解，引引起起争争议议的的是是关关
15、闭原理，简介如下：闭原理，简介如下：27循环力学04第四章A2( (一一) )实验实验1. 1. 图图4-3-1 4-3-1 Henderson Henderson 与与Johnson Johnson 实验实验1 1示意图示意图HendersonHenderson 与与JohnsonJohnson通通过过下下列列一一系系列列实实验验解解释释了了瓣瓣膜膜的的关关闭闭原原理理。如如图图4-3-14-3-1所示所示: :用一根管子，上端与有色液用一根管子，上端与有色液体容器连通，下端插入一杯体容器连通，下端插入一杯清水中。清水中。1 1 当活塞打开，图中当活塞打开，图中(a)(a)可见可见到一股清的
16、射流。到一股清的射流。28循环力学04第四章A22 2如果关闭活塞，阻止水流，如果关闭活塞，阻止水流， (b)(b)图图 所示，所示，当管流突然终止，当管流突然终止，射流续继向前，在管口中断，射流续继向前，在管口中断，两旁清水却涌向管口两旁清水却涌向管口。29循环力学04第四章A2图图4-3-24-3-2 HendersonHenderson 与与JohnsonJohnson实验实验2 2示意图示意图( (二二) )实验实验2 2如如 图图 4-3-24-3-2所所示示：在在直直管管旁旁 加加一一曲曲管管，形形成成D D形形管管。D D形形管管进进口口处处装装上上中中心心瓣瓣膜膜。一一开开始始
17、，流流体体从从直直管管流流进进水水箱箱，弯弯曲曲管管里里无无流流体体流动流动。B B30循环力学04第四章A2一旦直管下端将管关闭，则一旦直管下端将管关闭，则D D形管内就可以看到回流。形管内就可以看到回流。B B31循环力学04第四章A2( (三三) ) 实验实验3. 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。图图4-3-34-3-3 HendersonHenderson 与与JohnsonJohnson实验实验3 3示意图示意图当管内液柱的水面低于水箱中液面时，软橡皮管立即关闭。首先流体高于水面，让水柱往下流下32循环力学04第四章A2图图4-3-24-3-2 Hen
18、dersonHenderson 与与JohnsonJohnson实验实验2 2示意图示意图( (二二) )实验实验2 2如如 图图 4-3-24-3-2所所示示：在在直直管管旁旁 加加一一曲曲管管，形形成成D D形形管管。D D形形管管进进口口处处装装上上中中心心瓣瓣膜膜。一一开开始始，流流体体从从直直管管流流进进水水箱箱，弯弯曲曲管管里里无无流流体体流动流动。B B33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：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。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。B B实验前弯曲
19、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：设管内平均流速为U在管内A到B之间一段流速是均匀的34循环力学04第四章A2(4-3-1)(4-3-1)式式中中，t t为为时时间间，x x为为流流体体运运动动坐坐标标， 流流体体密密度，度，pp是流体中压力。是流体中压力。(4-3-2)(4-3-2)a=dv/dt=f/ma=dv/dt=f/m在在B BA A段段，由由于于管管面面积积是是常常数数，质质量量守守衡衡定定律律要要求求U U不不随随x x而而变变。因因此此，式式中中第第二二项项为为零零，故故上上式式可简化为可简化为35循环力学04第四章A2上上式式说说明明，假
20、假使使管管内内的的液液体体受受减减速速， 是是负值，则负值，则 一定是正值，即一定是正值，即 P PB B-P-PA A0 0。 所以，液体有减速时，所以，液体有减速时，B B点压点压力比力比A A点压力高，这两点压力点压力高，这两点压力差推动曲管差推动曲管C C内液体，引起回内液体，引起回流，推开瓣膜，而成为该图中流，推开瓣膜，而成为该图中所示的流象。所示的流象。B B36循环力学04第四章A2结论：结论：在在射射血血后后期期，流流动动减减速速，它它造造成成逆逆压压梯梯度度，使使主主、肺肺动动脉脉瓣瓣关关闭闭。二二尖尖辫辫关关闭闭原原理理与与此此相相同同 。由由于于瓣瓣膜膜关关闭闭是是加加速
21、速度度引引起起的的，故故非非常常灵灵敏敏，基本上没有逆流。基本上没有逆流。37循环力学04第四章A2三三 主动脉瓣流动主动脉瓣流动 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。图图4-3-44-3-4主主动动脉脉瓣瓣膜膜附附近近血血液液流流动动情情况况的的简单示意图简单示意图图图4-3-44-3-4是主动脉瓣膜是主动脉瓣膜附近血液流动情况的简附近血液流动情况的简单示意图。单示意图。P P2 2P P1 138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。p p2 2p p1 1主动脉血压足够高，以致血流减速时，膜缘压力
22、p2高于其上游压力p1p2越高，流进瓦耳萨耳瓦氐窦的流体越多，从而驱使瓣膜关闭。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第四节关于心脏的两个生物力学问题一一 心脏压力与心肌壁张力心脏压力与心肌壁张力图图4-4-14-4-1心室壁张力计算示意图心室壁张力计算示意图(一)心室张力计算心室张力计算h hr rp pp p41循环力学04第四章A2则半球形心室壁所受的合应力则半球形心室壁所受的合应力T TTW
23、TW=Pr=Pr2 2(4-4-1)(4-4-1)一单位心室壁切平面所受张力一单位心室壁切平面所受张力称为张应力：即称为张应力：即=Pr=Pr2 2/2rh=pr/2h/2rh=pr/2h(4-4-2)(4-4-2)r rh hT TTWTWT TTWTWT TTWTWT TTWTW42循环力学04第四章A2可可见见，上上式式为为心心室室转转化化为为心心室室压压力力能能力力决决定定于心脏大小，将上式变为于心脏大小，将上式变为p=2h/rp=2h/r(4-4-3)(4-4-3)上上式式表表明明，当当心心脏脏扩扩大大时时，即即产产生生同同样样血血压压，也需较大张力也需较大张力( (P=cP=c，h
24、=ch=c，r r大大, ,大大 ) )p=p=大大2h/r2h/r大大43循环力学04第四章A2( (二二) )左心室壁总张力与左心室体积的关系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-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。舒张期舒张期等容等容收缩收缩期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A22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。等容等容收缩收缩期期射血期
25、射血期等容等容舒张舒张期期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A24 4如果有心脏病如果有心脏病( (心脏肥大心脏肥大) )，射血。，射血。等容等容收缩收缩期期射血期射血期等容等容舒张舒张期期舒张期舒张期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。肥大心室,等容收缩时,r变化相对小，而内压增大使心室壁张力相应增大。结论：46循环力学04第四章A2二二 左心室所作的功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
26、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(strokvolume)。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( (一一) ) 压力体积图压力体积图1当心室等容收缩(AB)压力增加。图图4-3-34-3-3一一心心动动同同期期内内左左心心室室压压心心容容积积曲曲线线。ABCDABCD面面积积纯纯压压力容积功。力容积功。A AB BC CD2心室射血期(BC)，心室体积迅速减小，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，V(ml)V(ml)左心室外功与心动周期内瞬时压左心室外功与心动周期内瞬时压力、容积变化有关。由
27、单个心动力、容积变化有关。由单个心动周期内压容图外机械功图周期内压容图外机械功图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，此处，WW( (左室左室) )为左心室压力容积功。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：此处，Pa为主动脉压，为血液密度，v为血液速度。当做巨烈运动时，心输出量猛增，血流速度增加，此时的动能项增大。而平时安静状态下此项能量仅为心外功的百分之五。
28、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( (二二) )左心室压力容积功与负载的关系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，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，超压功超压功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4-4-551循环力学04第四章A2图4-4-5A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。超超容容积积功功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 S正正S S肥肥如果左心室容积增大，左心室作无效功增大。图4-4-5B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：结论：55循环力学04第四章A2
