生物力學(xué)課程心臟力學(xué)

1、,心臟力學(xué),,心臟在血液循環(huán)系統(tǒng)中周流不息、循環(huán)不止。循環(huán)系統(tǒng)中推動(dòng)血液運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源是心臟。心臟有節(jié)律的收縮和舒張運(yùn)動(dòng)，以及心臟瓣膜的單向?qū)Я髯饔?，保證了心臟能起到推動(dòng)血液循環(huán)的動(dòng)力泵作用。,第一節(jié) 心臟構(gòu)造 ( The structure of heart) 一.人的心臟分為四個(gè)腔室 左心房、右心房、左心室、右心室。 心房壁薄、心室壁厚，且左心室比右心室厚，這主要是

2、它們?cè)谘貉h(huán)中起的作用及提供和承受的壓力的大小不同所致，右心室的壓力僅為左心室的1/6左右。,二.循環(huán),體循環(huán)動(dòng)力源于左心室，血泵入主動(dòng)脈，經(jīng)過(guò)動(dòng)脈、毛細(xì)血管、靜脈系統(tǒng)流回右心房，經(jīng)三尖瓣進(jìn)入右心室。 肺循環(huán)的動(dòng)力由此發(fā)出。右心室收縮將血泵入肺動(dòng)脈，經(jīng)肺微血管進(jìn)行氧合后進(jìn)入肺靜脈，流回左心房，左心房中的經(jīng)二尖瓣再壓入左心室，從而完成了整個(gè)血液循環(huán)。,,三.瓣膜 由于血液是單向流動(dòng)，因此在心房到心室，心室到動(dòng)脈之間都有

3、單向“閥門(mén)”進(jìn)行控制，這就是心臟的四個(gè)瓣膜。 四個(gè)瓣膜位于同一個(gè)平面上。由于左心室的負(fù)荷較高，因此四個(gè)瓣膜中二尖瓣和主動(dòng)脈瓣的發(fā)生病變的機(jī)率最高。,心臟瓣膜由膠原纖維構(gòu)成，是一層致密的結(jié)締組織，非常柔韌，很容易變形，其兩側(cè)表面覆蓋著心內(nèi)膜，膠原纖維使瓣葉強(qiáng)韌，經(jīng)受住較大的負(fù)荷，而內(nèi)皮組織又具有抗血栓形成的功能。,四.心壁可分為三層 心內(nèi)膜 心肌層 心外膜 心內(nèi)膜是一層光

4、滑的薄膜，由內(nèi)皮組織和少量的結(jié)締組織組成，因此有利于血液流動(dòng)，且可抗血栓形成。,,上皮組織 心外膜 纖維結(jié)締組織 少量脂肪組織 它與堅(jiān)韌的心包膜相連形成密閉的心包腔，腔內(nèi)有少量液體，可減少心臟運(yùn)動(dòng)過(guò)程與周圍組織的摩擦，并限制心臟過(guò)分?jǐn)U大。,,心肌層由心肌纖維呈復(fù)雜排列，成束的心肌細(xì)胞呈螺旋狀排列，肌纖維的方向從心外膜到心內(nèi)膜也呈旋轉(zhuǎn)狀。 以左心室壁為例，與心外膜相鄰的肌纖維自心

5、尖到基底縱向排列，同時(shí)肌纖維向心室內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)，在心壁中層纖維平行于基底，然后向內(nèi)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，鄰近心內(nèi)膜處肌纖維又變成縱向排列。 這種結(jié)構(gòu)在心臟收縮時(shí)，心肌各部分同時(shí)作用產(chǎn)生的力使心室近于球形，有利于心臟射血。,第二節(jié) 心電系統(tǒng)(electrocardio-system) 心臟功能狀態(tài)與兩個(gè)過(guò)程密切相關(guān)，即心電過(guò)程和心肌收縮過(guò)程，因?yàn)樾募∈湛s是在心電信號(hào)的刺激下進(jìn)行的。,心臟由心肌組成。由于心肌的每次收縮都需要電刺激，故

6、心臟必有一完整的電系統(tǒng)： 電信號(hào)發(fā)生中心 電信號(hào)傳輸系統(tǒng),,心電的產(chǎn)生和傳輸: 1.竇房結(jié)（S-A結(jié)）: 心臟的電信號(hào)發(fā)生中心，是每一心博周期內(nèi)最 早出現(xiàn)電活動(dòng)的區(qū)域。 在成人的心房中其尺寸約為25×3（或4）×2mm3。 由小而圓的起博P細(xì)胞和細(xì)長(zhǎng)的過(guò)度細(xì)胞組成。,發(fā)自S-A的電信號(hào),,,直接傳到右心房傳輸速度為1m/s,若干特定的肌纖維

7、束將信號(hào) 傳至左心房,,三條肌纖維束將S-A的信號(hào)傳至 房室結(jié)A-V,,2.房室結(jié)（A-V結(jié)）: A-V結(jié)是信號(hào)傳輸站，3×10×22mm3。 組成與S-A差不多，但P細(xì)胞較少。 A-V結(jié)使來(lái)自S-A結(jié)的信號(hào)遲后一定的時(shí)間,然后再經(jīng)房室束或稱希氏束傳向心室。 希氏束是連接心房和心室的唯一的肌肉組織。人體的希氏束在分叉前長(zhǎng)約為12mm。,電信號(hào)傳輸?shù)紸-V結(jié)的滯后現(xiàn)象

8、使得心室有充分的時(shí)間舒張，有利于心房的血向心室充盈。這一滯后在心電圖中表現(xiàn)為P波與QRS綜合波之間的一段時(shí)間間隔。 如果A-V結(jié)的滯后現(xiàn)象延長(zhǎng)，或者心房的興奮部分地或全部地被阻止傳到心室，則稱為傳導(dǎo)阻滯。病理性傳導(dǎo)阻滯可因神經(jīng)作用、炎癥或藥物因素所引起。,希氏束（房室束）,左束支,右束支,,,,浦肯野氏纖維，遍布于兩心室壁上。傳輸速度約14m/s。,最后，電信號(hào)由心肌細(xì)胞自身傳輸，由一個(gè)心肌細(xì)胞到下一個(gè)心肌細(xì)胞。

9、,,表達(dá)了心電系統(tǒng)及心電系統(tǒng)的各個(gè)部位的動(dòng)作電位變化的過(guò)程和體表心電圖。,體表心電圖是將測(cè)量電極放置在人體表面一定部位所記錄出來(lái)的心電變化曲線。 通過(guò)詳細(xì)分析這些電位的變化，可以大概了解心臟的解剖學(xué)定位、心臟的相對(duì)大小、節(jié)律和傳導(dǎo)的各種障礙、心肌缺血性損傷的范圍、位置和進(jìn)程以及某種藥物的影響等等。但必須強(qiáng)調(diào)的是心電圖反映心臟興奮產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過(guò)程中的生物電變化，并不能直接給出關(guān)于心臟作為一個(gè)泵的力學(xué)性能信息。,第三節(jié)

10、 心臟搏動(dòng)的力學(xué)過(guò)程,The mechanical process of cardiac impulse,心臟在血液循環(huán)中起著動(dòng)力泵的作用。 心房或心室舒張時(shí)，肌肉松弛，心腔擴(kuò)大，其內(nèi)壓降低，靜脈血回流入心； 心房或心室收縮時(shí)，心肌收縮，心腔縮小，其內(nèi)壓升高，將血液泵入動(dòng)脈。,,整個(gè)過(guò)程中，心肌的收縮是在心電信號(hào)的刺激下產(chǎn)生的。 心動(dòng)周期——心房或心室每收縮和舒張一次所經(jīng)歷的時(shí)間

11、。 成年人的正常心率約每分鐘75次， 故每一心動(dòng)周期約0.8秒。,0.8秒,,,,心房和心室有共同的舒張期0.4秒，由此可見(jiàn)每次收縮后有充分的舒張時(shí)間使心臟得以休息。,左心房、左心室、右心房、右心室以及主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈中壓力的變化關(guān)系，并且圖中表示出了四個(gè)瓣膜的開(kāi)閉狀態(tài),,,,心房、心室舒縮,,心房和心室之間，心室和主動(dòng)脈之間 壓力差,瓣膜啟閉和血液流動(dòng)的直接

12、動(dòng)力,,瓣膜的啟閉則在血液?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)方面起關(guān)鍵作用。,總之，心臟是個(gè)很精密又很復(fù)雜的器官，它的功能的正常發(fā)揮是生化、心電、機(jī)械運(yùn)動(dòng)等多種過(guò)程的綜合。其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，心臟就不能正常工作，這將給人的生命帶來(lái)威脅。,第四節(jié) 左心室的壓力—容積關(guān)系(Pressure-Volumn of ventriculus sinister cordis 在一個(gè)心動(dòng)周期中，心臟（以左心室為例）內(nèi)的壓力p(t)和

13、容積V(t)都是隨時(shí)間t作周期性變化，那么若將p(t)和V(t)曲線在p-V圖上表示成一個(gè)壓力-容積環(huán)，它可表示心臟的工作過(guò)程。,,（1）AB段表示心室充盈期或舒張期。充盈期從A點(diǎn)開(kāi)始，在A點(diǎn)處，二尖瓣開(kāi)啟，此時(shí)心室處于舒張狀態(tài)，心肌松弛，心房向心室充血，使其達(dá)到B點(diǎn)，這時(shí)心室容積到最大，稱為舒張期末容積Ved，而壓力僅有少許上升直達(dá)到舒張期末壓力ped。在B點(diǎn)二尖瓣關(guān)閉。,（2）BC段表示心室的等容收縮期。從二尖瓣關(guān)閉的B點(diǎn)開(kāi)始到C

14、點(diǎn)是心室的等容收縮期。在BC段，心室收縮使心室壓力急劇上升，但由于主動(dòng)脈瓣尚未開(kāi)啟，所以心室容積不變。,（3）CD段表示心室射血期或收縮期。從主動(dòng)脈瓣開(kāi)啟的C點(diǎn)開(kāi)始，心室收縮將血液射入主動(dòng)脈，心室容積減小到D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的容積值，這稱為收縮期末容積Ves，D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力稱為收縮期末壓力Pes。,（4）DA段表示心室的等容舒張期，從主動(dòng)脈瓣關(guān)閉的D點(diǎn)開(kāi)始，心室舒張，壓力下降，但心室的容積保持不變，這稱為等容舒張期。在DA段，心室壓力降到A

15、點(diǎn)，使二尖瓣再次開(kāi)啟，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。,由此可見(jiàn)，利用壓力-容積環(huán)，可以解釋一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)心臟的力學(xué)過(guò)程。 在 p-V 圖上，心臟的壓力-容積環(huán)是反時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行的。在心室充盈期（AB段）和射血期（CD段）心室容積有較大范圍變化，而心室壓力變化卻不大。在等容舒張和收縮期，心室壓力有急劇變化。,由壓力-容積環(huán)可直接讀出心室舒張末期的壓力ped和Ved以及收縮末期的壓力Pes和容積Ves。顯然心室的每搏輸出量將為SV=Ved－Ved。而壓

16、力-容積環(huán)所包圍的面積則表示一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)左心室所作的輸出功。,第五節(jié) 心臟的泵功能 從醫(yī)學(xué)和生理學(xué)來(lái)看，心臟的功能狀態(tài)與兩個(gè)過(guò)程密切相關(guān)，即,心電過(guò)程---心電圖的宏觀反映,心肌收縮過(guò)程---體現(xiàn)為心臟的泵功能,,心臟泵功能正常與否直接關(guān)系到心臟向外周血管輸送血液量的多少，這是醫(yī)學(xué)臨床研究中經(jīng)常遇到和關(guān)心的問(wèn)題。,臨床上將心臟泵血功能障礙導(dǎo)致心輸出量減少，以至于不能滿足全身組織代謝需要的病理過(guò)程稱為心力

17、衰竭，同時(shí)將心力衰竭的早期過(guò)程稱為心功能不全，心力衰竭往往是多種心血管疾病發(fā)展變化的共同結(jié)果。,心力衰竭的臨床表現(xiàn)受心力衰竭發(fā)生部位的影響而不同。按發(fā)生部位分為左心衰竭、右心衰竭和全心衰竭。左心衰竭多見(jiàn)于冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病、高血壓、主動(dòng)脈狹窄或關(guān)閉不全、二尖瓣狹窄或關(guān)閉不全等，導(dǎo)致左心輸出量減少，肺部淤血或水腫。,右心衰竭見(jiàn)于肺心病、三尖瓣或肺動(dòng)脈瓣疾病，并常繼發(fā)于左心衰竭，結(jié)果表現(xiàn)有心輸出量減少、靜脈壓增加，常伴有下肢水腫，嚴(yán)重

18、時(shí)可伴有全身水腫。,全心衰竭是左右心室同時(shí)發(fā)生的一種心力衰竭，如心肌炎、心肌病等引起全身衰竭，或繼發(fā)于左心衰并發(fā)右心衰竭，結(jié)果表現(xiàn)既有左心衰又有右心衰的臨床癥狀。,顯然心輸出量的減少與組織代謝對(duì)血液量的需求增加都會(huì)導(dǎo)致心功能不全或心力衰竭。有時(shí)心力衰竭發(fā)生在心輸出量并不減少甚至是升高時(shí)，但機(jī)體對(duì)血液量的需求增加使心輸出量相對(duì)減少， 因此心力衰竭可分為高輸出和低輸出兩類心力衰竭。 總之，心力衰竭是一種心臟功能的嚴(yán)重失代償表現(xiàn)。因此

19、，在臨床上需客觀的指標(biāo)評(píng)價(jià)心臟的泵功能。,一、評(píng)價(jià)心臟泵功能的指標(biāo)心輸出量心臟指數(shù)射血分?jǐn)?shù)搏功等,二、影響心臟泵功能的因素 如前所述，在一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)， 心電圖 房室壓力 房室容積 心臟瓣膜 均發(fā)生一系列的變化：,,心電信號(hào)的發(fā)生,心肌的收縮和舒張,導(dǎo)致房室壓力和容積的改變,控制著各瓣膜的開(kāi)啟和關(guān)閉,,,,從而實(shí)現(xiàn)了心臟的泵血

20、功能，保證全身各組織和器官代謝需要的血液供給。,,心肌收縮舒張的協(xié)調(diào)性,心肌的彈性和順應(yīng)性,心肌舒縮耗能作功的能力,心室舒張末期的容積與壓力高低（前負(fù)荷）,血液在心臟端口阻力的大?。ê筘?fù)荷）,各房室瓣膜啟閉的性能,心率快慢,,在整個(gè)過(guò)程中，,對(duì)心臟搏出量均有直接影響。,心室舒張末期容積——心臟的前負(fù)荷心臟輸出端口阻力——心臟的后負(fù)荷,例如，房室心肌的彈性和順應(yīng)性降低使心肌舒張收縮性能減弱，因此直接影響心臟的泵血功能；

21、 房室心肌舒縮不協(xié)調(diào)、左右心房或心室不協(xié)調(diào)、各房室瓣膜不能按時(shí)啟閉，結(jié)果表現(xiàn)為心臟搏出量減少； 同樣房室瓣膜結(jié)構(gòu)障礙如二尖瓣、三尖瓣狹窄或關(guān)閉不全時(shí)，也可導(dǎo)致心臟搏出量減少；,總之，從動(dòng)力學(xué)角度看體循環(huán)，,及等是影響心輸出量的主要因素。,心臟的前負(fù)荷,心臟的后負(fù)荷,心肌收縮力,外周血液循環(huán),心率變化,第六節(jié) 心臟瓣膜的流體力學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)介 對(duì)于心臟來(lái)說(shuō)，最有意思的流體力學(xué)問(wèn)題是心室的充盈和射血，而這和

22、心臟瓣膜的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。 健康人的瓣膜是非常有效的裝置。打開(kāi)時(shí)，它們對(duì)流動(dòng)的阻力極小，而在很小的壓差下它們立即關(guān)閉，倒流量很小。它們是由膠原纖維構(gòu)成的，因而其啟閉完全受流體動(dòng)力控制。瓣膜的開(kāi)啟原理并不難理解，引起爭(zhēng)議的是關(guān)閉機(jī)制。,心臟瓣膜關(guān)閉的機(jī)理： 在射血后期，流動(dòng)減速，它造成的逆壓力梯度使主動(dòng)脈瓣（或肺動(dòng)脈瓣）關(guān)閉。二尖瓣和三尖瓣關(guān)閉原理與此相同。由于瓣膜關(guān)閉是加速度引起的，故非常靈敏，基本上沒(méi)有倒流。,第七節(jié)

23、 心臟瓣膜病及其 血流動(dòng)力學(xué)變化,,心臟瓣膜病是指心瓣膜因先天性發(fā)育異常或后天性疾病造成的器質(zhì)性病變，表現(xiàn)為瓣膜口狹窄或關(guān)閉不全，是最常見(jiàn)的慢性心臟病之一。,瓣膜關(guān)閉不全是指心瓣膜關(guān)閉時(shí)瓣膜口不能完全閉合，使一部分血流返回。 瓣膜口狹窄指瓣膜開(kāi)放時(shí)不能充分張開(kāi)，瓣膜口因而縮小，導(dǎo)致血流通過(guò)障礙。 瓣膜口狹窄或關(guān)閉不全可以單獨(dú)存在，也可合并存在。病變可僅累及一個(gè)瓣膜，但也可兩個(gè)以上瓣膜（如二尖瓣和主動(dòng)

24、脈瓣）同時(shí)或先后受累，稱聯(lián)合瓣膜病。,心瓣膜病的主要危害是引起血流動(dòng)力學(xué)的紊亂，加重相應(yīng)心房和心室的壓力性負(fù)荷，（瓣膜口狹窄時(shí)）或容積性負(fù)荷（瓣膜口關(guān)閉不全時(shí)），導(dǎo)致相應(yīng)的心房和心室代償性肥厚（代償期）。在代償期，可不出現(xiàn)明顯的血液循環(huán)障礙癥狀，當(dāng)病變加重進(jìn)入失代償期，則可出現(xiàn)肺循環(huán)和體循環(huán)血液循環(huán)障礙癥狀和體征。,二尖瓣狹窄 心室舒張時(shí)，左心房的血不能完全進(jìn)入，部分血存留于左心房 左心房擴(kuò)張、肥厚，內(nèi)壓升

25、 影響肺循環(huán)，造成肺淤血，肺動(dòng)脈高壓 右心室肥厚、擴(kuò)張 右心衰,,,,,二尖瓣關(guān)閉不全（可與狹窄同時(shí)發(fā)生） 左心室收縮時(shí)，部分血從左心室返流于左心房，左心房血流↑，壓力↑，左心房擴(kuò)大、肥厚…… 右心室舒張時(shí)，左心房流入的血量相應(yīng)↑（左心房存的血↑） 左心室容積性負(fù)荷↑ 代償性肥大，久之，左心房、室均發(fā)生失代償，左心衰 肺淤血，肺動(dòng)脈高壓 右心代償性肥大、進(jìn)而失代償

26、 右心衰、全身靜脈淤血,,,,,,主動(dòng)脈狹窄對(duì)主動(dòng)脈輸出的影響 （1）左心室的血不能完全泵入主動(dòng)脈，心輸出量↓心功能↓ 。 （2）冠狀動(dòng)脈供血不足　 心肌缺血。,,對(duì)左心室影響 左心室存血，左心室內(nèi)壓↑ 左心室擴(kuò)大、肥厚，嚴(yán)重時(shí)左心房也隨之肥大 肺慢性淤血 右心肥大 右心衰,,,,,主動(dòng)脈關(guān)閉不全 1. 左心室舒張時(shí),主動(dòng)脈的血返流于左心室造成：左心室

27、同時(shí)接受從左心房和主動(dòng)脈的血， 左心室容量↑，心腔擴(kuò)大、增厚。返流使冠狀動(dòng)脈灌注不足，心肌缺血。2. 左心室收縮時(shí)（等容收縮），血泄流于 主動(dòng)脈，左心室壓力升高受限 Ws↓。,,第八節(jié) 人造心臟瓣膜 病人的瓣膜嚴(yán)重毀損，往往不能用單純成形方法進(jìn)行矯治，而需要將瓣膜裝置的一部或全部用人工代用品加以替換，即人造瓣膜。,人造心臟瓣膜實(shí)為一單向閥門(mén)，保證血液向前流動(dòng)而不

28、發(fā)生返流，在功能上與人體自然的心臟瓣膜相同。 人造心臟瓣膜的理想標(biāo)準(zhǔn)是：（1）流體力學(xué)性能接近正常的自然瓣。即開(kāi)放時(shí)瓣口阻力最小，跨瓣口壓力階差接近于零；瓣口關(guān)閉快而嚴(yán)閉，沒(méi)有回流，血液經(jīng)過(guò)瓣口流場(chǎng)合乎生理，無(wú)明顯渦流。,（2）耐久性能好，在植入后的整個(gè)生命過(guò)程中，人造瓣膜的材料和結(jié)構(gòu)無(wú)論是化學(xué)的或物理的，性能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。（3）人造瓣膜與機(jī)體的相容性好。具有良好的抗血栓作用，不破壞血液成分，不產(chǎn)生溶血，沒(méi)有明顯的排異反應(yīng)。（

29、4）人造瓣膜具有臨床應(yīng)用的可行性，即外科手術(shù)簡(jiǎn)單易行。,一．機(jī)械瓣膜 人造心臟瓣膜全部采用人工材料制成的稱為機(jī)械瓣膜。,人造機(jī)械瓣膜有較好的耐久性，但任何種類的機(jī)械瓣膜，無(wú)論何種材料制成和瓣膜置入在何種部位，均需要進(jìn)行長(zhǎng)期的抗凝治療。機(jī)械瓣膜替換手術(shù)后最為可怕的并發(fā)癥是血栓栓塞，手術(shù)后第一年發(fā)生血栓栓塞率最高。,二．生物瓣膜 生物瓣膜是采用生物組織仿照人體自然瓣膜的結(jié)構(gòu)制成。采用的生物組織有同種主動(dòng)脈瓣，同種闊筋膜、

30、硬腦膜；異種主動(dòng)脈瓣，異種心包等。,生物瓣膜的瓣口中心無(wú)活瓣阻擋，成中心通道，生物組織與血液接觸面光滑不易形成血栓。生物瓣膜于60年代初期開(kāi)始使用，但因耐久性極差，未能得到推廣。直到1965年，采用戊二醛對(duì)生物組織進(jìn)行處理后，瓣膜的耐久性大大提高，自此各種生物瓣膜才應(yīng)運(yùn)而生。,但是，移植的生物組織終究是離體的，失去了生命活力的組織，進(jìn)行性衰退是不可避免的。生物瓣膜的退行性變可能與下列因素有關(guān)：（1）膠原退行性變。（2）疲勞損害。（3）

31、鈣化。（4）手術(shù)操作不當(dāng)。（5）免疫排斥反應(yīng)也可能是生物瓣膜退行性變不可忽視的原因。,三．組織工程心臟瓣膜 隨著組織工程技術(shù)的發(fā)展，組織工程心臟瓣膜被認(rèn)為是一種潛在的理想的人造心臟瓣膜，具有非常重要的臨床應(yīng)用前景，是目前心臟瓣膜外科領(lǐng)域重大研究課題。,組織工程心臟瓣膜的基本思路和方法是： 采用人工合成材料、同種或異種的脫細(xì)胞心臟瓣膜作為組織工程心臟瓣膜的支架，通過(guò)將體外擴(kuò)增的患者自體活細(xì)胞種植在瓣膜支架上，細(xì)胞能夠牢固黏