生物力學(xué)課程-心臟力學(xué)副本

生物力學(xué)課程——心臟力學(xué)副本第1頁/共86頁

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)中推動血液運(yùn)動的動力源是心臟。心臟有節(jié)律的收縮和舒張運(yùn)動，以及心臟瓣膜的單向?qū)Я髯饔茫ＷC了心臟能起到推動血液循環(huán)的動力泵作用。第2頁/共86頁

第一節(jié)心臟構(gòu)造第二節(jié)心電系統(tǒng)第三節(jié)心臟搏動的力學(xué)過程第四節(jié)左心室的壓力—容積關(guān)系第五節(jié)心臟的泵功能第六節(jié)心臟瓣膜的流體力學(xué)問題簡介第七節(jié)心臟瓣膜病及其血流動力學(xué)變化第3頁/共86頁左心房右心房左心室右心室第一節(jié)心臟構(gòu)造一.人的心臟分為四個(gè)腔室第4頁/共86頁

心房壁薄、心室壁厚，且左心室比右心室厚，這主要是它們在血液循環(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。第5頁/共86頁第6頁/共86頁二.循環(huán)第7頁/共86頁

體循環(huán)動力源于左心室，血泵入主動脈，經(jīng)過動脈、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)的動力由此發(fā)出。右心室收縮將血泵入肺動脈，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)。第8頁/共86頁

三.瓣膜

由于血液是單向流動，因此在心房到心室，心室到動脈之間都有單向“閥門”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脈瓣的發(fā)生病變的機(jī)率最高。第9頁/共86頁

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。第10頁/共86頁第11頁/共86頁四.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，且可抗血栓形成。第12頁/共86頁

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)動過程與周圍組織的摩擦，并限制心臟過分?jǐn)U大。第13頁/共86頁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。第14頁/共86頁第15頁/共86頁

以左心室壁為例，與心外膜相鄰的肌纖維自心尖到基底縱向排列，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16頁/共86頁第17頁/共86頁第二節(jié)心電系統(tǒng)(electrocardio-system)

心臟功能狀態(tài)與兩個(gè)過程密切相關(guān)，即

因?yàn)樾募∈湛s是在心電信號的刺激下進(jìn)行的。心電過程心肌收縮過程第18頁/共86頁第19頁/共86頁第20頁/共86頁第21頁/共86頁

心臟由心肌組成。由于心肌的每次收縮都需要電刺激，故心臟必有一完整的電系統(tǒng)：

電信號發(fā)生中心

電信號傳輸系統(tǒng)

第22頁/共86頁第23頁/共86頁電信號發(fā)生中心:竇房結(jié)（S-A結(jié)）:

心臟的電信號發(fā)生中心，是每一心博周期內(nèi)最早出現(xiàn)電活動的區(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)長的過度細(xì)胞組成。

起搏電位的產(chǎn)生主要決定于舒張期膜對鈣離子和鈉離子的通透性增加，這兩種離子內(nèi)流都趨向于使膜去極化，當(dāng)去極化達(dá)到閾電位水平時(shí)產(chǎn)生動作電位。

第24頁/共86頁第25頁/共86頁電信號傳輸系統(tǒng)發(fā)自S-A的電信號直接傳到右心房傳輸速度為1m/s若干特定的肌纖維束將信號傳至左心房三條肌纖維束將S-A的信號傳至

房室結(jié)A-V第26頁/共86頁房室結(jié)（A-V結(jié)）:

A-V結(jié)是信號傳輸站，3×10×22mm3。組成與S-A差不多，但P細(xì)胞較少。

A-V結(jié)使來自S-A結(jié)的信號遲后一定的時(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約為12mm。第27頁/共86頁

電信號傳輸?shù)紸-V結(jié)的滯后現(xiàn)象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。

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如果A-V結(jié)的滯后現(xiàn)象延長，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。第29頁/共86頁

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1-4m/s。

最后，電信號由心肌細(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。傳輸速度約0.02m/s第30頁/共86頁第31頁/共86頁

體表心電圖是將測量電極放置在人體表面一定部位所記錄出來的心電變化曲線。通過詳細(xì)分析這些電位的變化，可以大概了解心臟的解剖學(xué)定位心臟的相對大小心臟節(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32頁/共86頁第三節(jié)心臟搏動的力學(xué)過程

Themechanicalprocessofcardiacimpulse第33頁/共86頁心臟在血液循環(huán)中起著動力泵的作用。

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，將血液泵入動脈。第34頁/共86頁心房收縮期0.1秒心房舒張期0.7秒心室收縮期0.3秒心室舒張期0.5秒

整個(gè)過程中，心肌的收縮是在心電信號的刺激下產(chǎn)生的。心動周期——心房或心室每收縮和舒張一次所經(jīng)歷的時(shí)間。成年人的正常心率約每分鐘75次，故每一心動周期約0.8秒。

心房和心室有共同的舒張期0.4秒，由此可見每次收縮后有充分的舒張時(shí)間使心臟得以休息。第35頁/共86頁心臟搏動力學(xué)過程：

心房興奮-收縮-壓力>心室壓力時(shí)，二尖瓣打開，心房向心室充盈血心房壓力<心室壓力時(shí)，二尖瓣關(guān)閉。

心室興奮-收縮-壓力>主動脈壓力時(shí)，主動脈瓣打開，心室向主動脈射血心室壓力<主動脈壓力時(shí)，主動脈瓣關(guān)閉。0.1s后第36頁/共86頁

上圖繪出了左心房、左心室、右心房、右心室以及主動脈和肺動脈中壓力的變化關(guān)系，并且圖中表示出了四個(gè)瓣膜的開閉狀態(tài)第37頁/共86頁心房、心室舒縮心房和心室之間，心室和主動脈之間壓力差瓣膜啟閉和血液流動的直接動力瓣膜的啟閉則在血液單向流動方面起關(guān)鍵作用。第38頁/共86頁

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)動等多種過程的綜合。其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，心臟就不能正常工作，這將給人的生命帶來威脅。第39頁/共86頁第四節(jié)左心室的壓力—容積關(guān)系

在一個(gè)心動周期中，心臟（以左心室為例）內(nèi)的壓力p(t)和容積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程。第40頁/共86頁第41頁/共86頁（1）AB段表示心室充盈期或舒張期。充盈期從A點(diǎn)開始，在A點(diǎn)處，二尖瓣開啟，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。第42頁/共86頁（2） BC段表示心室的等容收縮期。從二尖瓣關(guān)閉的B點(diǎn)開始到C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，但由于主動脈瓣尚未開啟，所以心室容積不變。第43頁/共86頁（3）CD段表示心室射血期或收縮期。從主動脈瓣開啟的C點(diǎn)開始，心室收縮將血液射入主動脈，心室容積減小到D點(diǎn)所對應(yīng)的容積值，這稱為收縮期末容積Ves，D點(diǎn)所對應(yīng)的壓力稱為收縮期末壓力Pes。第44頁/共86頁（4）

DA段表示心室的等容舒張期，從主動脈瓣關(guān)閉的D點(diǎn)開始，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點(diǎn)，使二尖瓣再次開啟，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。第45頁/共86頁

由此可見，利用壓力-容積環(huán)，可以解釋一個(gè)心動周期內(nèi)心臟的力學(xué)過程。在p-V圖上，心臟的壓力-容積環(huán)是反時(shí)針方向進(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。第46頁/共86頁心室舒張末期的壓力ped和Ved——心臟前負(fù)荷心室的每搏輸出量將為SV=Ved－Ves。

（收縮末期的壓力Pes和容積Ves）壓力-容積環(huán)所包圍的面積——

表示一個(gè)心動周期內(nèi)左心室所作的輸出功。第47頁/共86頁

第五節(jié)心臟的泵功能

從醫(yī)學(xué)和生理學(xué)來看，心臟的功能狀態(tài)與兩個(gè)過程密切相關(guān)，即

心電過程---心電圖的宏觀反映心肌收縮過程---體現(xiàn)為心臟的泵功能第48頁/共86頁

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)心的問題。第49頁/共86頁工程上評價(jià)泵功能的指標(biāo)：輸出功功效第50頁/共86頁臨床上評價(jià)心臟泵功能的指標(biāo)心輸出量心臟指數(shù)射血分?jǐn)?shù)搏功等第51頁/共86頁一、影響心臟泵功能的因素如前所述，在一個(gè)心動周期內(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。第52頁/共86頁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啟和關(guān)閉

從而實(shí)現(xiàn)了心臟的泵血功能，保證全身各組織和器官代謝需要的血液供給。

心電信號的發(fā)生第53頁/共86頁

在整個(gè)過程中，收縮舒張的協(xié)調(diào)性舒縮耗能作功的能力彈性和順應(yīng)性心肌前負(fù)荷——心室舒張末期的容積與壓力高低后負(fù)荷——血液在心臟端口阻力的大小各房室瓣膜啟閉的性能心率快慢對心臟搏出量均有直接影響第54頁/共86頁二尖瓣狹窄二尖瓣關(guān)閉不全主動脈瓣狹窄主動脈瓣關(guān)閉不全第55頁/共86頁

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；

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；第56頁/共86頁

總之，從動力學(xué)角度看體循環(huán)，心肌收縮力心臟的后負(fù)荷心臟的前負(fù)荷心率變化瓣膜啟閉影響心輸出量的主要因素第57頁/共86頁二、心力衰竭

指心臟收縮或舒張機(jī)能障礙，導(dǎo)致心臟不能泵出與靜脈回流和機(jī)體組織代謝需求相稱的血量。第58頁/共86頁心力衰竭——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程。心功能不全——心力衰竭的早期過程。

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。第59頁/共86頁左心衰竭：多見于冠狀動脈粥樣硬化性心臟病高血壓主動脈狹窄或關(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。第60頁/共86頁右心衰竭：見于肺心病、三尖瓣或肺動脈瓣疾病，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)重時(shí)可伴有全身水腫。第61頁/共86頁全心衰竭：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。第62頁/共86頁第63頁/共86頁第六節(jié)心臟瓣膜的流體力學(xué)問題簡介

對于心臟來說，最有意思的流體力學(xué)問題是心室的充盈和射血，而這和心臟瓣膜的運(yùn)動密切相關(guān)。

第64頁/共86頁

健康人的瓣膜是非常有效的裝置。

打開時(shí)，它們對流動的阻力極小；

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力控制。瓣膜的開啟原理并不難理解，引起爭議的是關(guān)閉機(jī)制。第65頁/共86頁第66頁/共86頁第67頁/共86頁第68頁/共86頁第69頁/共86頁心臟瓣膜關(guān)閉的機(jī)理：在射血后期，流動減速，它造成的逆壓力梯度使主動脈瓣（或肺動脈瓣）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，基本上沒有倒流。第70頁/共86頁第七節(jié)心臟瓣膜病及其

血流動力學(xué)變化第71頁/共86頁心臟瓣膜病是指心瓣膜因先天性發(fā)育異常后天性疾病造成的器質(zhì)性病變瓣膜口狹窄關(guān)閉不全是最常見的慢性心臟病之一。第72頁/共86頁

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放時(shí)不能充分張開，瓣膜口因而縮小，導(dǎo)致血流通過障礙。

第73頁/共86頁

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（如二尖瓣和主動脈瓣）同時(shí)或先后受累，稱聯(lián)合瓣膜病。第74頁/共86頁心瓣膜病血流動力學(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)）加重相應(yīng)心房和心室的容積性負(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。第75頁/共86頁二尖瓣狹窄第76頁/共86頁

影響肺循環(huán)，造