第二章　血流动力学原理

第一节　压力、流量与阻力

心血管系统的功能是维持血液循环，这对维持人体内环境至关重要，血液在心血管系统中流动的一系列物理问题属于血流动力学的范畴，血流动力学基本的研究对象是压力、流量与阻力之间的关系。

血流量是单位时间内流过血管某一截面的血量，如果出现压力差就会产生血流。血流是心脏收缩活动促进血管内血液流动的结果，血压是血管内血液对于单位面积血管壁的侧压力。血压和血流的关系用欧姆定律表示如下：Q=△P/R，公式中Q指血流量（每分钟容积），△P指压力梯度，R指血流阻力。欧姆定律已广泛用于评价心血管生理学，临床上系统血管阻力（SVR）通过心输出量（CO）即Q、平均动脉压（MAP）和中心静脉压（CVP）计算：SVR=（MAP-CVP）/Q。肺血管阻力（PVR）通过心输出量（CO）、平均肺动脉压（PAPM）及毛细血管楔压（CWP）计算，CWP表示肺动脉分支球囊闭塞处的压力，它与肺静脉压相等：PVR=（PAPM-CWP）/Q，其测量结果显示系统血管阻力较肺血管阻力高10倍。通常循环过程中血管内任何两个截面的血流压力相等，因此主动脉内的血流量与全身毛细血管的血流量相等，主动脉虽是最大的血管，但毛细血管的横断面总和远远大于主动脉的横断面，毛细血管的血流速度远低于主动脉。

血压的形成由有效的循环血量、正常的心脏功能及外周血管阻力三个基本因素。除循环系统内的血液充盈度能影响血压，动脉血压的高低还取决于心输出量和外周阻力，凡能影响心输出量和外周阻力的各种因素都能影响血压，主要有以下几个因素：

1.循环系统平均充盈压

循环血量和血管系统容量相适应才能使血管系统足够充盈，产生一定的循环系统平均充盈压。正常情况下循环血量和血管系统容量相适应，血管系统充盈程度变化不大。血容量减少或血管容量增加则平均充盈压降低，反之，充盈压则升高。

2.心脏每搏输出量

心肌收缩能力正常时，心脏射血能力推动血液流动形成对血管壁的压力，每搏输出量增大，心收缩期射入主动脉的血量增多，收缩期动脉血压的升高幅度更大。一般情况，收缩压的高低主要反映心脏每搏输出量的多少，而心脏收缩功能降低则使血压有一定程度的下降。

3.心率

心率增快，每搏输出量及外周阻力都不变时，则心舒期缩短，心舒末期主动脉内存留的血量增多，舒张压增高，反之舒张压较低。

4.外周阻力

如心输出量不变，外周阻力增加时，除收缩压升高外，心舒张期内血流流入毛细血管和静脉减少，存留在主动脉内的血量增多，舒张压增高；同理外周阻力降低使舒张压下降。外周阻力的改变主要是由于骨骼肌和腹腔器官阻力血管直径的改变引起，血液黏滞度增高则外周阻力亦增大。

5.主动脉和大动脉的顺应性

主动脉和大动脉具有弹性贮器作用，其顺应性越好，增加一定血量引起血压增值越小。此外生理因素如性别、年龄、进食、情绪、睡眠运动、季节、环境及昼夜节律的变化均可不同程度的影响血压。

静脉血管顺应性较动脉血管顺应性高20倍。静脉血容量显著增加时，静脉压力可出现轻度升高。静脉血管系统为血容量的储存库；而动脉血管系统因其顺应性较低，血容量变化小。静脉系统内血容量的改变可有效调节回心血量和心输出量，使血液循环能够适应机体在各种生理状态的需要。单位时间内的静脉回心血量取决于外周静脉压和中心静脉压的差及静脉对血流的阻力。体循环平均充盈压反映血管系统充盈程度，血管系统内血液充盈程度越高，静脉回心血量愈多；心脏收缩功能正常时，舒张期心脏可从大静脉回吸血液；而心脏收缩功能减弱时，回心血量减少，血液淤积在心房和大静脉内。体位改变、骨骼肌的挤压作用和呼吸运动均能影响回心血量和外周血量。CVP可作为回心血量变化的指标，其高低主要取决于心脏射血能力和静脉回心血量之间的关系，但其受到许多因素的影响。内分泌和自主神经参与血容量和血液分布的调节，血管紧张素Ⅱ和醛固酮能减少钠离子排出，使血浆容量增加；心房充盈时心房利钠肽释放入血，肾脏排水排钠增多，使血浆容量减少；促红细胞生成素能使红细胞生成增多，可增加血容量；交感神经既可收缩小动脉也可收缩静脉，静脉收缩的主要作用是减少外周血容量，增加中心血容量。

血流阻力的变化受内、外因素影响。硬质管道的层流阻力可用法国生理学家泊肃叶（Poiseuille）定律表示：R=8ηL/πr4；η表示血液黏稠度；L表示管道长度，r表示管道半径。血管阻力取决于血液成分和血管特性，血液黏滞度与血细胞比容和血浆蛋白浓度正相关，血管半径有自主神经系统控制，血管半径通过血管舒张与收缩来调节血管阻力，该计算结果为实际血管阻力的近似值，因为血管是弹性管道，逐渐形成细分支；血流呈搏动性，并非真正的层流，而呈湍流特征，观察结果并不能真正代表血流阻力。细静脉是各种调节机制作用的主要部位，这些调节机制可以引起血管的舒张或收缩；冠状动脉、脑和肾血管阻力主要根据各自器官供需调节。系统血管阻力主要受体液、神经系统及药物等影响。

临床上常见的由各种严重致病因素，如：失血、失液、感染、创伤、心功能障碍等作用下，致使有效循环血量急剧减少，组织血液灌流严重不足，导致各重要生命器官和细胞的功能代谢障碍的综合征称为休克。为了纠正休克状态，必须通过液体输注以提高心排血量及恢复组织灌注，但同时必须考虑液体种类并严密监测心脏、肺组织等各脏器的耐受情况，以防输注过量发生心衰、肺水肿，这要求在液体复苏与机体反应之间做出最佳化调节，即容量管理。正确评估危重患者的容量状态是实施容量管理的基础。如何正确评估危重患者的容量状态要先明确休克的病因。无论哪种休克，其发生都有着共同的病理基础，即：有效循环血量减少和组织灌注不足。机体有效循环血量的维持需要有足够的循环血量、良好的心脏泵功能及正常的血管舒缩功能，各种病因均通过改变这三个环节中的一个或几个影响有效循环血量而导致休克。根据发生在上述三个环节的病因可将休克分为低血容量性休克、分布性休克、心源性休克和梗阻性休克。

低血容量性休克是指各种病因引起的机体血容量减少所致的休克，如失血、失液、烧伤、创伤等原因。大量的体液丢失或血管通透性增加可导致血容量急剧减少，静脉回流不足，心输出量减少和血压降低。临床上监测指标主要表现为中心静脉压（CVP）降低、动脉血压降低、肺毛细血管嵌压（PCWP）降低、心输出量（CO）降低、外周阻力（SVR）增高。

分布性休克常常指血管源性休克，是指由于外周血管扩张，血管床容量增加，大量血液瘀滞在扩张的小血管内，使有效循环血量减少而引起的休克。感染性休克和过敏性休克是临床上最为常见的分布性休克。在高动力型感染性休克或过敏性休克时，内源性或外源性血管活性物质使血管扩张，血管床容量明显增加，大量血液瘀滞在扩张的血管内，使有效循环血量减少而导致休克。神经源性休克时，严重的脑部、脊髓损伤或麻醉，以及创伤病人的剧痛等均可抑制交感缩血管功能，使动静脉张力难以维持，引起一过性血管扩张，而使静脉血管容量明显增加，有效循环血量明显减少。临床上监测指标主要表现为CVP降低、动脉血压降低、PCWP降低、CO升高、SVR降低。

心源性休克是指由于心泵功能障碍（如急性心肌梗死）导致心排出量急剧减少，有效循环血量显著下降引起的休克。可分为左心源性休克和右心源性休克：左心源性休克在临床上监测指标主要表现为CVP升高、动脉血压降低、PCWP升高、CO下降、SVR升高；右心源性休克在临床上监测指标则主要表现为CVP升高、动脉血压降低、PCWP降低、CO下降、SVR升高。

梗阻性休克的基础是心脏内部或心脏以外原因的血流阻塞导致左室舒张期不能充分充盈，从而使心输出量下降。常见于急性心包填塞、缩窄性心包疾患、肺动脉主干栓塞、主动脉缩窄等。在临床上监测指标主要表现为CVP升高、动脉血压降低、PCWP升高、CO下降、SVR升高。

第二节　Frank-Starling定律

Frank-Starling定律的出现可追溯到19世纪末、20世纪初，德国生理学家Frank教授于1885年在离体蛙心实验中观察到心肌收缩力随心肌初长度增加而增加的现象。在此基础上，近三十年后的1914年，英国生理学家Starling教授及其团队报告了他们的实验研究结果，提出了心脏和肌肉组织一样，心脏收缩释放的能量是肌纤维长度的函数，在一定范围内增加静脉回心血量，心室收缩力随之增强；而当静脉回心血量增大到一定限度时，心室收缩力则不再增强而室内压开始下降。Starling将心室舒张末期容积在一定范围内增加可增强心室收缩力这样的一个现象称为“心定律”（law of heart）。其后，这个定律得到各国学者的认同和重视，被称为Frank-Starling心脏做功定律。

一、Frank的实验研究

1885年，Frank教授将离体骨骼肌所具有的长度-张力关系与心肌相联系，研究心肌收缩与肌纤维长度的关系（长度-张力关系）。通过研究离体心肌发现，在一定范围内伸展离体心肌束，随着其长度增加，它能产生的收缩力就越大；而超过某一范围后再继续伸展，所产生的收缩力减小，当肌肉松弛到无张力的静息长度时，主动收缩极少。在进一步的蛙心实验研究中，再次证实：在一定范围内，蛙心的收缩力随着心室充盈压（前负荷）的增加而增加。他的研究突出了心肌收缩前的压力刺激，即心室充盈压、前负荷、肌纤维长度与其收缩力之间的相关性。根据研究结果，Frank教授提出了计算心脏做功的公式，即Frank公式：“W=PV+（1/2mv2）”（W为心脏每搏收缩做功，P为平均主动脉压，V为每搏量，1/2mv2为心脏收缩搏出的血液所具有的动能）。

二、Starling的实验研究

1914年，Starling教授及其同事报告了他们研究离体心脏做功和心室充盈压力与容积、或每搏（输出）量和心输出量与静脉回心血量之间的关系。他们证实，在一定范围内增加静脉回心血量引起心室充盈压力增加时，心输出量随着心室充盈压力的增加而增加；与此相反，主动脉阻力即使显著增高，心输出量也保持不变。他们认为，增加静脉回心血量，提高充盈压（前负荷），可使整个心脏的肌肉受到伸展，其情况和Frank实验中离体心肌受到伸展时的情况一样，心肌纤维长度增加，引起了心脏收缩力增强。

他们在归纳总结该实验结果、解释心脏搏动的调节时，得出如下推论：“心输出量和静脉回心血量相同，并由静脉回心血量决定，且可在很大范围内根据流入量的变化而增减”。虽然，完整心脏的心肌纤维长度无法直接测定，但心脏的容积取决于心肌纤维的长度，而心肌纤维的张力决定心室腔内压力，所以在心脏生理学和临床研究的心室做功图（压力-容积关系，压力-容积环）中，人们用舒张末期容积（end diastolic velocity，EDV）来代表心肌纤维的长度、以心室腔内压力表示心肌纤维的张力，将上述推论简述为：静脉回心血量越多，EDV越大（在生理限度范围内），心脏收缩力越强，即心脏做功是EDV的函数。这一结论，也有人将之表述为：静脉回心血量越多，心输出量就越多；前负荷调节心脏收缩的强度；心脏做功决定于静脉回心血量等，这就是生理学中著名的Frank-Starling现象—“异长自身调节”。Frank-Starling心脏做功定律简称Starling定律。

三、Frank-Starling定律的生理学意义

根据Starling定律，一定的前负荷范围内心室舒张末期容量越大，心室肌初长度越长，心肌收缩力越强，心输出量越多。通过异常自身调节，可以对搏出量的微小变化进行精细的调节，使心室射血量与静脉回心血量之间保持平衡，从而使心室舒张末期的容积和压力保持在正常范围内。

目前，该定律作为心脏生理学中的“经典”理论，在医学教科书中广泛引用，解释正常和疾病情况中的一些心血管反应。尽管“定律”已经被“公认”，但人们对其机理的研究，并没有因此而停止。近30年来，在分子水平上对“定律”机理进行的探讨，还是一个非常热门的研究课题。

第三节　心室功能曲线

为了分析前负荷和初长度对心脏泵血功能的影响，可以在实验中逐步改变心室舒张末期压力和容积，并且测量射血心室的每搏做功或等容心室的室内峰压，将一系列每搏做功或室内峰压数据对应心室舒张末期压力和容积，绘制成坐标图，即压力—心脏每搏做功曲线，也即为心功能曲线（图1-2-1）。

心室功能曲线大致可以分为三段：①充盈压12～15mmHg是人体心室最适前负荷，位于心室功能曲线左侧的升支段；表明当前负荷未达最适水平之前，每搏做功或等容峰压随着初长度的增加而增加。通常情况下，左室充盈压5～6mmHg，可见正常心室在功能曲线的升支段工作，前负荷尚远离其最适水平。这一特征表明心室具有较大程度的初长度贮备，心室通过前负荷，即异长调节机制，使泵血功能增强的容许范围是很宽的。也有人将此区域称为前负荷依赖区，提示心输出量将随着补液而增加。②充盈压15～20mmHg范围内，曲线逐渐平坦，说明前负荷在上限范围内变动对泵血功能的影响不大。也有人将此区域称为非前负荷依赖区，提示心输出量将不随着补液而增加。③随后的曲线呈平坦状，或者轻度下倾，并不表现为明显的降支，这一点说明正常心室充盈压即使超过20mmHg，每搏做功不变或仅轻度减少，只有在发生严重病理变化的心室功能曲线才出现降支。

血流动力学的ABC理论是应用血流动力学监测对循环功能进行支持性治疗的基础理论（图1-2-2）。

根据Starling定律，在正常情况下，随着心室舒张末期容积的增加，每搏输出量也相应增加（曲线1）。当心肌收缩力受损时，每搏输出量随着舒张末期容积的增加而增加的程度明显下降，曲线呈低平状态（曲线2）。在进行临床血流动力学监测时，将每次测量的数值在图中标记处的点称为心功能点，D点则是治疗的目标点。

如果初次测得患者的心功能点为A点，那么，应用心脏正性肌力药物和进行扩容治疗都可能使A点移向D点。如果首先应用心脏正性肌力药物，正性肌力药物可以使曲线2移向曲线1，从而使得A点沿虚线方向直接移向D点。如果首先进行扩容治疗，增加心脏的前负荷，若心肌功能正常，A点会沿曲线1移向D点，这是临床上所期望获得的结果；如果心肌功能受损，A点则沿曲线2移向B点。此时再应用正性肌力药物，心功能点则由B点移向D点。从A点不同的移动方向中可以看出，由A点到B点首先调整了心脏的前负荷，首先发挥了心脏自身的代偿作用，之后应用正性肌力药物使心功能点由B点移向D点，这时应用正性肌力药物的剂量明显少于由A点沿虚线移向D点所需要的正性肌力药物的剂量。

所以，A→B→D是将心功能点由A点移向D点的最佳选择。同理，如果患者的心功能点在C点，将心功能点由C点移向D点的最佳选择是C→B→D。

从这个示意图可以看出，心脏每搏输出量不足可能是由于或同时并存前负荷过多或前负荷不足，调整心脏前负荷是增加每搏输出量的首要治疗措施。只有在心脏处于自身最佳的做功状态后，应用正性肌力药物，才有可能取得最佳的治疗效果。对于心功能不全的患者一味地强调脱水或盲目地进行补液都同样带有片面性，这个理论就是血流动力学的ABC理论。

（马柳梅　罗吉利　吴文　钱传云）

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