《生物力学课程-心脏力学.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物力学课程-心脏力学.ppt（81页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、,心脏力学,心脏在血液循环系统中周流不息、循环不止。循环系统中推动血液运动的动力源是心脏。心脏有节律的收缩和舒张运动，以及心脏瓣膜的单向导流作用，保证了心脏能起到推动血液循环的动力泵作用。,第一节 心脏构造(The structure of heart)一.人的心脏分为四个腔室 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，这主要是它们在血液循环中起的作用及提供和承受的压力的大小不同所致，右心室的压力仅为左心室的1/6左右。,二.循环,体循环动力源于左心室，血泵入主动脉，经过动脉、毛细血管、静脉系统流回右心房，经三尖瓣进入右心室。肺循环的动力由此发出。右心室收缩将血泵
2、入肺动脉，经肺微血管进行氧合后进入肺静脉，流回左心房，左心房中的经二尖瓣再压入左心室，从而完成了整个血液循环。,三.瓣膜 由于血液是单向流动，因此在心房到心室，心室到动脉之间都有单向“阀门”进行控制，这就是心脏的四个瓣膜。四个瓣膜位于同一个平面上。由于左心室的负荷较高，因此四个瓣膜中二尖瓣和主动脉瓣的发生病变的机率最高。,心脏瓣膜由胶原纤维构成，是一层致密的结缔组织，非常柔韧，很容易变形，其两侧表面覆盖着心内膜，胶原纤维使瓣叶强韧，经受住较大的负荷，而内皮组织又具有抗血栓形成的功能。,四.心壁可分为三层 心内膜 心肌层 心外膜 心内膜是一层光滑的薄膜，由内皮组织和少量的结缔组织组成，因此有利于
3、血液流动，且可抗血栓形成。,上皮组织 心外膜 纤维结缔组织 少量脂肪组织 它与坚韧的心包膜相连形成密闭的心包腔，腔内有少量液体，可减少心脏运动过程与周围组织的摩擦，并限制心脏过分扩大。,心肌层由心肌纤维呈复杂排列，成束的心肌细胞呈螺旋状排列，肌纤维的方向从心外膜到心内膜也呈旋转状。以左心室壁为例，与心外膜相邻的肌纤维自心尖到基底纵向排列，同时肌纤维向心室内壁旋转，在心壁中层纤维平行于基底，然后向内继续旋转，邻近心内膜处肌纤维又变成纵向排列。这种结构在心脏收缩时，心肌各部分同时作用产生的力使心室近于球形，有利于心脏射血。,第二节 心电系统(electrocardio-system)心脏功能状态与
4、两个过程密切相关，即心电过程和心肌收缩过程，因为心肌收缩是在心电信号的刺激下进行的。,心脏由心肌组成。由于心肌的每次收缩都需要电刺激，故心脏必有一完整的电系统：电信号发生中心 电信号传输系统,心电的产生和传输:1.窦房结（S-A结）:心脏的电信号发生中心，是每一心博周期内最 早出现电活动的区域。在成人的心房中其尺寸约为253（或4）2mm3。由小而圆的起博P细胞和细长的过度细胞组成。,发自S-A的电信号,直接传到右心房传输速度为1m/s,若干特定的肌纤维束将信号 传至左心房,三条肌纤维束将S-A的信号传至 房室结A-V,2.房室结（A-V结）:A-V结是信号传输站，31022mm3。组成与S-
5、A差不多，但P细胞较少。A-V结使来自S-A结的信号迟后一定的时间,然后再经房室束或称希氏束传向心室。希氏束是连接心房和心室的唯一的肌肉组织。人体的希氏束在分叉前长约为12mm。,电信号传输到A-V结的滞后现象使得心室有充分的时间舒张，有利于心房的血向心室充盈。这一滞后在心电图中表现为P波与QRS综合波之间的一段时间间隔。如果A-V结的滞后现象延长，或者心房的兴奋部分地或全部地被阻止传到心室，则称为传导阻滞。病理性传导阻滞可因神经作用、炎症或药物因素所引起。,希氏束（房室束）,左束支,右束支,浦肯野氏纤维，遍布于两心室壁上。传输速度约14m/s。,最后，电信号由心肌细胞自身传输，由一个心肌细胞
6、到下一个心肌细胞。,表达了心电系统及心电系统的各个部位的动作电位变化的过程和体表心电图。,体表心电图是将测量电极放置在人体表面一定部位所记录出来的心电变化曲线。通过详细分析这些电位的变化，可以大概了解心脏的解剖学定位、心脏的相对大小、节律和传导的各种障碍、心肌缺血性损伤的范围、位置和进程以及某种药物的影响等等。但必须强调的是心电图反映心脏兴奋产生、传导和恢复过程中的生物电变化，并不能直接给出关于心脏作为一个泵的力学性能信息。,第三节 心脏搏动的力学过程,The mechanical process of cardiac impulse,心脏在血液循环中起着动力泵的作用。心房或心室舒张时，肌肉松
7、弛，心腔扩大，其内压降低，静脉血回流入心；心房或心室收缩时，心肌收缩，心腔缩小，其内压升高，将血液泵入动脉。,整个过程中，心肌的收缩是在心电信号的刺激下产生的。心动周期心房或心室每收缩和舒张一次所经历的时间。成年人的正常心率约每分钟75次，故每一心动周期约0.8秒。,0.8秒,心房和心室有共同的舒张期0.4秒，由此可见每次收缩后有充分的舒张时间使心脏得以休息。,左心房、左心室、右心房、右心室以及主动脉和肺动脉中压力的变化关系，并且图中表示出了四个瓣膜的开闭状态,心房、心室舒缩,心房和心室之间，心室和主动脉之间 压力差,瓣膜启闭和血液流动的直接动力,瓣膜的启闭则在血液单向流动方面起关键作用。,总
8、之，心脏是个很精密又很复杂的器官，它的功能的正常发挥是生化、心电、机械运动等多种过程的综合。其中任何一个环节出现问题，心脏就不能正常工作，这将给人的生命带来威胁。,第四节 左心室的压力容积关系(Pressure-Volumn of ventriculus sinister cordis 在一个心动周期中，心脏（以左心室为例）内的压力p(t)和容积V(t)都是随时间t作周期性变化，那么若将p(t)和V(t)曲线在p-V图上表示成一个压力-容积环，它可表示心脏的工作过程。,（1）AB段表示心室充盈期或舒张期。充盈期从A点开始，在A点处，二尖瓣开启，此时心室处于舒张状态，心肌松弛，心房向心室充血，使
9、其达到B点，这时心室容积到最大，称为舒张期末容积Ved，而压力仅有少许上升直达到舒张期末压力ped。在B点二尖瓣关闭。,（2）BC段表示心室的等容收缩期。从二尖瓣关闭的B点开始到C点是心室的等容收缩期。在BC段，心室收缩使心室压力急剧上升，但由于主动脉瓣尚未开启，所以心室容积不变。,（3）CD段表示心室射血期或收缩期。从主动脉瓣开启的C点开始，心室收缩将血液射入主动脉，心室容积减小到D点所对应的容积值，这称为收缩期末容积Ves，D点所对应的压力称为收缩期末压力Pes。,（4）DA段表示心室的等容舒张期，从主动脉瓣关闭的D点开始，心室舒张，压力下降，但心室的容积保持不变，这称为等容舒张期。在DA
10、段，心室压力降到A点，使二尖瓣再次开启，进入下一个循环。,由此可见，利用压力-容积环，可以解释一个心动周期内心脏的力学过程。在 p-V 图上，心脏的压力-容积环是反时针方向进行的。在心室充盈期（AB段）和射血期（CD段）心室容积有较大范围变化，而心室压力变化却不大。在等容舒张和收缩期，心室压力有急剧变化。,由压力-容积环可直接读出心室舒张末期的压力ped和Ved以及收缩末期的压力Pes和容积Ves。显然心室的每搏输出量将为SV=VedVed。而压力-容积环所包围的面积则表示一个心动周期内左心室所作的输出功。,第五节 心脏的泵功能 从医学和生理学来看，心脏的功能状态与两个过程密切相关，即,心电过
11、程-心电图的宏观反映,心肌收缩过程-体现为心脏的泵功能,心脏泵功能正常与否直接关系到心脏向外周血管输送血液量的多少，这是医学临床研究中经常遇到和关心的问题。,临床上将心脏泵血功能障碍导致心输出量减少，以至于不能满足全身组织代谢需要的病理过程称为心力衰竭，同时将心力衰竭的早期过程称为心功能不全，心力衰竭往往是多种心血管疾病发展变化的共同结果。,心力衰竭的临床表现受心力衰竭发生部位的影响而不同。按发生部位分为左心衰竭、右心衰竭和全心衰竭。左心衰竭多见于冠状动脉粥样硬化性心脏病、高血压、主动脉狭窄或关闭不全、二尖瓣狭窄或关闭不全等，导致左心输出量减少，肺部淤血或水肿。,右心衰竭见于肺心病、三尖瓣或肺
12、动脉瓣疾病，并常继发于左心衰竭，结果表现有心输出量减少、静脉压增加，常伴有下肢水肿，严重时可伴有全身水肿。,全心衰竭是左右心室同时发生的一种心力衰竭，如心肌炎、心肌病等引起全身衰竭，或继发于左心衰并发右心衰竭，结果表现既有左心衰又有右心衰的临床症状。,显然心输出量的减少与组织代谢对血液量的需求增加都会导致心功能不全或心力衰竭。有时心力衰竭发生在心输出量并不减少甚至是升高时，但机体对血液量的需求增加使心输出量相对减少，因此心力衰竭可分为高输出和低输出两类心力衰竭。总之，心力衰竭是一种心脏功能的严重失代偿表现。因此，在临床上需客观的指标评价心脏的泵功能。,一、评价心脏泵功能的指标心输出量心脏指数射
13、血分数搏功等,二、影响心脏泵功能的因素 如前所述，在一个心动周期内，心电图 房室压力 房室容积 心脏瓣膜 均发生一系列的变化：,心电信号的发生,心肌的收缩和舒张,导致房室压力和容积的改变,控制着各瓣膜的开启和关闭,从而实现了心脏的泵血功能，保证全身各组织和器官代谢需要的血液供给。,心肌收缩舒张的协调性,心肌的弹性和顺应性,心肌舒缩耗能作功的能力,心室舒张末期的容积与压力高低（前负荷）,血液在心脏端口阻力的大小（后负荷）,各房室瓣膜启闭的性能,心率快慢,在整个过程中，,对心脏搏出量均有直接影响。,心室舒张末期容积心脏的前负荷心脏输出端口阻力心脏的后负荷,例如，房室心肌的弹性和顺应性降低使心肌舒张
14、收缩性能减弱，因此直接影响心脏的泵血功能；房室心肌舒缩不协调、左右心房或心室不协调、各房室瓣膜不能按时启闭，结果表现为心脏搏出量减少；同样房室瓣膜结构障碍如二尖瓣、三尖瓣狭窄或关闭不全时，也可导致心脏搏出量减少；,总之，从动力学角度看体循环，,及等是影响心输出量的主要因素。,心脏的前负荷,心脏的后负荷,心肌收缩力,外周血液循环,心率变化,第六节 心脏瓣膜的流体力学问题简介 对于心脏来说，最有意思的流体力学问题是心室的充盈和射血，而这和心脏瓣膜的运动密切相关。健康人的瓣膜是非常有效的装置。打开时，它们对流动的阻力极小，而在很小的压差下它们立即关闭，倒流量很小。它们是由胶原纤维构成的，因而其启闭完
15、全受流体动力控制。瓣膜的开启原理并不难理解，引起争议的是关闭机制。,心脏瓣膜关闭的机理：在射血后期，流动减速，它造成的逆压力梯度使主动脉瓣（或肺动脉瓣）关闭。二尖瓣和三尖瓣关闭原理与此相同。由于瓣膜关闭是加速度引起的，故非常灵敏，基本上没有倒流。,第七节 心脏瓣膜病及其 血流动力学变化,心脏瓣膜病是指心瓣膜因先天性发育异常或后天性疾病造成的器质性病变，表现为瓣膜口狭窄或关闭不全，是最常见的慢性心脏病之一。,瓣膜关闭不全是指心瓣膜关闭时瓣膜口不能完全闭合，使一部分血流返回。瓣膜口狭窄指瓣膜开放时不能充分张开，瓣膜口因而缩小，导致血流通过障碍。瓣膜口狭窄或关闭不全可以单独存在，也可合并存在。病变可
16、仅累及一个瓣膜，但也可两个以上瓣膜（如二尖瓣和主动脉瓣）同时或先后受累，称联合瓣膜病。,心瓣膜病的主要危害是引起血流动力学的紊乱，加重相应心房和心室的压力性负荷，（瓣膜口狭窄时）或容积性负荷（瓣膜口关闭不全时），导致相应的心房和心室代偿性肥厚（代偿期）。在代偿期，可不出现明显的血液循环障碍症状，当病变加重进入失代偿期，则可出现肺循环和体循环血液循环障碍症状和体征。,二尖瓣狭窄 心室舒张时，左心房的血不能完全进入，部分血存留于左心房 左心房扩张、肥厚，内压升 影响肺循环，造成肺淤血，肺动脉高压 右心室肥厚、扩张 右心衰,二尖瓣关闭不全（可与狭窄同时发生）左心室收缩时，部分血从左心室返流于左心房，
17、左心房血流，压力，左心房扩大、肥厚 右心室舒张时，左心房流入的血量相应（左心房存的血）左心室容积性负荷 代偿性肥大，久之，左心房、室均发生失代偿，左心衰 肺淤血，肺动脉高压 右心代偿性肥大、进而失代偿 右心衰、全身静脉淤血,主动脉狭窄对主动脉输出的影响（1）左心室的血不能完全泵入主动脉，心输出量心功能。（2）冠状动脉供血不足 心肌缺血。,对左心室影响 左心室存血，左心室内压 左心室扩大、肥厚，严重时左心房也随之肥大 肺慢性淤血 右心肥大 右心衰,主动脉关闭不全 1.左心室舒张时,主动脉的血返流于左心室造成：左心室同时接受从左心房和主动脉的血，左心室容量，心腔扩大、增厚。返流使冠状动脉灌注不足，
18、心肌缺血。2.左心室收缩时（等容收缩），血泄流于 主动脉，左心室压力升高受限 Ws。,第八节 人造心脏瓣膜 病人的瓣膜严重毁损，往往不能用单纯成形方法进行矫治，而需要将瓣膜装置的一部或全部用人工代用品加以替换，即人造瓣膜。,人造心脏瓣膜实为一单向阀门，保证血液向前流动而不发生返流，在功能上与人体自然的心脏瓣膜相同。人造心脏瓣膜的理想标准是：（1）流体力学性能接近正常的自然瓣。即开放时瓣口阻力最小，跨瓣口压力阶差接近于零；瓣口关闭快而严闭，没有回流，血液经过瓣口流场合乎生理，无明显涡流。,（2）耐久性能好，在植入后的整个生命过程中，人造瓣膜的材料和结构无论是化学的或物理的，性能长期保持稳定。（3
19、）人造瓣膜与机体的相容性好。具有良好的抗血栓作用，不破坏血液成分，不产生溶血，没有明显的排异反应。（4）人造瓣膜具有临床应用的可行性，即外科手术简单易行。,一机械瓣膜 人造心脏瓣膜全部采用人工材料制成的称为机械瓣膜。,人造机械瓣膜有较好的耐久性，但任何种类的机械瓣膜，无论何种材料制成和瓣膜置入在何种部位，均需要进行长期的抗凝治疗。机械瓣膜替换手术后最为可怕的并发症是血栓栓塞，手术后第一年发生血栓栓塞率最高。,二生物瓣膜 生物瓣膜是采用生物组织仿照人体自然瓣膜的结构制成。采用的生物组织有同种主动脉瓣，同种阔筋膜、硬脑膜；异种主动脉瓣，异种心包等。,生物瓣膜的瓣口中心无活瓣阻挡，成中心通道，生物组
20、织与血液接触面光滑不易形成血栓。生物瓣膜于60年代初期开始使用，但因耐久性极差，未能得到推广。直到1965年，采用戊二醛对生物组织进行处理后，瓣膜的耐久性大大提高，自此各种生物瓣膜才应运而生。,但是，移植的生物组织终究是离体的，失去了生命活力的组织，进行性衰退是不可避免的。生物瓣膜的退行性变可能与下列因素有关：（1）胶原退行性变。（2）疲劳损害。（3）钙化。（4）手术操作不当。（5）免疫排斥反应也可能是生物瓣膜退行性变不可忽视的原因。,三组织工程心脏瓣膜 随着组织工程技术的发展，组织工程心脏瓣膜被认为是一种潜在的理想的人造心脏瓣膜，具有非常重要的临床应用前景，是目前心脏瓣膜外科领域重大研究课题。,组织工程心脏瓣膜的基本思路和方法是：采用人工合成材料、同种或异种的脱细胞心脏瓣膜作为组织工程心脏瓣膜的支架，通过将体外扩增的患者自体活细胞种植在瓣膜支架上，细胞能够牢固黏附、生长，使其具有正常瓣膜组织的新陈代谢功能，最后应用于置换病变的瓣膜，在体发挥类似于正常瓣膜的功能。,因此组织工程心脏瓣膜不仅从功能上发挥正常瓣膜的功能，而且在结构上类似于正常瓣膜，目前被喻为活体生物瓣。从理论上讲，它完全克服了目前所用两类人造心脏瓣膜的缺点，具有非常重要的临床应用前景。组织工程心脏瓣膜的研究包括瓣膜支架材料、组织细胞来源和种植、体外预适应和在体动物实验等方面的内容。,
