血管力學篇（5）：心室後負荷之槪念

文： 張國柱（Chang，Kuo-Chu）

         台大醫學院名譽教授

 

高血壓對心臟收縮（systolic）功能、舒張（diastolic）功能所造成的危害，其嚴重程度端視加諸於心臟外部負荷（external load）的強度而定。心室外部負荷又稱為心室後負荷（ventricular afterload），其定義為：【當心室收縮欲將血液由心臟壓送至動脈管時，對抗這一射血動作的所有外部因子稱之為心室後負荷。】由於心室射血時所面對的是動脈管，因此【心室後負荷也就等同於動脈管的物理性質】。心室後負荷包括穩態（steady）和脈態（pulsatile）兩種成分，因此在探討動脈管的物理性質時，便需要找尋合適的量化參數以便能夠完整地描述心室後負荷，並據此探究心室與血管之間的交互作用（ventricular/vascular interaction or coupling）。

 

心室後負荷的良好指標必須不受心跳（heart rate）、心臟收縮力（cardiac contractility）和前負荷（preload）所影響。今將時下較常使用的指標簡述如下：

 

心室壁應力（ventricular wall stress）

有些學者以心室壁應力來量化心室後負荷，但這指標的缺點如下：

 

（1） 心室快速射血時，因為血液的慣性與黏滯性將導致心室壓和壁應力的上升。因此以心室壁應力量化心室後負荷，將造成心臟本身也是決定後負荷的因子之一，

 

（2） 心室射血期間，若血液和動脈管的物理性質保持不變，其壁應力依然隨著時間在改變，

 

（3） 心室所產生的壓力是用來壓送血液進入動脈、擴張動脈容積，因此在心室血流方面將導致左心室壓與主動脈血流之間存在著相位差。

 

根據後負荷的定義，吾人可理解到使用心室壓、心室壁應力或由心室壓所導衍之血行力學參數來描述心室後負荷，並不十分恰當。

 

血管阻力（vascular resistance）

根據定義：血管阻力 ＝ 平均動脈壓 ÷ 平均血流。血管阻力代表了心室後負荷的穩態成分，因此血管阻力並不足以完整描述並量化心室後負荷。被廣泛使用的平均動脈壓亦然，因為心室後負荷亦包含脈態的成分。

 

動脈阻抗（arterial impedance）

血液的物理性質（如密度、黏滯度）與動脈管壁的物理性質（如管壁的黏滯彈性和管腔內徑）共同決定了動脈之血壓對血流的比值，也就是動脈阻抗。阻抗一詞導源於工程理論。動脈之血壓與血流的關係很是複雜，但可敘述如下：將動脈系統考慮為線性且為非時變之系統（linear and time-invariant system），那麼以脈動的血流波作為此系統的輸入訊號，脈動的血壓波作為此系統的輸出訊號，則動脈脈衝響應（arterial impulse response）便具備了描述並量化動脈管的所有力學特性。對頻域（frequency domain）而言，相對於時域（time domain）脈衝響應之頻率響應（frequency response）便是動脈的阻抗頻譜（arterial impedance spectrum），其摡念為

（1） 阻抗頻譜第n個諧波（harmonic）的振幅 ＝ 第n個諧波的血壓振幅 ÷ 第n個諧波的血流振幅，

 

（2） 阻抗頻譜第n個諧波的相位角 ＝ 第n個諧波的血壓相位角–第n個諧波的血流相位角。第n個諧波的頻率 ＝ 基本頻率的n倍；基本頻率也就是心跳速率（heart rate）。

  

血管阻抗和血管阻力之差異

血管阻抗包括了動脈物理性質的穩態和脈態成分，而血管阻力則僅為動脈物理性質的穩態成分。在人類和哺乳類動物實驗中發現：主動脈和肺動脈之血管阻抗均受物理刺激、化學藥物和生理病理等因素的影響而發生顯著的變化。這些証據可用來描述心室功能與主動脈輸入阻抗之間的關係。換言之，動脈管的物理性質可影響主動脈根部之血壓對血流諧波振幅的比值，這一比值可決定性地影響心臟壓送血液進入動脈管的功能。因此，主動脈輸入阻抗（aortic input impedance）正是量化心臟外部因子、阻礙心室血流的最佳指標。

  

主動脈輸入阻抗量化心室後負荷的優點

Milnor主張使用主動脈輸入阻抗來量化心室後負荷，而非使用時變的心室壓或壁應力。其優點如下：

 

（1） 當血壓於射血期間隨時間而改變時，並不須要假設後負荷也需隨時間而改變，也就是說只要動脈系統的物理性質保持不變，那麼後負荷也就維持不變。至於血壓與血流在心週期內隨時間的變化，可視為心室與心室後負荷之間彼此交互作用的結果，

 

（2） 阻抗頻譜展現了頻率相關與動脈波反射（arterial wave reflection）的特性，這是其它參數所難以表達的。

 

結語

動脈阻抗可用阻抗的振幅與相位來表示。於物理和電機工程的領域𥚃，訊號的特徵可由振幅與相位加以完整地表達。因此，輸入阻抗頻譜也就完整地量化了加諸於心室的後負荷。心臟必須作功對抗後負荷，以期將血液往週邊循環壓送。因此心臟對外所做的功不僅僅是決定於心肌的收縮力（myocardial contractility），亦決定於血管與血液的物理性質，也就是動脈的阻抗特性。

附註說明

動脈參數之計算，請參考「動脈阻抗之計算與脈波反射特性之量化」