心臟收縮力學 (1)：心臟收縮力之量化

文： 張國柱（Chang，Kuo-Chu）

         台大名譽教授

 

日期：2018/09/09

 

心臟收縮功能（systolic function）的主要目的是提供身體合適的血流以行代謝之所需。心臟收縮功能可用心輸出量（cardiac output）加以描述。心輸出量的多寡取決於心跳（heart rate）、心肌收縮力（myocardial contractility）、前負荷（preload）和後負荷（afterload）的共同運作。因此心臟收縮功能並不等同於心臟收縮力，彼此不可互換。

 

左心室壓力-體積迴圈（pressure-volume loop，P-V loop）

1960、1970年代，以Sagawa和Suga為首的日本學者提出了時變彈性模式（time-varying elastance model）作為探討哺乳類動物整體心臟內質收縮力（intrinsic contractility of the intact heart）的基礎。時變彈性模式與左心室的壓力-體積迴圈有關：以左心室壓為縱座標，左心室體積為橫座標，一個心週期所圍繞的壓力-體積迴圈，便是左心室的P-V loop。建構P-V loop的時序如下：

 

（1） 當前一個週期的僧帽瓣關閉而主動脈瓣尚未開啓時，整個左心室形成密閉的腔室，此時左心室體積不變，但壓力持續增高，此期稱為等體積收縮期（isovolumic contraction period，ICP），

 

（2） 當左心室壓高過主動脈壓，主動脈瓣被迫開啓，左心室收縮將腔室內的血液壓送至動脈管，此時左心室體積迅速下降，此期稱為心室射血期（ventricular ejecting period），

 

（3） 當主動脈壓高過左心室壓，主動脈瓣被迫關閉而僧帽瓣尚未開啓時，整個左心室形成密閉的腔室， 此時左心室體積不變，但壓力持續下降，此期稱為等體積舒張期（isovolumic relaxation period，IRP），

 

（4） 當僧帽瓣開啓，血液從左心房開始灌注左心室直到填血末了（僧帽瓣關閉），此期稱為心室填血期（ventricular filling period）。

 

時變彈性模式

時變彈性之數學式如下：

 

E(t) = P(t) / [V(t) － V0] --------------------------- (1)

 

E(t) 代表時變彈性；P(t) 代表時變的左心室壓；V(t) 代表時變的左心室體積；V0 代表左心室壓為零時的體積，是無法直接測得的理論值。

 

由時變彈性模式可知：隨著左心室由等體積收縮期進展至射血末期，E(t) 隨時序而增加；當左心室從射血末期進展至等體積舒張期，E(t) 則隨時序而下降。因此 E(t) 隨著時序由增加到下降，必定有個最大 E(t) 值的時間點，這個時間點便是Sagawa和Suga團隊所定義的收縮終了（end of systole）。請注意：收縮終了和射血終了（end of ejection）兩者意義不同，收縮終了代表 E(t) 達到最大值的時間點，而射血終了則代表血流為零的時間點。只當後負荷大到足以導致左心室無法將血液壓送至動脈管時，收縮終了和射血終了才是相同的時間點。

 

末期收縮壓-體積關聯（end-systolic pressure-volume relationship，ESPVR）

Sagawa和Suga等人發現：哺乳類動物在生理範疇內，左心室之ESPVR具有直線的特性，其數學式如下：

 

Ees = Pes/ [Ves － V0] ------------------------------- (2)

 

Ees 代表末期收縮彈性（end-systolic elastance）；Pes 代表末期收縮壓（end-systolic pressure）；Ves 代表末期收縮體積（end-systolic volume）。因此ESPVR有兩個指標可以描述心臟的物理性質：（1）ESPVR的斜率，也就是 Ees；（2）ESPVR的截距，也就是 V0。Sagawa和Suga等人發現左心室的 Ees （而非V0）可反映心臟收縮力的變化（靈敏性）；並在心室收縮狀態恆定的情況下，Ees 與心跳、前負荷及後負荷無關（專一性）。因此 Ees（而非V0）可用來當作心臟內質收縮力的指標。

 

末期收縮壓-心搏出量關聯（end-systolic pressure-stroke volume relationship，ESPVsR）

吾人可經由ESPVR的數學基礎，推𧗠出左心室之ESPVsR，以計算左心室的 Ees。

 

因為 Ves = Ved － SV，代入公式（2）可得

 

Ees = Pes / [（Ved － SV）－ V0]

 

    = Pes / [（Veed － SV）] ------------------------- (3)

 

SV 代表心搏出量（stroke volume）；Ved代表末期舒張體積（end-diastolic volume）；Veed = Ved－V0代表等效末期舒張體積（effective end-diastolic volume）。時變的SV可由升主動脈血流（ascending aortic flow）的時變積分而得。

 

左心室Ees之計算

由前述可知，在估算左心室 Ees 時，必須（1）同歩測得左心室壓和左心室體積以建構ESPVR，或（2）同歩測得左心室壓和升主動脈血流以建構ESPVsR。

 

結語

心肌收縮力是個非常抽象的概念。基本上，它是心肌細胞物理化學狀態的表現，不受心跳、前負荷與後負荷的變化所干擾。長久以來，左心室總被認為是個彈性囊（elastic sac），收縮時有能力產生壓力以壓送血液至循環系統，提供各組織、器官行代謝之所需；舒張時能夠反彈回復到收縮前的組態，以利填血，提供下一次心摶射血之用。心臟收縮狀態的改變，可以改變 E(t) 的時程。舉例來說：正肌力的干預（positive inotropic intervention）可以增加 Ees 的強度，並縮減收縮開始（onset of contraction）至 Ees 的時間。Ees 似乎不受前負荷與後負荷的干擾，並對心肌收縮力的改變有良好的靈敏度。因此Sagawa和Suga等人建議：【Ees 是值得信賴的心臟內質收縮力的指標！】

 

 

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