心臟收縮力學（3）：單純彈性模型 vs 彈性-阻力模型

文：張國柱（台大退休教授）

 

日期：2019/06/20

 

心臟收縮力學之特徵，目前可被量化者有二：（1）收縮彈性（systolic elastance）和（2）理論最大血流（theoretical maximum flow，Qmax）。前者為心臟內質收縮力（intrinsic contractility）的指標，後者則與心臟收縮時之內部阻力（internal resistance）有關。左心室之收縮彈性可用單純彈性模型（pure elastance model）計算之，也就是末期收縮彈性 （end-systolic elastance，Ees）；亦可用彈性-阻力模型（elastance-resistance model）估算之，也就是最大收縮彈性 （maximal systolic elastance，Emax）。然而左心室之 Qmax 則只能使用彈性-阻力模型推導之。左心室之内部阻力與 Qmax 成反比關係。

 

除了收縮彈性和內部阻力外，心臟收縮力學還有哪些重要的特徵？

Hunter 指出心臟之收縮力學，除了收縮彈性和內部阻力之外，尚有一個難以量化的特徵，那便是心肌去活化（deactivation）的物理量。去活化的物理量代表心臓收縮的過程中，因著左心室腔室體積的變化所導致左心室血壓不可逆的損失，這是心臟收縮力學研究上最難以觀念和實驗確認的物理量。然而 Hunter 並不太強調這個物理量在心臟收縮過程的重要性，原因在於心肌去活化這個分量在心室收縮的早期並不顯著，僅在收縮的中期開始變得明顯，而在收縮的末期最為顯著。因此在評估心臟收縮力學的特徵時，僅僅使用收縮彈性和收縮阻力所建構的彈性-阻力模型便足以描述左心室壓-體積-血流之關係了。

 

彈性-阻力模型為什麼引不起學界的興趣？

由彈性-阻力模型的理論發展和實驗應用來說，它需要三個同時量測的時變生理訊號，那便是：（1）射血心跳（ejecting contraction）的脈態左心室血壓，（2）升主動脈血流，以及（3）無射血心跳（non-ejecting beat）的脈態等體積左心室血壓（isovolumic pressure）。很顯然地，等體積左心室血壓的量測技術是以阻斷升主動脈的血流為手段，這在臨床應用上是不被允許的。這或許就是彈性-阻力模型為什麼引不起學界興趣的理由吧！這也是為什麼彈性-阻力模型在1980年代發展至今，僅在少數的動物實驗用來探討心臓之收縮彈性和內部阻力外，尚無人類臨床應用之文獻問世。

 

如何解決彈性-阻力模型在臨床應用上的困境呢？

臨床上希望能以量得最低程度的侵入式訊號，獲得最佳生理功能的分析結果，顯示疾病的確切診斷與藥物的治療效果。然而除了等體積左心室血壓難以在臨床上量得之外，升主動脈血流的測量亦有其難處，主因是升主動脈血流訊號很小，又容易受到雜訊干擾。

 

我們的研究團隊在2019年為著解決這些難題，便嘗試使用「僅僅只量得射血心跳的左心室血壓訊號，以此訊號為基礎，建構等體積左心室血壓以及升主動脈血流，藉此提供彈性-阻力模型在臨床應用上之概念」。其方法是使用日本學者 Sunagawa 等人在1980年所建立之曲線湊合法（curve-fitting technique），從量得之射血心跳的脈態左心室血壓推算等體積左心室血壓；其次是使用 Wang 等人在2017年所建立之脈態左心室血壓四次微分法，配合心輸出量（cardiac output）的校正，建構與升主動脈血流相對應之三角血流波（triangular flow wave）。主動脈血流波類似三角血流波是一個合理的假設，因為無論從超音波或電磁血流儀所量到的主動脈血流波外形來看，主動脈血流都酷似三角形。我們的團隊以大白鼠為實驗動物，研究結果顯示，這一觀念極大的可行性（請見參考文獻）。

 

結語

單純彈性模型之研究方法與模型無關（model-independent approach）； 彈性-阻力模型則與模型有關（model-based approach）。此兩研究方法之最大差異在於：單純彈性模型能夠精準地預測心搏出量（stroke volume）而非瞬間血流（instantaneous flow）；若要適度地預測瞬間血流則非彈性-阻力模型莫屬。也就是說，研究之架構奠基於相關變數之平均值者（如穩態參數的心搏出量），那麼單純彈性模型便是合宜的方法；倘若研究的目標是變數的瞬間特徵者（如脈態參數的脈動能量或動脈波反射效應），那麼彈性-阻力模型則是比較合適的方法。因此選擇使用單純彈性模型或彈性-阻力模型作為研究的方法，完全取決於研究者之特定目的；對單純彈性模型或彈性-阻力模型而言，並無孰優孰劣之分。

 

參考文獻

Wang CH, Chang RW, Wu ET, Chang CY, Kao HL, Wu MS, Cheng YJ, Chen YS, Chang KC*. Quantification of cardiac pumping mechanics in rats by using the elastance-resistance model based solely on the measured left ventricular pressure and cardiac output. Pflügers Archiv-Eur J of Physiol2019；471:935–947. 

https://doi.org/10.1007/s00424-019-02270-7

 

 

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