心臟運動及胸壓變化影響血流動力學的機制及廣義帕斯卡定律的發(fā)現(xiàn).pdf

1、背景和目的
　　1.在利用超聲多普勒技術測量心臟內的血流速度時，心臟運動會產生低頻、高能量的多普勒頻移信號，伴隨血流信號一起出現(xiàn)在多普勒頻譜中。然而長期以來，這部分心臟運動所產生的多普勒信號卻被忽略或人為地濾掉了。根據(jù)多普勒效應，超聲探頭測量所得的血流速度代表了血液相對于探頭的運動速度。然而，臨床上人們所需要的是血液相對于瓣口的運動速度以真實反映心臟的功能狀態(tài)。前期國內外的研究也表明，由于心臟本身的運動，多普勒測量所得的血流速度低

2、估了真實的速度。但是，不同部分血流測量具體的低估程度尚無報道。本研究設計了體外實驗及在體實驗，目的是應用一種新技術，定量測量健康成人主動脈瓣、肺動脈瓣、二、三尖瓣多普勒血流測值的低估程度，揭示心臟運動對多普勒血流測量影響的機制，并提出矯正方法。
　　2.胸壓變化影響心臟血流動力學的機制問題長期以來困擾著科學界，雖然對這一問題的機制進行了一百余年深入而廣泛的探索，積累了很多的資料，很多學者也提出了多種假說，但是由于這些假說內部存在相

3、互矛盾的地方，因此，尚未出現(xiàn)一種統(tǒng)一的得到廣泛認可的機制。我們推測，將左心系統(tǒng)和右心系統(tǒng)分開進行研究，以及缺乏逐個心動周期的分析研究或許在一定程度上阻礙了對機制的發(fā)現(xiàn)。基于前期胸壓變化影響心臟血流動力學的研究，我們提出了心血管系統(tǒng)可以根據(jù)解剖和血流動力學關系劃分為全胸內系統(tǒng)和部分胸內系統(tǒng)以及兩個系統(tǒng)相互作用的機制假說。本研究的目的是，首次利用PW/PW多普勒雙模式技術同步地研究Va lsa lva動作對健康成年男性左右心室逐個心動周期的

4、充盈的影響，并驗證我們提出的全胸內系統(tǒng)和部分胸內系統(tǒng)相互作用假說。
　　3.對于以奇脈為代表的心-肺相互作用問題的研究持續(xù)了一百四十余年，但是對其力學機制目前還存在較大爭議。但有一點得到研究者們的一致認同，即心-肺相互作用的實質就是呼吸運動產生的胸壓變化對心血管功能的影響。要揭示心-肺相互作用問題的機制，需要回答一個不可避免的理論問題，即胸壓變化如何在胸內組織（例如心臟內）傳遞的問題。在課題組心-肺相互作用研究的基礎上，我們認為，

5、機制問題長期得不到解決的原因可能是由于缺少一個統(tǒng)一的基本力學定律。為了回答胸壓變化能否無損地向其內的生物組織傳遞的問題，我們發(fā)現(xiàn)帕斯卡定律可以應用在生物醫(yī)學領域，可拓展為意義更為普遍，適用條件更為廣泛的新定律，我們首次將這一新拓展的定律命名為廣義帕斯卡定律，本研究的目的是為了探索證明廣義帕斯卡定律的成立并對其科學意義進行闡述。
　　方法
　　1．使用HI VISION Preirus超聲儀，PW/TDI雙模式功能，探頭頻率1

6、-5 MHz，取樣框大小設置為3.0 mm。利用體外模擬實驗，研究超聲探頭與模擬心底部分開且探頭靜止和超聲探頭與模擬心底部同步運動兩種情況下的運動定量關系。在體實驗部分，納入60例健康志愿者（平均30±7.7歲），左側臥位，平靜呼吸并連接同步心電圖，于平靜呼氣末屏氣狀態(tài)下，利用PW/TDI雙模式功能同步記錄主動脈瓣、肺動脈瓣、二、三尖瓣瓣口血流和鄰近瓣環(huán)組織同方向的多普勒速度頻譜，測量各個部位速度并計算低估值。
　　2．使用HI

7、VISION Preirus超聲儀，PW/PW雙模式功能，探頭頻率1-5 MHz，取樣框大小設置為3.5 mm。納入30名正常男性志愿者（平均31±7.7歲），左側臥位，清晰顯示心尖四腔切面，利用PW/PW雙模式功能同步記錄二、三尖瓣血流速度頻譜，穩(wěn)定后囑受試者行40 mmHgValsalva動作并維持記錄15個心動周期，之后Valsalva動作在第16個心動周期時釋放，但同步頻譜記錄一直持續(xù)至第25個心動周期。根據(jù)頻譜，測量和計算得出

8、左、右心每個心動周期的E峰峰值速度(P V)、舒張期速度-時間積分（VTI）和充盈容積（IV）。左、右心每個心動周期IV的計算方法是二、三尖瓣舒張期血流VTI乘以其基礎狀態(tài)下二、三尖瓣瓣環(huán)的橫截面積。在隨機選擇的15名受試者中，對數(shù)據(jù)測量的觀察者間和觀察者內變異進行評價。
　　3．通過數(shù)學證明和課題組前期實驗以及國外相關研究的結果來論證廣義帕斯卡定律的成立。
　　結果
　　1.心臟運動對多普勒測值影響的體外模擬實驗結果

9、顯示，當模擬心臟和模擬血流運動方向相反時，多普勒測量的速度為兩者速度之差，當兩者的運動方向相同時，多普勒測量的速度為兩者速度之和。在體實驗結果表明，常規(guī)超聲多普勒測得的血流速度明顯低估了真實的血流速度（P<0.001）。真實的血液相對于各自瓣膜的速度可以計算得出，在健康成人中，主動脈血流速度被低估（8.5±1.2）％，肺動脈血流速度被低估（6.6±1.1）%，二尖瓣E峰、A峰血流速度分別被低估（13.4±1.8）%、（16.7±3.3）

10、%，三尖瓣E峰、A峰血流速度分別被低估（18.3±2.4）%、（26.1±5.6）%。
　　2．對于左心系統(tǒng)，PV、VTI和IV在Valsalva動作開始后的第1個心動周期保持不變（與平靜狀態(tài)時的各值比較，P=0.13），之后，逐漸開始降低，到第11±1.2個心動周期（范圍第9–12個心動周期）時達到最低并維持這個水平直到Va lsa lva動作釋放期（自第16個心動周期開始）。對于右心系統(tǒng)，P V、VTI和IV在Va lsa l

11、va動作開始后的第1個心動周期時，較平靜狀態(tài)時顯著降低(PV:60±6.7 VS50±5.8 cm/s; VTI:16±1.7 VS12±1.1 cm; IV:78.9±8.4 VS59.2±5.4 ml，P<0.05),之后繼續(xù)降低，在第6±0.8個心動周期（范圍第4–7個心動周期）時達到最低，之后各值又逐漸上升，直到第9±1.3個心動周期（范圍第8–10個心動周期）時并維持在這個水平到釋放期。釋放期后（第16個心動周期后），右心PV

12、，VTI和IV逐漸增大，并出現(xiàn)了超射（左室IV增加了約15.8%，右室IV增加了約18.8%）。結果還顯示，右心室I V的變化不管在Va lsa lva動作中還是之后，都要早于左心。
　　3．廣義帕斯卡定律是指，封閉的不可壓縮的流體內的壓力變化可以無損地在流體內和處于其內的不可壓縮的固體內傳遞。廣義帕斯卡定律是帕斯卡定律的延伸和拓展，而帕斯卡定律則是廣義帕斯卡定律的一個特例。數(shù)學證明和課題組前期實驗以及國外相關研究的結果均支持該定

13、律的成立。
　　結論
　　1.心臟運動會影響超聲多普勒的血流測量，多普勒所測得的速度等于真實的血流速度與心底部運動速度的矢量和。臨床上常規(guī)使用的多普勒所測量的心臟血流速度低估了真實的血流速度，其產生機制是由于運動的相對性原理，據(jù)此可以利用PW/TDI雙模式技術對多普勒測量的心臟血流速度進行矯正，以獲取真實的血流速度。
　　2.40 mmHg Valsalva動作導致的胸內壓升高對正常成年男性左、右心室充盈有著不同的影響

14、，實驗結果符合全胸內系統(tǒng)和部分胸內系統(tǒng)相互作用的機制假說，該假說有助于揭示胸壓變化影響心血管系統(tǒng)功能的真正機制。
　　3.基于數(shù)學證明、實驗研究和客觀事實的理性思考基礎上的廣義帕斯卡定律，即密閉的不可壓縮流體內某一部分發(fā)生的壓強變化，將無損地傳遞至流體和置于其內的不可壓縮固體的各個部分，是成立的。該定律揭示了比帕斯卡定律更為深廣的流體靜力學規(guī)律，為我們認識心-肺相互作用機制等問題提供了理論依據(jù)。當然，其進一步的證明和應用研究仍需大