心脏的泵血功能及机制

心脏是一个由心肌组织构成并具有瓣膜结构的空腔器官。在人的一生中，心脏通过心肌不间断、有节律的收缩和舒张活动，以及由此而引起的瓣膜的规律性开闭，推动血液沿单一方向循环流动。由于心脏的射血与水泵相似，所以把心脏的射血功能称之为心泵（heart pump）。它有赖于心肌电活动、机械收缩和瓣膜活动三者相互配合才能实现。

（一）心率和心动周期

1.心率　心率（heart rate，HR）是指每分钟心脏搏动的次数。是临床常用指标之一。正常成人安静时，心率为60～100次/分，平均75次/分。心率可因年龄、性别及其生理情况而不同。小儿的心率较成年人快，尤其是新生儿可达130次/分以上；老年人比成年人慢；女性一般比男性稍快；同一个人运动、情绪激动时HR加快，而安静或睡眠时较慢。

2.心动周期　心脏每收缩和舒张一次，构成一个机械活动周期，称为心动周期（cardiac cycle）。由于心脏在功能上是由心房和心室构成，而心房和心室的活动是按先后次序依各自的时程进行的，故一个心动周期包括有心房的活动周期及心室的活动周期。由于心室在心脏泵血活动中起主要作用，所以，通常所说心动周期是指心室的舒缩活动周期而言。

在每一个心动周期中，心房和心室的活动是按一定的时程依一定的先后次序进行的（图7-1），即心房先收缩，继而开始舒张；心房收缩时心室处于舒张期，心房进入舒张期后，心室开始收缩，随后舒张，这时心房、心室都处于舒张状态并一直持续到下一个心动周期开始。房室的这种有序的收缩和舒张有利于血液由心房进入心室。

心动周期的长短与心率有关（心动周期=60 s/HR）。如果以成年人安静时平均心率为75次/分计算，则一个心动周期为0.8 s。其中两心房先收缩，持续0.1 s，继而心房舒张，持续0.7 s；心房进入舒张期后，心室开始收缩，持续0.3 s，进入舒张期，占0.5 s。心室舒张的前0.4 s期间，心房也处于舒张期，这一时期称为全心舒张期（图7-1）。

图7-1　心动周期中房室活动关系

从图7-1可以看出，在同一个心动周期中，无论是心房还是心室，舒张期均长于收缩期，这既有利于静脉血液的回流，又能让心肌得到充分的休息。由于心动周期与心率成反比，故心率增快时，心动周期缩短，以舒张期缩短更为显著；因此，心率增快时，心肌工作时间相对延长，休息时间相对缩短，对心脏的持久活动不利。在发生快速型心律失常时，常有导致心力衰竭的危险。

（二）心脏的泵血过程

心脏泵血过程包括心室将血液射入动脉和血液回流入心室的充盈过程。因在同一时期内，左心和右心的活动基本同步，血液回流量和射血量也大致相等。故以左心室为例，说明心脏泵血的机制（图7-2）。

图7-2　心脏泵血的机制

1.心房收缩期（Atrial　Systole or Atrial Contraction） 心房开始收缩之前，心脏正处于全心舒张期，心房和心室内压力都比较低，接近于大气压，大量静脉血通过心房，顺房-室压力梯度进入心室，使心室充盈；当心房开始收缩时，心房容积缩小，房内压升高，此时房室瓣处于开启状态，心房将其内的血液进一步挤入心室，使心室的血液充盈量进一步增加，其量占心室总充盈量的10％～30％。此期是心室的主动充盈过程，被看作心房的初级泵作用。心房收缩期约持续0.1 s，随后转入心房舒张期。

2.心室收缩期（Ventricular　Systole or Ventricular Contraction）

（1）等容收缩期：心房进入舒张期后，心室开始收缩，室内压力开始升高，当超过房内压时，心室内血液顺压力梯度流动推动房室瓣，使之关闭，血液因而不致倒流入心房。这时，室内压尚低于主动脉压，动脉瓣仍然处于关闭状态，心室成为一个密闭腔室，心室容积不变，称为等容收缩期（isovolumic contraction or isovolumetric contraction）。此期从房室瓣关闭到动脉瓣开放前为止，持续0.05 s左右，其长短取决于心肌收缩力的强弱及动脉血压的高低。在等容收缩期，室内压升高的幅度和升高速率是心动周期中最大的时期（图7-3）。

图7-3　心动周期中，各时期左心内压力、容积和瓣膜等变化

1.心房收缩期；2.等容收缩期；3.快速射血期；4.减慢射血期；5.等容舒张期；6.快速充盈期；7.减慢充盈期；a、b.分别表示主动脉瓣开启和关闭；c、d.分别表示二尖瓣关闭和开启

（2）射血期：随着心室肌进一步收缩，室内压继续升高，当室内压超过主动脉压时，心室内血液顺压力梯度推开动脉瓣，由心室流入动脉，此期称为射血期（ejection phase）。在射血期的前期，由于心室肌强烈收缩，心室容积明显缩小，血液快速射入主动脉，这段时期称快速射血期（rapid ejection phase），约持续0.11 s，是心动周期中射血最多，速度最快的时期，射血量占总射血量的70％，室内压在这期内继续上升并达峰值；随后由于大量血液进入主动脉，心室内血液减少以及心室肌收缩强度的减弱，室内压由峰值逐步下降，射血速度减慢，这段时期称为减慢射血期（slow ejection phase），约持续0.14s。这一时期内，射血量约占总射血量的30％。据测定在整个射血期的中后期，心室内压已经低于主动脉压，但心室内血液依其惯性作用可以逆着压力梯度继续射入主动脉（见图7-3）。

3.心室舒张期（ventricular　diastrole or ventricular relaxation）

（1）等容舒张期：心室开始舒张，室内压下降，由于主动脉压力高于室内压（见图7-3），主动脉内血液向心室方向返流，推动动脉瓣关闭，此时室内压仍明显高于心房压，房室瓣处于关闭状态，心室再次形成密闭的腔室，室内压急剧下降，但容积不变。从动脉瓣关闭到房室瓣开启称为等容舒张期（isovolumic relaxation phase），持续0.07 s左右。此期特点是室内压下降幅度和下降速率为心动周期中最大的时期（见图7-3）。

（2）心室充盈期：随着心室继续舒张，室内压持续下降，当低于心房压时，血液冲开房室瓣流入心室，心室容积增大，称为心室充盈期（ventricular filling phase）。在心室充盈期初期，由于心室容积迅速增大，血液快速流入心室，称为快速充盈期（rapid filling phase），占时0.11 s左右；其间进入心室的血液约为总充盈量的2/3，是心室充盈过程中的主要部分。此时，心室内压因心室仍在继续舒张，而致室内压不仅低于心房压，而且低于大静脉内压，血液通过心房而直接进入心室。随后，随着心室充盈量的增多，房室之间的压力差逐渐减小，血液以较慢的速度继续流入心室，心室容积进一步增大，称减慢充盈期（slow filling phase），占时0.22 s，此期仅有少量血液从心房流入心室。

在减慢充盈期之末，心室仍处于舒张状态。此后，下一个心动周期开始，心房开始收缩，将血液主动射入心室，使心室的充盈血量再增加10％～30％。因此，可以把心动周期中的心房收缩期看做是心室充盈期的最后阶段。

综上所述，心室收缩是心脏泵血功能的动力。由于心室的收缩使心室压从原先低于心房压的水平快速升高并超过大动脉压，使半月瓣开放，推动血液射入大动脉。而心室的舒张使室内压下降产生的“抽吸”作用，使得心室快速充盈，占心室充盈的主要部分，心房收缩仅对心室充盈起辅助作用，故临床上当患者的心室一旦发生纤维性颤动，心脏的泵血功能将立即终止，后果十分严重，必须及时施行有效救治措施。而心房发生纤维性颤动一般不会引起危及生命的严重后果。

（三）心脏泵功能的评价

心脏舒缩的主要目的是射血，以满足人体新陈代谢的需要，故其泵血功能的评价主要通过其射血量来衡量。(www.xing528.com)

1.心脏的输出量

（1）每搏输出量和射血分数：一侧心室一次搏动所射出的血量，称每搏输出量（stroke volume）简称搏出量。在静息状态下，健康成年人舒张末期容积约为125ml，收缩末期容积约为55ml，两者之差，即为搏出量，约为70ml。由此可见，心脏射血只是射出了心室内部分血液，通常把心搏出量占心室舒张末期容积的百分数，称为射血分数（ejection fraction），公式如下：

射血分数=[搏出量（ml）/心室舒张末期容积（ml）]×100％

正常情况下，健康成年人安静时，射血分数维持在55％～65％。在心室异常扩大、心室功能减退的情况下，由于舒张末期的容积增大，尽管其搏出量与正常人差别不大，但射血分数却明显降低，表明心脏泵血功能已经失常。所以在评定心脏泵血功能时，除了观测心脏的每搏量之外，还应当注意其射血分数的变化。

（2）每分输出量和心指数：一侧心室每分钟射出的血量，称每分输出量（minute volume）简称心输出量（cardiac output），它等于心率与搏出量的乘积。它是衡量心脏功能的最基本指标。正常情况下，左右心室的心输出量基本相等。成人静息状态下，如按心率为75次/分，平均每搏量为70ml，则心输出量为5 L/min（4.5～6.0 L/min）。由于心输出量与机体代谢水平相适应，故可因性别、年龄及其他生理情况而不同。一般女性比同体重男性的心输出量约低10％，青年时期高于老年时期；剧烈运动时心输出量可高达25～35L/min，麻醉情况下则可降低到2.5L/min。

心输出量是以个体为单位计算的。不同的个体因其代谢水平不同，对心输出量的需求也不同。因此单以心输出量作为评价指标，难以直接相互比较心输出量。而心指数（cardiac index），即每平方米体表面积的心输出量，可消除一些个体差异，使个体间的比较成为可能。

我国中等身材成年人的体表面积为1.6～1.7m2，安静和空腹情况下的心输出量为5～6 L/min，其心指数为3.0～3.5 L/（min·m2），安静空腹时的心指数称为静息心指数，是分析比较不同个体心功能时常用指标。

2.心脏作功量　心脏收缩不仅仅是射出一定量的血液，而且赋予这部分血液高的压强能以及流速（动能）。由于心肌收缩释放的能量主要用于维持血压，在维持相同搏出量的情况下，随着动脉血压的增高，心肌收缩强度和心脏的做功量将增加。实验资料表明心肌的耗氧量与心肌的作功量是相平行的，因此作为评定心脏泵血功能的指标，心脏作功量对动脉压不相等的个体，以及同一个人动脉压出现变动前后的心脏泵血功能进行分析比较时，更为全面。

心室每收缩一次所作的功，称为每搏作功（stroke work）。每搏作功=（射血期左心室内压-左心室舒张末期压）×搏出量；每分功（minute work）指心室每分钟作的功。每分功=每搏作功×HR。正常人安静时左心室每搏作功为83.1 g·m；每分功为6.23 kg·m/min。

右、左心室搏出量相等，但肺动脉平均压仅为主动脉平均压的1/6左右，故右心室作功量也只有左心室的1/6。

3.心脏泵血功能的储备　心输出量随机体代谢的需要而增加的能力称为泵功能储备或心力储备（cardiac reserve）。健康人的心输出量能够在机体需要时成倍地增长，如在静息状态下心率75次/分，搏出量约为70ml，心输出量为5 L左右。强体力劳动时，心率可达180～200次/分，搏出量可增加到150ml左右，则心输出量可达25～30 L，为静息时的5～7倍。而某些心脏疾患的患者，静息时心输出量与健康人没明显差别，尚能够满足静息状态下代谢的需要，但在代谢活动增强时，心输出量却不能相应增加，出现心悸、气短等症状。故心力储备能反映心脏泵血功能的潜力和心脏的健康程度。训练有素的运动员，由于长期的锻炼心肌纤维增粗，心肌收缩能力增强，运动时心输出量可达35 L以上，为静息时的7倍以上。因此，经常进行体育锻炼能有效的提高心力储备，增强心脏的泵血功能。

（四）心脏泵血功能的调节

心输出量等于搏出量和心率的乘积，从心脏本身来讲主要通过对心率和搏出量两方面的作用来调节心输出量。

1.搏出量的调节　在心率不变的情况下，凡是能影响心肌收缩强度和速度的因素都能影响搏出量。

（1）前负荷：心脏的前负荷是指心室收缩前所承受的负荷，通常用心室舒张末期压力或容积来反映。研究表明，在心室最适前负荷时，肌小节初长度为2.0～2.2μm（最适初长度），这时心肌收缩产生的张力最大。达最适水平之前，随着前负荷和初长度的增加，心肌收缩强度增加，搏出量和每搏作功增加。心脏这种在一定范围内，随着前负荷加大，心肌初长度变长，心肌收缩力增强的调节形式，称为异长自身调节（heterometric autoregulation）。

在整体情况下，心室舒张末期容积是静脉回心血量和心室射血剩余血量两者总和。故当静脉回心血量增加时，心室舒张末期容积增加，使搏出量增加；而心率增快时，充盈期缩短，心室充盈不完全，充盈压降低，使搏出量减少。由于心肌细胞外间质内含有大量胶原纤维，致心肌肌小节的初长度即使在前负荷很大的情况下，一般不超过2.25～2.30μm。心肌的抗过度延伸特征使心脏在正常情况下不会因前负荷过大而使搏出量和作功能力骤然减小。

（2）后负荷：心脏的后负荷指心室在收缩过程中所承受的负荷，通常用动脉血压来反映。在心率、心肌初长度和收缩能力不变的情况下，如果动脉血压升高，等容收缩期室内压必须升高到超过动脉血压后才能射血，导致等容收缩期延长而射血期缩短，搏出量暂时减少；但在整体情况下，机体可以通过心肌自身调节及神经体液调节，使前负荷、心肌收缩能力与后负荷相配合，维持适当的心输出量，但此时搏出量的维持，是心肌收缩加强的结果，如果动脉压持续增高，心室肌将因收缩活动长期地加强而逐渐发生肥厚，最后将导致泵血功能减退。由此可见，心室后负荷本身直接影响着每搏量。

（3）心肌收缩能力：心肌收缩能力是指心肌不依赖于负荷而能改变收缩的强度和速度的内在特性。这种在不改变心肌初长度和后负荷的情况下，通过改变心肌兴奋-收缩偶联等内在因素，使心肌收缩力的强度和速度发生改变，从而使搏出量和每搏作功发生相应的改变过程，称为等长自身调节（homometric autoregulation）。如交感神经兴奋或儿茶酚胺增多时，心肌收缩力增强，搏出量增多。迷走神经兴奋时，心肌收缩力减弱，搏出量减少。心肌收缩能力的增强是生理病理条件下，搏出量剧烈而持久变化的主要调节机制，也是多种神经体液调节影响心输出量的主要途径。

2.心率　心输出量是搏出量与心率的乘积，当心率在一定范围内（40～180次/分）增加时，心输出量增加；但如果心率超过170～180次/分，由于心室充盈时间过短，造成充盈量减少，搏出量减少到仅有正常的一半左右时，心输出量亦开始下降。反之，心率太慢，低于40次/分，因为心室舒张期过长，再延长心舒时间也不能相应增加充盈量和搏出量，心输出量亦减少。可见，心率最适宜时，心输出量最大。

（五）心音和心音图

心动周期中，心肌收缩和舒张、瓣膜启闭，血流对心血管壁的冲击作用等引起的机械振动，可通过心脏的周围组织传递到胸壁，如将听诊器放到胸壁某些部位，就能听到声音，称为心音（heart sound）。若用换能器将这些机械振动转换成电信号记录下来，便得到心音图。

正常心脏可听到4个心音：即第一、第二、第三和第四心音。多数情况下只能听到第一和第二心音，在某些健康儿童和青年人也可听到第三心音，40岁以上的健康人也有可能出现第四心音。心脏某些异常活动可以产生杂音或其他异常心音。因此，听取心音或记录心音图对于心脏疾病的诊断有一定的意义。实际应用最广泛的是用听诊器作心音听诊。主要听取第一心音和第二心音。

第一心音的音调低、持续时间较长，声音较响，是由房室瓣关闭和心室肌收缩振动所产生的。听诊时常作为心室收缩的标志，其响度和性质变化，可反映心室肌收缩强、弱和房室瓣膜的功能状态。第二心音的音调较高、持续时间较短，较清脆。听诊时常作为心室舒张的标志。主要由肺动脉瓣和主动脉瓣关闭引起振动形成。其响度常可反映动脉压的高低。