心臟運(yùn)動(dòng)及胸壓變化影響血流動(dòng)力學(xué)的機(jī)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(shù)測(cè)量心臟內(nèi)的血流速度時(shí)，心臟運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生低頻、高能量的多普勒頻移信號(hào)，伴隨血流信號(hào)一起出現(xiàn)在多普勒頻譜中。然而長(zhǎng)期以來(lái)，這部分心臟運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒信號(hào)卻被忽略或人為地濾掉了。根據(jù)多普勒效應(yīng)，超聲探頭測(cè)量所得的血流速度代表了血液相對(duì)于探頭的運(yùn)動(dòng)速度。然而，臨床上人們所需要的是血液相對(duì)于瓣口的運(yùn)動(dòng)速度以真實(shí)反映心臟的功能狀態(tài)。前期國(guó)內(nèi)外的研究也表明，由于心臟本身的運(yùn)動(dòng)，多普勒測(cè)量所得的血流速度低

2、估了真實(shí)的速度。但是，不同部分血流測(cè)量具體的低估程度尚無(wú)報(bào)道。本研究設(shè)計(jì)了體外實(shí)驗(yàn)及在體實(shí)驗(yàn)，目的是應(yīng)用一種新技術(shù)，定量測(cè)量健康成人主動(dòng)脈瓣、肺動(dòng)脈瓣、二、三尖瓣多普勒血流測(cè)值的低估程度，揭示心臟運(yùn)動(dòng)對(duì)多普勒血流測(cè)量影響的機(jī)制，并提出矯正方法。
　　2.胸壓變化影響心臟血流動(dòng)力學(xué)的機(jī)制問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)困擾著科學(xué)界，雖然對(duì)這一問(wèn)題的機(jī)制進(jìn)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(xué)者也提出了多種假說(shuō)，但是由于這些假說(shuō)內(nèi)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(rèn)可的機(jī)制。我們推測(cè)，將左心系統(tǒng)和右心系統(tǒng)分開進(jìn)行研究，以及缺乏逐個(gè)心動(dòng)周期的分析研究或許在一定程度上阻礙了對(duì)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)?；谇捌谛貕鹤兓绊懶呐K血流動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)關(guān)系劃分為全胸內(nèi)系統(tǒng)和部分胸內(nèi)系統(tǒng)以及兩個(gè)系統(tǒng)相互作用的機(jī)制假說(shuō)。本研究的目的是，首次利用PW/PW多普勒雙模式技術(shù)同步地研究Va lsa lva動(dòng)作對(duì)健康成年男性左右心室逐個(gè)心動(dòng)周期的

4、充盈的影響，并驗(yàn)證我們提出的全胸內(nèi)系統(tǒng)和部分胸內(nèi)系統(tǒng)相互作用假說(shuō)。
　　3.對(duì)于以奇脈為代表的心-肺相互作用問(wèn)題的研究持續(xù)了一百四十余年，但是對(duì)其力學(xué)機(jī)制目前還存在較大爭(zhēng)議。但有一點(diǎn)得到研究者們的一致認(rèn)同，即心-肺相互作用的實(shí)質(zhì)就是呼吸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的胸壓變化對(duì)心血管功能的影響。要揭示心-肺相互作用問(wèn)題的機(jī)制，需要回答一個(gè)不可避免的理論問(wèn)題，即胸壓變化如何在胸內(nèi)組織（例如心臟內(nèi)）傳遞的問(wèn)題。在課題組心-肺相互作用研究的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為，

5、機(jī)制問(wèn)題長(zhǎng)期得不到解決的原因可能是由于缺少一個(gè)統(tǒng)一的基本力學(xué)定律。為了回答胸壓變化能否無(wú)損地向其內(nèi)的生物組織傳遞的問(wèn)題，我們發(fā)現(xiàn)帕斯卡定律可以應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(duì)其科學(xué)意義進(jìn)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(shè)置為3.0 mm。利用體外模擬實(shí)驗(yàn)，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(yùn)動(dòng)兩種情況下的運(yùn)動(dòng)定量關(guān)系。在體實(shí)驗(yàn)部分，納入60例健康志愿者（平均30±7.7歲），左側(cè)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(dòng)脈瓣、肺動(dòng)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(cè)量各個(gè)部位速度并計(jì)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(shè)置為3.5 mm。納入30名正常男性志愿者（平均31±7.7歲），左側(cè)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(dòng)作并維持記錄15個(gè)心動(dòng)周期，之后Valsalva動(dòng)作在第16個(gè)心動(dòng)周期時(shí)釋放，但同步頻譜記錄一直持續(xù)至第25個(gè)心動(dòng)周期。根據(jù)頻譜，測(cè)量和計(jì)算得出

8、左、右心每個(gè)心動(dòng)周期的E峰峰值速度(P V)、舒張期速度-時(shí)間積分（VTI）和充盈容積（IV）。左、右心每個(gè)心動(dòng)周期IV的計(jì)算方法是二、三尖瓣舒張期血流VTI乘以其基礎(chǔ)狀態(tài)下二、三尖瓣瓣環(huán)的橫截面積。在隨機(jī)選擇的15名受試者中，對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量的觀察者間和觀察者內(nèi)變異進(jìn)行評(píng)價(jià)。
　　3．通過(guò)數(shù)學(xué)證明和課題組前期實(shí)驗(yàn)以及國(guó)外相關(guān)研究的結(jié)果來(lái)論證廣義帕斯卡定律的成立。
　　結(jié)果
　　1.心臟運(yùn)動(dòng)對(duì)多普勒測(cè)值影響的體外模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

9、顯示，當(dāng)模擬心臟和模擬血流運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，多普勒測(cè)量的速度為兩者速度之差，當(dāng)兩者的運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，多普勒測(cè)量的速度為兩者速度之和。在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，常規(guī)超聲多普勒測(cè)得的血流速度明顯低估了真實(shí)的血流速度（P<0.001）。真實(shí)的血液相對(duì)于各自瓣膜的速度可以計(jì)算得出，在健康成人中，主動(dòng)脈血流速度被低估（8.5±1.2）％，肺動(dòng)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(duì)于左心系統(tǒng)，PV、VTI和IV在Valsalva動(dòng)作開始后的第1個(gè)心動(dòng)周期保持不變（與平靜狀態(tài)時(shí)的各值比較，P=0.13），之后，逐漸開始降低，到第11±1.2個(gè)心動(dòng)周期（范圍第9–12個(gè)心動(dòng)周期）時(shí)達(dá)到最低并維持這個(gè)水平直到Va lsa lva動(dòng)作釋放期（自第16個(gè)心動(dòng)周期開始）。對(duì)于右心系統(tǒng)，P V、VTI和IV在Va lsa l

11、va動(dòng)作開始后的第1個(gè)心動(dòng)周期時(shí)，較平靜狀態(tài)時(shí)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(gè)心動(dòng)周期（范圍第4–7個(gè)心動(dòng)周期）時(shí)達(dá)到最低，之后各值又逐漸上升，直到第9±1.3個(gè)心動(dòng)周期（范圍第8–10個(gè)心動(dòng)周期）時(shí)并維持在這個(gè)水平到釋放期。釋放期后（第16個(gè)心動(dòng)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(jié)果還顯示，右心室I V的變化不管在Va lsa lva動(dòng)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(nèi)的壓力變化可以無(wú)損地在流體內(nèi)和處于其內(nèi)的不可壓縮的固體內(nèi)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(gè)特例。數(shù)學(xué)證明和課題組前期實(shí)驗(yàn)以及國(guó)外相關(guān)研究的結(jié)果均支持該定

13、律的成立。
　　結(jié)論
　　1.心臟運(yùn)動(dòng)會(huì)影響超聲多普勒的血流測(cè)量，多普勒所測(cè)得的速度等于真實(shí)的血流速度與心底部運(yùn)動(dòng)速度的矢量和。臨床上常規(guī)使用的多普勒所測(cè)量的心臟血流速度低估了真實(shí)的血流速度，其產(chǎn)生機(jī)制是由于運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，據(jù)此可以利用PW/TDI雙模式技術(shù)對(duì)多普勒測(cè)量的心臟血流速度進(jìn)行矯正，以獲取真實(shí)的血流速度。
　　2.40 mmHg Valsalva動(dòng)作導(dǎo)致的胸內(nèi)壓升高對(duì)正常成年男性左、右心室充盈有著不同的影響

14、，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合全胸內(nèi)系統(tǒng)和部分胸內(nèi)系統(tǒng)相互作用的機(jī)制假說(shuō)，該假說(shuō)有助于揭示胸壓變化影響心血管系統(tǒng)功能的真正機(jī)制。
　　3.基于數(shù)學(xué)證明、實(shí)驗(yàn)研究和客觀事實(shí)的理性思考基礎(chǔ)上的廣義帕斯卡定律，即密閉的不可壓縮流體內(nèi)某一部分發(fā)生的壓強(qiáng)變化，將無(wú)損地傳遞至流體和置于其內(nèi)的不可壓縮固體的各個(gè)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(xué)規(guī)律，為我們認(rèn)識(shí)心-肺相互作用機(jī)制等問(wèn)題提供了理論依據(jù)。當(dāng)然，其進(jìn)一步的證明和應(yīng)用研究仍需大