第十章 壓力、流量與容量
血流運動過程中的壓力、流量與容量是處在動態變化過程中，不但相互影響，而且決定著血流狀態和組織器官灌注，是臨床血流動力學的基本參數。通常，壓力、流量與容量及其之間的相互關系是一般流體力學的研究范疇，也已經有相應的理論解釋。但由于血流是發生在富有彈性的心血管系統內，與鋼性管道有明顯的不同；心臟的周期性收縮舒張受到血流狀態的影響；血液本身的黏稠度也影響到流體的特性等，這些因素都使血流的運動具有自己明確的特點。
在循環系統中，心臟是血流運動的動力來源。心肌的收縮使心室內的血液射向主動脈，形成動脈系統的收縮壓力。在舒張期，心臟被動地充盈，但并非產生負壓（相對于胸腔內壓），不能對靜脈血的回流產生主動的抽吸作用。由于心臟的這種特性，使得在心臟功能正常的情況下，循環的流量不取決于心臟本身的做功能力，而是取決于心臟外因素的影響。有人將心臟的這種特性與膀胱相比：膀胱收縮排除由腎臟產生的尿液，并不對腎臟產生抽吸作用。計算一段時間內的尿量可以根據每次尿量和排尿的次數，但尿量的多少并不取決于膀胱本身，而是取決于腎臟。同樣，心輸出量可以用每搏輸出量與心率的乘積獲得。但在心功能正常情況下，心輸出量只受到心臟之外的因素影響，也就是受靜脈回流量的影響。在這個過程中，心臟不僅不產生負壓（相對于胸腔內壓），而且還由于其自身的順應性等因素增加靜脈回流的阻力。
早在1894年，Starling就將犬的交感神經切除，刺激迷走神經以誘導犬的心搏驟停，并觀察到犬的股靜脈、股動脈、門靜脈、下腔靜脈、主動脈內所有壓力最終均趨于一致，并將此壓力命名為平均系統壓力（mean systemic pressure，Pms）。又過了半個世紀，Starr明確將Pms定義為靜脈回流的驅動壓力，并且第一次在人身上測得Pms：在患者腔靜脈或者心臟內置入導管測壓，在患者死后30分鐘內測量，認為患者心臟泵功能停止后所有壓力達成一致，即為Pms，結果發現死于慢性心衰患者的Pms平均值20cmH2O遠高于死于其他病因的患者Pms平均值10.6cmH2O。因此認為Pms在慢性心衰患者中增加，通過增加靜脈回流以增加對心臟收縮功能不全的代償。Guyton醫師在世界上第一次描述了循環平均充盈壓（mean circulatory filling pressure，MCFP）的概念，并提出了測量的方法并分析了影響它的因素，他也據此構建了靜脈回流曲線。Guyton測量MCFP的方法是使心搏驟停，并用一個泵使得全身循環系統內動脈靜脈壓迅速達到平衡，測量當循環沒有血液流動時血管內的壓力。
心臟的收縮作用，使血液在射向動脈系統的過程中產生較高的壓力，這個壓力推動血液從動脈進入毛細血管和靜脈系統。小靜脈內的壓力高于大靜脈和右心房內的壓力，血液流回心臟。當循環內有血液流動時，由于心血管系統各個部位的順應性不同、阻力不同，血容量依據順應性及阻力在循環系統內分布的血量不同、壓力也不同。循環系統中必須保持一定的壓力才可能保證血液流回到心室，維持心室下一次收縮之前有足夠的血量進入心室，以備射入動脈。循環系統中保持的正壓是血流運動的基本保證。心臟暫時停跳時，循環內的血液停止流動，循環系統內部各部位的壓力逐漸得到平衡，這個壓力稱為循環平均充盈壓。
MCFP是在血流停止運動后，循環系統中的各個部分，包括，動脈、毛細血管、靜脈、心房心室等部位之內的壓力實現平衡時所測得的循環系統的內壓力。理論上講，心搏驟停后動脈內血液向靜脈系統移動，動脈內壓力逐漸下降，大約在30秒后動脈內壓力與靜脈內壓力實現平衡。這個壓力應該總是低于動脈壓力，而高于靜脈壓力。MCFP以高于心臟中線水平計算，通常為15～18cmH2O。
在MCFP的作用下，靜脈系統的血液流向心臟。心室的收縮將MCFP分配向動脈，同時降低心臟入口處的壓力。MCFP越高，回心血量越多，心室射出的血量越多，動脈內的壓力也就越高，反之亦然。由于心室處于被動充盈狀態，心臟入口處的壓力可以隨心室射血逐漸趨近于零，但不可能低于零。也就是說，中心靜脈壓（CVP）永遠是正值。臨床上直接測量到CVP的負值是因為胸腔內壓的影響。
MCFP取決于血容量和整個心臟血管系統的順應性。血容量和心血管系統的順應性受多種因素的影響。血容量中包括水、電解質、血細胞及其他成分。這些物質通過消化道等途徑被吸收進入體內，又通過腎臟和腸道等被排出。雖然機體可以通過多種途徑調節這些物質的體內分布，但不難看出，MCFP的維持是一個動態、持續的過程。如果MCFP升高，回心血量增加。在心臟功能正常情況下，心輸出量增加，導致腎臟血流量增多，尿量增加，以致循環循環血量減少，MCFP降低回到之前水平。相反，當MCFP降低時，機體可通過同樣機制增加血容量，恢復MCFP。當大量失血、血容量突然變化時，循環系統的順應性可對MCFP的改變起到緩沖作用。順應性的改變可導致循環張力容量和非張力容量的比例改變，從而緩解了MCFP的改變。MCFP的改變還可以引起血管內外液體平衡的改變，導致液體的移動，從而影響血容量，對MCFP的變化起到緩沖作用。另外，局部血管順應性的改變或局部血管床容積的改變不僅導致了MCFP的改變，而且在壓力平衡的過程中產生了液體的重新分布，更進一步影響到循環流量。如失重狀態的回心血量增加或分布性休克時的心輸出量改變等。
MCFP是靜脈回流的上游壓力。也就是說靜脈回流的壓力起點是MCFP，在循環容量相對恒定的一段時間內為一相對恒量，而終點壓力是右房壓（Pra），當Pra隨著呼吸等因素快速變化時，靜脈回流量亦隨之快速共變著。其實MCFP只是一個概念化的數值，反映全身血管床整合后的充盈壓；如果一定要描述一個生理學定位，那么通常位于毛細血管床的微靜脈腔隙內。如果我們拆分獨立分析每個器官，理論上它們各自的平均循環充盈壓也會因神經體液調節彼此間容量狀態的差異而略有不同；而實際上，在循環穩定狀態下，血液流入各個器官是穩定的，最終所有臟器器官血流流入同一靜脈循環內，靜脈回流的阻力又是很低的，最終各個器官血管床的平均充盈壓幾乎是相等的。
測量MCFP必須在循環血流停止運動的情況下進行，具有不可操作性。在血流運動的狀態下，僅以體循環內的流量與壓力的變化趨勢，計算當血液停止流動時所有血管內壓力達到靜態平衡時的壓力稱之為體循環平均充盈壓（mean systemic filling pressure，MSFP）MSFP和 MCFP的數值非常接近，但略有差異。MCFP包含肺靜脈壓，而左房壓略高于右房壓，故MCFP可略高于MSFP。另外，測量的MSFP主要由已經流入靜脈系統的血容量及靜脈血管的彈性等因素決定，同時，動脈壓力并不對MSFP起決定作用。可見，MSFP是決定體循環血流回到右心的主要因素。臨床上通常可以用三種方法測量MSFP。
給機械通氣患者4個不同水平氣道壓（Pvent）的12秒吸氣末屏氣，用穩態CVP代替右房壓，用脈搏輪廓方法監測最后3秒的CO。原理是右房壓和靜脈回流量是線性相關關系，而且在容量相對穩定狀態時該線性關系的斜率不會發生改變。通常選用5cmH2O、15cmH2O、25cmH2O、35cmH2O這四個水平的氣道壓，臨床中容易操作同時也不與ARDS肺保護策略的氣道壓力限制相悖。如圖10－1－1所示：當吸氣末屏氣氣道壓（Pvent）上升時，右房壓（Pcv）同時上升，延遲了3～4次心動周期，可以看見連續監測的心輸出量（COmf）和有創動脈血壓（Pa）均降低，7～12秒后達到穩態；嘗試4個不同水平的Pvent后，得到4組Pra和COmf配對數據，進行線性回歸分析，得到一條靜脈回流曲線，延長至x軸的交點即為MSFP，意義為當靜脈回流是零時，右房壓等于MSFP，用該方法測得的MSFP通常記錄為（Pmsf）。
這個方法必須避免交感神經興奮，否則測量結果無法反映測量前的循環內容量狀態，測量的結果是經過交感神經再調節后的循環狀態。之所以選擇7～12秒這個時間間隔是因為有動物研究顯示，通過肺動脈阻斷使全循環靜止，導致動脈壓下降和中心靜脈壓上升，全循環達到平衡大概在4～5秒時間，所以選擇7～12秒這個時間間隔足夠長以達到全身循環平衡，可以用以代表MSFP；同時這段時間足夠短，還不足以引起動脈壓力感受器介導的交感神經調節的改變。同時，即便在高氣道壓水平（Pvent 35cmH2O）時，也沒有發現有心率增快等交感興奮的表現。同時該方法必須給予充分的鎮靜鎮痛藥物以鈍化交感神經興奮。
由于用吸氣末屏氣法測MSFP需要在機械通氣患者才可進行，測量時也需要深度鎮靜，這種情況并不適用所有的危重患者，故衍生出前臂循環平衡法測MSFP。原理是假設在循環相對穩定的狀態下前臂局部循環可以代表全身系統循環狀態，那么一過性使前臂血液循環靜止，并測量前臂循環靜止平衡后充盈壓，以代表全身循環的充盈壓。用這種方法測量出的MSFP通常記錄為（Parm）。
具體方法如圖10－1－2所示：在患者上臂使用袖帶快速充氣產生高于動脈收縮壓50mmHg的壓力，以阻斷前臂血液流動，當動脈靜脈血流達到壓力平衡的時間點是在血流完全阻斷后25～30秒，故讀取前臂動脈靜脈平衡壓的時間點是在前臂血流完全阻斷的30秒時，并且反復測量3次取平均值以增加準確性。
根據Guyton的循環生理學模擬出MSFP的數學計算公式，通常用Pmsa表達：Pmsa＝a×Pcv＋b×Pa＋c×CO，（a和b是常數，a＋b＝1，經典的是a＝0.96，b＝0.04），c是根據患者的身高、體重、年齡估算的阻力大小。c＝0.0389×（94.17＋0.1939×age）/（4.5×［0.9（age－15）］×0.007184×［height0.725］×［weight0.425］）。
血流運動的阻力受多種因素的影響，如同一水平上血管總橫截面積、血流通路形狀、直徑、彈性、血液黏滯度、血流運動的形式等。雖然在這些因素的作用下可形成不同程度的阻力，但對循環流量的影響更取決于阻力產生的部位。不同部位的阻力對循環流量有著不同的影響。動脈系統的阻力主要發生在小動脈、毛細血管前括約肌。這些部位的阻力隨著部位的不同而不同，時間的不同而不同。動脈的搏動血流在這些不同阻力的作用下分布到機體的不同部位的組織。動脈系統以這種形式通過阻力調節著血流的分布。在心臟功能正常的情況下，動脈系統的阻力幾乎對心輸出量不產生影響。動脈阻力的增加使血壓升高，心臟做功增加。正常心肌收縮時實際應用的能量大于每次射血需要的能量。所以，在動脈阻力增加的情況下仍然可以保證將回流到心臟的血液射入動脈系統。若動脈阻力長期增高，則可發生心肌和動脈的器質性改變，逐漸出現心臟功能衰竭。若阻力發生在順應性高的血管，如靜脈系統阻力增加，則可明顯減少回心血量，降低循環流量。在心臟功能正常的情況下，靜脈回流阻力對心輸出量有明顯影響，而動脈阻力增加幾乎不降低心輸出量。
心房結構和功能對靜脈阻力的形成及靜脈回流產生明確的影響。在MCFP的作用下，血液呈連續地回流。同時，心室作為肌性器官有著自身的硬度，或者說是更低的順應性。心室的收縮、房室瓣膜的關閉更是對持續血流形成阻力。尤其是左心室，由于較右心室有著更厚的肌肉、更低的順應性，所以，靜脈系統必須保證更高的回流壓力，才能維持與右心室的充盈血量之間的平衡。在這個基礎上，心房正位于心室與靜脈的結合部位，在功能上有著下列幾個方面的特點：首先，心房的入口處無瓣膜存在，從結構上不影響靜脈血液連續地回流；其次，心房的收縮為不完全收縮，使得心房在收縮期盡可能少地影響靜脈回流；最后，心房的收縮更為柔和，以使向靜脈產生的壓力不至于過高；還有，心房在心室收縮之前就開始舒張，降低了心室對靜脈連續血流的影響。由此可見，心房在維持靜脈回流、保證連續血流與搏動性血流的過渡和維持心室在下一次收縮之前可以獲得足夠的血量方面起到重要的作用。
有人發現，心房的作用維持了大約75%的每搏輸出量（SV）。這與心房每次收縮產生的血流僅僅占SV的15%左右并不矛盾。心房的主要作用不是通過自身的收縮來增加心輸出量，而是通過減少靜脈回流阻力，增加靜脈回流血量。心房顫動時心輸出量可降低20%～25%，是因為即使在不同步的情況下，心房的結構、順應性、彈性等因素仍然對靜脈連續血流進入心室有重要作用。另外，心房顫動時循環系統的代償機制也對心輸出量的維持起到一定作用。
另外，循環壓力與心臟被動充盈的特性也是維持體循環與肺循環容量平衡的基本保證。左心室與右心室相比，無論從體積、順應性、收縮力等諸多方面都有著明顯的不同。靜脈的回心血量決定心輸出量的特點非常有效地保證了左右心室得到相互匹配的血量充盈，也射出相應的血量進入體循環或肺循環。在心臟功能正常的情況下，心輸出量受心臟之外的因素調節和心臟被動充盈的特點，避免了體循環和肺循環其中之一的血量過多或不足，使之保持在平衡狀態。
由于心臟的被動充盈和心室的收縮力超過每次射血實際需要的能力，靜脈回流血量通常不會達到心室舒展末期的最大容積量。在這種情況下，靜脈回流血量增加導致心輸出量增加，但不會引起心率和心肌收縮力的明顯改變；同樣，在靜脈回心血量減少時，心輸出量減少。若這種減少不足以導致組織灌注的改變，心率和心肌收縮力也不會發生明顯變化。在循環流量一定的情況下，若心率增快，則SV下降；心率減慢，則SV升高。心輸出量受心率和SV的影響。由于心功能正常時心肌收縮力的超額狀態，SV不能代表心肌收縮力，但在一定程度范圍內與心肌收縮力平行改變。心臟自身的這種穩定性具有一定的限制條件。當循環流量持續減少，則心率和心肌收縮力下降，以降低心肌的能量消耗，反之亦然。可見，心率和心肌收縮力與心肌的能量消耗呈大致平衡狀態。
為了防止能量的過度消耗，機體主要通過兩種方式防止心率和心肌收縮力的增加。一是當循環流量下降時，神經體液調節機制反射性改變外周血管張力，增加MCFP；水鈉潴留，增加循環血量，以增加靜脈回心血量。在劇烈運動時，機體充分地利用了這個機制。肌肉組織對循環需求量突然增加，心輸出量處于不足狀態。神經體液的調節使外周血管張力增加，MCFP增加，使回心血量明顯增加。心率的加快在一定程度上降低了心房壓力，也有助于靜脈的回流。肌肉的規律收縮更是對靜脈系統的回流起到動力作用，靜脈瓣膜保證了回心血流的單向運動，靜脈回流阻力明顯降低。二是心肌收縮力可隨舒張期心室張力的不同而改變。這個機制被稱為Starling定律。Starling定律并不能完全說明心肌的耗能狀態。在心臟手術中可發現，心室在完全排空狀態下仍然存有搏動有力的心肌收縮。
心功能衰竭時，心室不能將靜脈回流的血量足夠地射入動脈系統，靜脈血流的淤滯，導致心室在舒張期被充盈至心室舒張期最大的容積狀態。此時靜脈的回流壓力的增加已經無法增加心輸出量，循環流量幾乎完全取決于心室的射血能力，靜脈的回流也取決于心室排空的能力。心臟成為決定心輸出量的唯一器官。
心室的排空能力下降，靜脈回流阻力的增加，大量的血液向心臟的靜脈一側聚集。如果在左右心室衰竭程度不同，或單一心室衰竭時，血液則更多地向衰竭嚴重的心室前端聚集。僅有左心室衰竭時，右心室仍然保持一定的輸出量。因為此時心臟外因素已經不能對循環流量起到調節作用。體循環的血液涌向肺循環移動，導致肺循環血容量增加，壓力增加，發生肺水腫。右心室衰竭時則相反，血液向體循環移動。發生體循環的淤血。靜脈血液在心臟前的淤滯，導致心室舒張末期容積增大。心肌的收縮能力下降導致心室收縮末容積增加。動脈系統血流的減慢減少了腎臟的灌注，水鈉的潴留增加了循環容量，同時增加了MCFP。根據Starling定律，此時的MCFP增加已經不再影響心輸出量。過高的MCFP導致血管內液體向血管外移動，發生組織器官水腫。
如果心室收縮能力增強，射入動脈的血量增加，靜脈系統的壓力逐漸降至正常范圍，循環流量的調節又回到決定于心臟之外的因素時，心功能衰竭消失。
張力容量（stressed volume，VS）特指對血管壁產生牽張的容量，因為并不是所有的血容量都能擴張彈性血管壁并產生張力。在基礎情況下，全身血容量僅30%扮演擴張彈性血管壁的角色。所以說產生正的跨血管壁的壓力的容量才可稱之為張力容量，用數學表達式闡述：使血管內壓力－血管外周圍壓力＞0，這部分血管內容量為張力容量。張力容量的生理學意義是真正產生靜脈回流驅動壓MCFP的物質基礎。
那些充盈血管床并不產生血管壁牽張力的容量被稱為非張力容量（unstressed volume）。非張力容量的生理學意義是血流動力學的應激儲備容量，當應激時在神經－內分泌調節機制下，小靜脈和微靜脈的血管壁平滑肌收縮，使得非張力容量可變成張力容量，產生更多的靜脈回流量，但目前臨床中并不能通過任何監測裝置測量非張力容量。一名患者體內非張力容量儲備了多少我們無法測算，只能通過患者的臨床情況預測，例如已有容量丟失代表已經使用了多少非張力容量的儲備（圖10－4－1）。
當患者體內注入任何容量的液體，只要出現可測到的MSFP壓力的改變，那么非張力容量一定已經充滿。那么在此基礎之上可以看到通過擴容使得血管內容量－壓力曲線沿著x軸移動以增加MSFP并由此增加靜脈回流的壓力梯度（圖10－4－2a點→b點的改變）。
靜脈收縮可以降低器官內的非張力容量，使得靜脈回流上游的壓力一過性升高，將更多的血流擠入靜脈回流循環內，使得這部分血流由非張力容量向張力容量轉化。這個過程經常發生在門脈系統，主要因為門脈系統含有豐富的神經，當機體處于應激狀態下，門脈血流在神經體液調節作用下交感神經興奮刺激壓力感受器（α－腎上腺素能和β2腎上腺素能受體），門脈血流由非張力容量轉變為張力容量參與靜脈回流，提供更多的靜脈回流量以產生更高的CO。門脈系統的血管順應性低于其他臟器，如腦、腎、肌肉、皮膚等，改變門脈血管順應性對全身靜脈血管總順應性影響較小，因此，門脈系統血管收縮對全身血管總順應性影響小但增加MSFP的作用卻很顯著，對全身CO有重要影響。
這個過程還可以通過或者外源性注射α－腎上腺素能藥物使得非張力容量轉變為張力容量來實現。例如給予去甲腎上腺素（α和β1受體）可以使得門靜脈血管床收縮，并可觀察到Pmsf增加，由此可以看出門脈系統血管內非張力容量減少，注入體循環轉化為張力容量。盡管最終結果可以看出伴有CO的增加，但加重了腸、肝等臟器的缺血。
另外，正性肌力作用藥物多巴酚丁胺單用于伴有低血壓的心衰患者，如果同時合并患者血容量不足時，可能進一步使得循環惡化加重低血壓。只因多巴酚丁胺增加了血管順應性，進一步降低了張力容量，轉化為非張力容量，盡管增加了心肌收縮力，但是無法彌補回心血量減少引起CO的下降。其他一些藥物，如硝酸甘油和硝普鈉，可以減少靜脈阻力，增加靜脈順應性，使用這些藥物時如能維持恒定張力容量情況可以增加靜脈回流以增加CO。而單純的α－腎上腺素能受體激動劑如去氧腎上腺素可以降低靜脈順應性，從而降低張力容量，轉化為非張力容量，這就解釋了為什么去氧腎上腺素只刺激α－腎上腺素能受體提高動脈壓力但不會增加心輸出量。
這個過程被稱作容積比的改變，即總壓力相對于總容量的改變。在生理學范疇內這個斜率值不會發生改變。那么引申出下一個重要的參數，血管順應性。
血管順應性對血流的運動有著重要的意義，這也是血流動力學研究不同于一般流體力學的重要原因。血液流動的動力源于循環起點和終點之間的壓力差，并源于心臟的收縮舒張運動，在循環內血流是以脈動為主要形式的。但假如循環閉合環路中所有血管的順應性極差（硬質管路），那么增加循環起點的壓力，例如增加心臟收縮力，可以迅速見到壓力傳導到整個循環系統，并不會形成有壓力差的脈動波。但如果循環系統順應性好（彈性管路），那么動脈內一過性被容量占據，隨之容量又釋放，脈動波將產生。也就是說動脈可以將容量的改變轉化為壓力的改變，這就是血管順應性的生理學意義。而在全身整體的血管系統中靜脈的順應性極好，可視為低張力高容量容器，其中產生靜脈壁張力的容量可以轉化為靜脈回流的流量，其中靜脈壁的張力就是靜脈回流的動力。
血管順應性（systemic compliance，Csys）是靜態測量值；換句話說，Csys最關鍵的決定因素是在循環內的血流量，典型特點是測量時必須沒有流動血流才能計算，如何在患者床旁測算？根據擴容前后MSFP（Pmsf）變化。如圖10－4－2所示：給患者輸注一定量的液體，并分別在擴容前后測量Pmsf，然后根據下述公式計算：Csys＝Vload/（PmsfHyper－PmsfBaseline）。當計算出血管順應性，則根據患者當時的Pmsf，即可計算出產生如此壓力Pmsf需要多少張力容量容積。有研究測算正常循環血容量狀態下仰臥位患者平均張力容量為19.5ml/kg，而另有研究測量的患者平均張力容量為20.2ml/kg，相差并不懸殊。
目前在動物模型中測算Csys有3種方法：①在擴容前后分別用停循環的方法測算Pmsf，然后根據擴充的液體量和△Pmsf計算Csys；②建立右心旁路循環，改變右房壓來計算Csys；③測量在吸氣末正壓時，CVP和右心每搏輸出量的瞬時變化來計算Csys。其中停循環的方法測得Csys為1.8～2.0ml/（mmHg·kg），而通過建立右心旁路循環和根據瞬時壓力變化描記靜脈回流曲線的方法計算Csys為1.3～2.5ml/（mmHg·kg）。而在ICU患者中測得的Csys（0.97±0.49）ml/（mmHg·kg），略比動物模型中測量的數值低，可能是生物學特異性所致。另外，有些動物實驗也提示，給予β2激動劑、腎上腺素或者去甲腎上腺素后Csys會下降，提示上述兒茶酚胺類血管活性藥物對Csys是有影響的。此外，在Csys測算時，數據可能受很多混雜因素的影響，比如測算時合并毛細血管滲漏，或者測算時有血液、體液的丟失使得有效循環血容量的丟失從而高估Csys，所以要求在給患者測算Csys時，試驗時間限制在25分鐘內，以減少毛細血管滲漏對研究結果的影響，并避免試驗測量階段應用利尿劑，密切觀察患者胸腔、腹腔引流管等體液丟失的情況以客觀分析測量的Csys能否真實反映患者情況。另外，曾經有研究因為Pmsf不易獲得，而利用擴容前后CVP的變化來測算Csys，這種方法值得商榷，因為CVP同樣也受心臟周圍壓力變化和心功能變化的影響，評價擴容對CVP的影響來測算Csys混雜因素過多，不被推薦，還應測算Pmsf的變化來計算Csys的數值。
（劉大為 杜 微）