第十五章 循環系統中的偶聯
在循環系統中，血液由心室泵出，送入大動脈，然后流入全身的器官組織，這一能量與物質的傳遞過程不僅與心臟和血管各自的功能有關，更由循環系統中的偶聯決定，包括心室－心室偶聯，心室－動脈偶聯，心室－冠脈偶聯以及各級動脈間偶聯等，本節將就心室－心室偶聯，心室－動脈偶聯作介紹。
從解剖結構來看，左心室與右心室由共同的心肌纖維束包繞形成，共用一個室間隔，共存于一個心包腔，一側心室心肌的彈性或硬度改變會影響另一側心室心肌的性質，一側心室容積和壓力的改變也會影響到另一側心室的形態，兩個心室不是兩個獨立的泵，而是一個合胞體，存在緊密的相互作用，這種一側心室改變直接影響到另一側心室功能的現象，就稱作心室－心室偶聯。1914年，Henderson和Prince首先觀察到這一現象，隨后眾多學者建立了各種離體和在體動物模型對此進行了很多的研究，相關的臨床研究也在逐步開展，目前認為，心室游離壁、室間隔以及心包仍是影響心室－心室偶聯的主要因素。
如果將心臟看成一個三壁模型，那么右心室游離壁、室間隔和左心室游離壁就共同構成了左右兩個緊密相連的心室腔。很多學者曾假設心室與心室間的作用都是通過室間隔完成的，而實際上，因為兩心室為共同的纖維束包繞，兩者之間存在由心室游離壁介導的直接作用，Seki和Taher等提出并證實，收縮期兩心室偶聯實際上是左右心室游離壁和室間隔交界處的力的平衡，也就是說，在生理情況下，左心室游離壁的應力必定與右心室游離壁和室間隔的應力匹配，左心室游離壁產生的應力會直接影響到右心室游離壁和室間隔。一側心室游離壁的形態及功能改變在改變本心室功能的同時也會直接影響到對側心室，臨床研究發現前壁心肌梗死時會出現右心室收縮功能障礙，左室游離壁缺血會導致右心室功能障礙。
由于右室游離壁相對于左室游離壁的質量較小，不但右室游離壁對左心室功能的影響遠小于左室游離壁對右心室的影響，而且右心室游離壁對本心室功能的影響也遠小于左心室游離壁對右心室的影響。Santamore等研究發現，切除左心室游離壁會顯著降低右心室的收縮功能，Starr等的研究發現右室游離壁的梗死或損傷僅造成右心室中等程度的收縮功能障礙，而Bakos等的研究則顯示，即使右室游離壁損傷面積較大，右心室的收縮功能也幾乎接近正常。也有研究證明，當右室游離壁硬度增加時，左室對右室的影響就會增大，這可能也是右室游離壁功能障礙時右心室功能不會受到太大影響的一個原因，右室心肌梗死初期，右心室的功能降低，但是隨著瘢痕形成，右心室游離壁變硬，右心室功能會趨于正常。
室間隔位于左右心室中間，對兩心室均有重要作用，是心室相互作用的主要因素。室間隔形態和位置的改變是由間隔兩側的壓力梯度決定的，跨間隔壓與收縮末室間隔距右心室游離壁的距離呈線性相關。肺動脈狹窄、Mueller動作或肺栓塞等導致右心室壓力增高時，均會顯著降低收縮期室間隔與左室游離壁的距離，室間隔肥厚，曲度減小，室間隔左移。當右室局部收縮力障礙時，右室充盈壓增加，室間隔左移，左心室舒張末容積減小，心輸出量降低。
雖然室間隔位于兩心室中間，但是對兩心室作用卻不是均一的。室間隔功能障礙或切除室間隔時，左心室收縮功能顯著降低，而對右心室的影響卻不顯著。主動脈狹窄時，左心室游離壁和室間隔的舒張末長度均增加，而右心室游離壁長度縮短，但當肺動脈狹窄時，右心室舒張期游離壁增加，而左心室的游離壁和室間隔的長度均縮短。同樣在急性三尖瓣反流時，右心室舒張末期長度顯著增加，但室間隔的形態和收縮能力沒有顯著變化。室間隔似乎可以看作左心室的一部分，任何導致左心室負荷改變的機制都會成比例的影響左心室游離壁和室間隔。
室間隔不但在心室－心室偶聯中有重要介導作用，同時其自身的功能也影響者心室－心室偶聯關系，進而影響到整個心臟功能。室間隔硬度增加會減弱左右心室偶聯強度，使右心室收縮功能降低；室間隔功能障礙會降低左心室收縮功能。室間隔缺血時，雖然左心室游離壁會代償性收縮增強，但其中一部分血會被推向右心室，而不是經主動脈口射出，所以心輸出量可能會降低。
左右心室位于同一個相對封閉的心包中，心室－心室偶聯會受到心包的影響。很多臨床和動物實驗研究均表明，一側心室的容積增加會導致另一側心室容積的降低，其中的機制可能包括兩方面，一是直接的心肌作用，這種作用不受心包的影響，另一種間接的心室－心包－心室偶聯，一側心室容積增加，使心包壓力增加，增加的心包壓力壓迫另一側心室而導致另一側心室的容積降低，剝離心包會使心室－心室偶聯減弱，但不會使其消失。當右心室心肌缺血導致左心室舒張末期容積降低，左室最大收縮期末壓力和心輸出量降低時，剝離心包后，左心室最大收縮期末壓力和心輸出量反會增加。
心室－心包－心室偶聯中最重要的是心包壓力的改變，心包壓力的改變會改變心室－心室偶聯關系變化的強度，有離體試驗研究顯示，如果僅是心包容積改變，而壓力沒有變化，那么心包不會影響心室－心室偶聯。
心臟射血時需要克服心室后負荷，當心室后負荷增加時，心臟射血受到抑制，心肌收縮力會代償性的增加以保證循環流量，但當后負荷長期增高，心肌發生形變，心室重塑，心肌收縮力則會降低，心輸出量隨之降低，心肌收縮力和心室后負荷之間存在重要的聯系，并共同影響著循環功能，心肌收縮力與心室后負荷的匹配關系被稱為心室－動脈偶聯，包括右心室－肺動脈偶聯和左心室－動脈偶聯。心血管生理學家認為，心室－動脈偶聯是心血管功能的主要決定因素。
心臟在等容收縮期心室腔的壓力不斷增高，當心室腔內的壓力超過主動脈壓力時，動脈瓣開放，血流由心室流向動脈，隨后，動脈內的壓力不斷增高，心室腔內的壓力逐漸降低，當動脈內壓力高于心室腔內壓力時，動脈瓣關閉，射血過程結束。在這一過程中，容量轉移引起壓力改變，而壓力又限制了容量的轉移，這一過程實際上是心肌收縮力克服心室后負荷做功的過程，當心室舒張末容積一定時，實際上心肌收縮力和心室后負荷之間的匹配關系就決定了每搏量和心室及主動脈的收縮末壓力，也就決定了心臟每搏功，這是心室－動脈偶聯成為心血管功能的決定因素的主要原因。
心室－動脈偶聯是心肌收縮力與心室后負荷之間的匹配關系，一些評估心肌收縮功能及評估心室后負荷的指標均在臨床和動物實驗中曾被用于心室－動脈偶聯方面的研究，比如評估心肌收縮力的指標左心室最高收縮壓力，dP/dtmax，最大心室功/心室舒張末容積（PWRmax/EDV2），心室收縮末彈性（Ees），評估心室后負荷的指標主動脈阻抗，外周血管阻力以及有效動脈彈性（Ea）等，目前最常用并被公認的用于評估心室－動脈偶聯的指標是Ea/Ees。
20世紀60年代末，Hiroyuki Suga提出了心室彈性隨時間變化的模型，在他的研究中發現一過性阻斷主動脈然后釋放，主動脈血流會先減少后增加，心室的收縮壓會同時先升高后下降。通過觀察一系列在不同前后負荷以及變時變力條件下的壓力容積環（PV loop）的變化，提出心室的彈性隨著心動周期不斷變化，彈性的最大值是在收縮末期，即收縮末彈性（Ees）。Ees與PV環上收縮末點連線的斜率相對應，并且隨心肌收縮力的變化靈敏地變化著。之后，Sunagawa提出了有效動脈彈性（Ea）的概念，定義為主動脈收縮末壓力與每搏量的比值，研究證實，其能夠較準確的代表心室后負荷。由于心臟和血管都具有彈性性質，Ea和Ees同為彈性指標，將Ea/Ees作為評估心室－動脈偶聯指標可以將心臟和血管放在同一平臺進行功能分析，使該指標逐漸得到公認，是目前最常用于心室－動脈偶聯評估的指標。
在壓力容積曲線上，左上角A點代表收縮末期。在該點上，心室達到最大的硬度。連接不同負荷下容積環的收縮末點可以得到心室收縮末壓力容積關系曲線，曲線的斜率定義為心室收縮末的彈性，用Ees表示（圖15－2－1）。
當收縮力增強時，該曲線就會左移，Ees會增大。根據Sunagawa等的設定，用每搏量和收縮末動脈壓力來對動脈系統進行評估，收縮末容積越大，左心室和動脈的收縮末壓力越大，這條曲線就是動脈收縮末壓力容積曲線，曲線的斜率就代表了動脈收縮末彈性，用Ea表示（圖15－2－2）。當動脈彈性增加的時候，該曲線會左移，Ea會增大。
心室－動脈偶聯決定了心室的射血程度，即EF。當Ees和Ea相等時，EF約為50%。當Ees超過Ea，射血分數增加，EF＞50%，相反，當Ea超過Ees，EF下降。實際上EF和Ea/Ees相關，還可以近似用公式Ea/Ees＝（1/EF）－1來表示。用心臟超聲來測量EF，然后用上述公式來近似計算是一種簡單且無創的評估心室動脈－偶聯方法。
很多評價心功能和血管功能的技術及指標，包括超聲技術、熱稀釋法、阻抗技術以及血流動力學和生化指標等已經得到廣泛應用，它們從不同角度和高度提示著心臟和血管系統的客觀存在狀態，而實際上，心室－動脈偶聯關系的改變可能比兩者各自的狀態指標改變更早更可靠，不僅便于在代償早期即發現問題，更可以通過優化調控提高整個心血管系統的功效。
每搏功（SW）是收縮期動脈壓力和每搏輸出量的乘積，來評估左心室產生的有用功。當Ees超過Ea（Ea/Ees＜1.0）時，SW 保持接近理想，但是當Ea超過Ees（Ea/Ees＞1.0）時，SW 會下降，左心室功效會降低。正常情況下，在靜息狀態和運動狀態時，左心室和動脈系統偶聯呈恰當狀態。但是在收縮性心功能衰竭的患者，Ees會降低，外周血管阻力會增加，Ea增大。在這種情況下，左心室和動脈系統偶聯下降（Ea/Ees＞1.0）。而且，有研究表明，在出現明顯的泵功能障礙之前，就已經表現出心室－動脈偶聯缺陷。心率的增加會使Ea增加，使偶聯進一步變差。擴血管藥物治療，降低Ea，會使Ea/Ees比率回到1.0，改善匹配。另外，應用正性肌力藥物治療，會增加Ees，也會改善Ea/Ees。因此，對于心衰的患者，左心室和動脈系統的不成比例的偶聯，會進一步地降低心臟的功效。通過擴血管藥物和（或）正性肌力藥物可以改善收縮期心衰患者的偶聯和功能。
心肌梗死患者中，Ees通常是降低的。神經激素的激活會產生血管收縮作用和心率增快，將會使Ea增加。在心肌梗死的動物模型中也可以看到這樣的變化，因此心肌梗死的時候Ea/Ees＞1.0。梗死的面積越大，患者的病情越重，Ea/Ees的比率就越大，這表明心室－動脈的偶聯越差。最近的一項動物研究顯示，17只犬心肌梗死2個月后的模型顯示，雖然它們的左心室射血分數正常（0.57±0.01），但是收縮末的彈性明顯降低（2.1±0.2vs6.1±0.8，P＜0.001），心室－動脈偶聯明顯降低（0.6±0.1vs1.4±0.2，P＜0.001）。
左心室－動脈偶聯異常的患者，會加重麻醉和手術應激對心血管功能的挑戰。全麻藥物具有嚴重的心血管作用，包括引起血管擴張、心室收縮力降低導致的動脈壓力降低。理想的結果應該是麻醉后左心室－動脈偶聯不變，心室的做功與后負荷的降低相匹配。在麻醉用藥方面，七氟烷和丙泊酚是兩種流行的吸入麻醉藥和靜脈全麻用藥。有研究表明，兩者均會造成左心室－動脈偶聯障礙。Hettrick等報道，七氟烷降低Ees的程度比降低Ea的程度更強烈，所以導致左心室－動脈偶聯降低。在Derysk等的研究發現，七氟烷的這種作用更強烈，Ees降低，但Ea增高，兩者均導致了左心室－動脈偶聯降低，從而使心輸出量明顯下降。同時，研究發現丙泊酚不影響心室的后負荷，維持了左心室－動脈偶聯，從而不影響心臟功能。因此，丙泊酚對于左心室功能障礙的患者可能是更好的選擇。
循環的效率取決于心臟和血管系統的相互作用。心室－動脈偶聯是休克復蘇過程中心血管功能改變的重要決定因素。以往的回顧性研究顯示，心室－動脈偶聯與創傷休克患者的病死率相關。存活者的心臟功能和組織灌注明顯好于死亡者，而心功能的改善是因為有較好的心室－動脈偶聯。一項以優化心室－動脈偶聯指導復蘇的前瞻性研究顯示，優化心室－動脈偶聯會改善創傷性休克患者的心肌做功效率，同時改善組織灌注。在這一研究中，23名患者中有15名需要強心藥物，或降低后負荷。復蘇后Ea/Ees［（1.0±0.4）vs（0.6±0.2）mmHg/（ml·m2），P＝0.0004］改善，左心室做功增加［（280±77）vs（350±81）L/min/（m2·mmHg），P＝0.003］，同時心肌效率改善（70%±8%vs77%±5%，P＝0.000 1），灌注指標堿剩余的清除率也得到了改善［（0.1±0.4）vs（0.2±0.1）mEq/（L·h），P＝0.006］。
Ghuysen等對右心室－肺動脈偶聯情況進行研究，在急性肺動脈栓塞的模型中發現隨著后負荷的逐漸增加，右心室通過收縮力逐漸增加來優化心室－動脈偶聯，但是做功的效率是逐漸降低的，當后負荷進一步增加時，心室－動脈偶聯降低，繼而出現衰竭。在該研究中，作者分三步逐漸增加栓塞物的量（0.25，0.125和0.062 5g/kg），結果觀察到第一步栓塞后，肺動脈壓力僅輕度增高，心輸出量沒有明顯的降低。第二步栓塞后，盡管每搏量降低，但是由于心率明顯增快，心輸出量仍能維持。進一步栓塞后，肺動脈壓力沒有進一步的增加，但是心輸出量明顯降低，血壓降低。前兩步中，Ees明顯增加。但在第三步時，Ees明顯下降，在整個過程中，Ees/Ea逐漸下降，由基線的2.78±0.16到最終0.72±0.24。從該研究中可以看到，在初始階段，右心室通過調動心肌收縮儲備增加收縮力，進而匹配后負荷的增加。隨著后負荷的進一步增加，右心室開始增大，心肌收縮力逐漸降低。從心室－動脈偶聯的角度上講，這時的右心室增大已經表明心室功能處于失代償狀態，已經出現右心室功能衰竭。
老年人心室收縮和舒張的硬度均增加，此時可能伴有也可能沒有發生肥大。Ea越大，相偶聯的Ees就越大。盡管隨著年齡的增加心室和動脈的彈性都增加，Ea/Ees保持不變，但是，血流動力學的穩定性和心臟的儲備功能仍然受到影響。當循環系統的順應性減低的時候，對于每搏量的改變，相應的壓力改變就會增大，血壓的波動就會增大。在運動時，因為心率和動脈搏動的增強，Ea會顯著增加，由于心肌收縮力的增加，Ees也會增加。當基礎Ea和Ees已經升高時，那么再升高的空間就很小了，此時Ea再增加會引起收縮性高血壓，如果Ees可以匹配的增加，那么尚可以維持每搏量，如果Ees不能同比增加，則會引起心室－動脈偶聯的不匹配，每搏量會降低，所以老年人的代償空間降低，老年人的活動耐量會降低。另一個不利影響就是當心肌收縮力或收縮壓下降引起的局部冠脈供血不足時，心室－動脈硬度增加會加重冠脈供血不足。心室－動脈硬化會導致血壓對循環血容量和利尿劑的敏感性增加，因此會加重心衰，尤其是射血分數正常的心衰。心室－動脈硬化在射血分數正常心衰的病理生理機制中是與年齡和血壓不相關的，心室－動脈硬化使心臟的舒張功能降低，使動脈壓波動增大，使應激狀態下的心臟代謝要求增加。另外，Chirinos等的研究顯示心室－動脈偶聯與體型不相關。
最佳偶聯問題是心室－動脈偶聯問題的焦點和難點，存在爭議。有研究顯示，正常人生理狀態下Ea/Ees在0.7～1.0，充血性心衰患者由于心室收縮功能降低同時后負荷增高Ea/Ees高達4.0。有學者認為，最佳偶聯時，心臟對外做功最大，Sunagawa等通過P－V模型推導及離體的犬心模型中證實，Ees＝Ea時，心臟對外做功最大。Little等證實，有意識狀態下的犬靜息狀態下Ees/Ea為0.96±0.20，對外做功最大時Ees/Ea為0.99±0.15。但依照模型推導在Ees＝Ea時，EF＝50%，而很多活體動物和正常人的EF值通常＞50%（60%～70%）。有學者提出，最佳偶聯時心臟功效最大。Burkhoff和Sagawa推導預測，Ea/Ees＝0.5時心臟做功效率最高，此時EF恰在60%～70%，與正常人的情況一致。Starling報道中，正常人靜息狀態下Ees/Ea為1.62（相當于Ea/Ees為0.62）。也有學者認為，最佳偶聯是在滿足流量和壓力生理需求基礎上盡量接近最大做功和最大功效的狀態，應該兩者兼顧。De Tombe PP的離體灌流犬心研究顯示，Ea/Ees為0.80±0.16時，對外做功最大，0.70±0.15時，功效最大，兩者相距較近，Ea/Ees在0.3～1.3范圍內，對外做功和功效均大于或等于各自最大值90%。病理狀態下的最佳偶聯是否與生理狀態下一致，不同病理狀態下最佳偶聯是否一致，仍有待研究。
總之，在整個循環系統中，心臟作為動力源，產生流量和壓力，血管作為調配器，調節著流量和壓力在各組織器官的分配，系統內部偶聯匹配是循環系統滿足全身物質和能量需求的保障，這一過程中伴隨著化學能、熱能、勢能及動能等能量間的相互轉化，偶聯決定著循環系統的功效，不匹配的偶聯會使功效降低，增加循環系統內部的功耗，加重心臟或血管功能障礙及結構改變。認識不同生理和病理狀態下的偶聯變化及其中的機制能夠幫助我們更好地掌控循環系統變化規律進而改善臨床預后，這其中仍存在很多問題亟待進一步的研究探討。
（李素瑋 劉大為）