心脏运动及胸压变化影响血流动力学的机制及广义帕斯卡定律的发现

摘要

背景和目的
　　1.在利用超声多普勒技术测量心脏内的血流速度时，心脏运动会产生低频、高能量的多普勒频移信号，伴随血流信号一起出现在多普勒频谱中。然而长期以来，这部分心脏运动所产生的多普勒信号却被忽略或人为地滤掉了。根据多普勒效应，超声探头测量所得的血流速度代表了血液相对于探头的运动速度。然而，临床上人们所需要的是血液相对于瓣口的运动速度以真实反映心脏的功能状态。前期国内外的研究也表明，由于心脏本身的运动，多普勒测量所得的血流速度低估了真实的速度。但是，不同部分血流测量具体的低估程度尚无报道。本研究设计了体外实验及在体实验，目的是应用一种新技术，定量测量健康成人主动脉瓣、肺动脉瓣、二、三尖瓣多普勒血流测值的低估程度，揭示心脏运动对多普勒血流测量影响的机制，并提出矫正方法。
　　2.胸压变化影响心脏血流动力学的机制问题长期以来困扰着科学界，虽然对这一问题的机制进行了一百余年深入而广泛的探索，积累了很多的资料，很多学者也提出了多种假说，但是由于这些假说内部存在相互矛盾的地方，因此，尚未出现一种统一的得到广泛认可的机制。我们推测，将左心系统和右心系统分开进行研究，以及缺乏逐个心动周期的分析研究或许在一定程度上阻碍了对机制的发现。基于前期胸压变化影响心脏血流动力学的研究，我们提出了心血管系统可以根据解剖和血流动力学关系划分为全胸内系统和部分胸内系统以及两个系统相互作用的机制假说。本研究的目的是，首次利用PW/PW多普勒双模式技术同步地研究Va lsa lva动作对健康成年男性左右心室逐个心动周期的充盈的影响，并验证我们提出的全胸内系统和部分胸内系统相互作用假说。
　　3.对于以奇脉为代表的心-肺相互作用问题的研究持续了一百四十余年，但是对其力学机制目前还存在较大争议。但有一点得到研究者们的一致认同，即心-肺相互作用的实质就是呼吸运动产生的胸压变化对心血管功能的影响。要揭示心-肺相互作用问题的机制，需要回答一个不可避免的理论问题，即胸压变化如何在胸内组织（例如心脏内）传递的问题。在课题组心-肺相互作用研究的基础上，我们认为，机制问题长期得不到解决的原因可能是由于缺少一个统一的基本力学定律。为了回答胸压变化能否无损地向其内的生物组织传递的问题，我们发现帕斯卡定律可以应用在生物医学领域，可拓展为意义更为普遍，适用条件更为广泛的新定律，我们首次将这一新拓展的定律命名为广义帕斯卡定律，本研究的目的是为了探索证明广义帕斯卡定律的成立并对其科学意义进行阐述。
　　方法
　　1．使用HI VISION Preirus超声仪，PW/TDI双模式功能，探头频率1-5 MHz，取样框大小设置为3.0 mm。利用体外模拟实验，研究超声探头与模拟心底部分开且探头静止和超声探头与模拟心底部同步运动两种情况下的运动定量关系。在体实验部分，纳入60例健康志愿者（平均30±7.7岁），左侧卧位，平静呼吸并连接同步心电图，于平静呼气末屏气状态下，利用PW/TDI双模式功能同步记录主动脉瓣、肺动脉瓣、二、三尖瓣瓣口血流和邻近瓣环组织同方向的多普勒速度频谱，测量各个部位速度并计算低估值。
　　2．使用HI VISION Preirus超声仪，PW/PW双模式功能，探头频率1-5 MHz，取样框大小设置为3.5 mm。纳入30名正常男性志愿者（平均31±7.7岁），左侧卧位，清晰显示心尖四腔切面，利用PW/PW双模式功能同步记录二、三尖瓣血流速度频谱，稳定后嘱受试者行40 mmHgValsalva动作并维持记录15个心动周期，之后Valsalva动作在第16个心动周期时释放，但同步频谱记录一直持续至第25个心动周期。根据频谱，测量和计算得出左、右心每个心动周期的E峰峰值速度(P V)、舒张期速度-时间积分（VTI）和充盈容积（IV）。左、右心每个心动周期IV的计算方法是二、三尖瓣舒张期血流VTI乘以其基础状态下二、三尖瓣瓣环的横截面积。在随机选择的15名受试者中，对数据测量的观察者间和观察者内变异进行评价。
　　3．通过数学证明和课题组前期实验以及国外相关研究的结果来论证广义帕斯卡定律的成立。
　　结果
　　1.心脏运动对多普勒测值影响的体外模拟实验结果显示，当模拟心脏和模拟血流运动方向相反时，多普勒测量的速度为两者速度之差，当两者的运动方向相同时，多普勒测量的速度为两者速度之和。在体实验结果表明，常规超声多普勒测得的血流速度明显低估了真实的血流速度（P<0.001）。真实的血液相对于各自瓣膜的速度可以计算得出，在健康成人中，主动脉血流速度被低估（8.5±1.2）％，肺动脉血流速度被低估（6.6±1.1）%，二尖瓣E峰、A峰血流速度分别被低估（13.4±1.8）%、（16.7±3.3）%，三尖瓣E峰、A峰血流速度分别被低估（18.3±2.4）%、（26.1±5.6）%。
　　2．对于左心系统，PV、VTI和IV在Valsalva动作开始后的第1个心动周期保持不变（与平静状态时的各值比较，P=0.13），之后，逐渐开始降低，到第11±1.2个心动周期（范围第9–12个心动周期）时达到最低并维持这个水平直到Va lsa lva动作释放期（自第16个心动周期开始）。对于右心系统，P V、VTI和IV在Va lsa lva动作开始后的第1个心动周期时，较平静状态时显著降低(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),之后继续降低，在第6±0.8个心动周期（范围第4–7个心动周期）时达到最低，之后各值又逐渐上升，直到第9±1.3个心动周期（范围第8–10个心动周期）时并维持在这个水平到释放期。释放期后（第16个心动周期后），右心PV，VTI和IV逐渐增大，并出现了超射（左室IV增加了约15.8%，右室IV增加了约18.8%）。结果还显示，右心室I V的变化不管在Va lsa lva动作中还是之后，都要早于左心。
　　3．广义帕斯卡定律是指，封闭的不可压缩的流体内的压力变化可以无损地在流体内和处于其内的不可压缩的固体内传递。广义帕斯卡定律是帕斯卡定律的延伸和拓展，而帕斯卡定律则是广义帕斯卡定律的一个特例。数学证明和课题组前期实验以及国外相关研究的结果均支持该定律的成立。
　　结论
　　1.心脏运动会影响超声多普勒的血流测量，多普勒所测得的速度等于真实的血流速度与心底部运动速度的矢量和。临床上常规使用的多普勒所测量的心脏血流速度低估了真实的血流速度，其产生机制是由于运动的相对性原理，据此可以利用PW/TDI双模式技术对多普勒测量的心脏血流速度进行矫正，以获取真实的血流速度。
　　2.40 mmHg Valsalva动作导致的胸内压升高对正常成年男性左、右心室充盈有着不同的影响，实验结果符合全胸内系统和部分胸内系统相互作用的机制假说，该假说有助于揭示胸压变化影响心血管系统功能的真正机制。
　　3.基于数学证明、实验研究和客观事实的理性思考基础上的广义帕斯卡定律，即密闭的不可压缩流体内某一部分发生的压强变化，将无损地传递至流体和置于其内的不可压缩固体的各个部分，是成立的。该定律揭示了比帕斯卡定律更为深广的流体静力学规律，为我们认识心-肺相互作用机制等问题提供了理论依据。当然，其进一步的证明和应用研究仍需大量的工作。

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缩略语表

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前言

文献回顾

1 心脏运动及其对多普勒血流测量的影响相关研究

2 心-肺相互作用及机制研究进展

第一部分 心脏运动对多普勒血流测量的影响和机制研究

0 引言

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

第二部分 Valsalva动作对心脏舒张期血流动力学的影响及机制研究

0 引言

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

第三部分 广义帕斯卡定律的探索研究

0 引言

1 广义帕斯卡定律

2 数学证明

3 实验支持

4 讨论

小结

参考文献

附录

个人简历和研究成果

个人简历

主要学习及工作经历：

博士期间发表论文情况：

获得专利情况：

获奖情况：

致谢