翻译 上海市公共卫生临床中心 麻醉科 俞立奇
概述
由于心脏和肺部被限制在胸腔内，了解它们的相互作用对于研究每个系统都是不可或缺的。这种相互作用包括心脏外部制约的变化、血容量再分配（静脉回流）、直接心室相互作用（DVI）和左心室（LV）后负荷。在机械通气期间，这些相互作用会被放大，导致心输出量减少。例如，与机械通气相关的胸内压升高会增加外部制约，限制心室舒张充盈，从而限制输出量。同样，高胸腔内压会改变血容量分布，限制两个心室的舒张充盈，同时增加肺血管阻力，导致DVI增加，这可能会进一步限制左心室充盈。虽然左心室后负荷通常被认为会随着胸内压的增加而减少，但如果左心室后负荷的减少主要是左心室前负荷减少的结果，则会出现问题。深入了解心肺之间的相互作用可能很复杂，但对临床医生和医学生来说都是至关重要的。在本次教学回顾中，我们试图强调目前对心肺生理学和病理生理学某些突出方面的理解，并为多学科健康科学教育工作者和学生提供资源。
关键词
心肺；直接心室相互作用；心肺相互作用
引言
为了更好地理解心肺生理学，应该让学生了解心肺之间发生的动态相互作用。当胸腔完整且闭合时，它将心脏和肺部限制在有限的空间内。因此，整个呼吸阶段的胸腔内压变化对心脏功能的影响各不相同。呼吸过程中过度用力[例如在运动或某些肺部疾病，如慢性阻塞性肺病（COPD）期间]会增加这些相互作用的重要性。人们普遍认为，机械通气期间胸腔内压升高会降低心输出量（CO）。一项全面的综述阐明了影响这些心肺相互作用的一些重要因素，包括心脏的外部制约、血容量再分配（静脉回流）、直接心室间相互作用（DVI）和左心室（LV）后负荷。本文的目的是强调重要的心肺相互作用，并帮助引导读者阅读具有开创性的论文以进行进一步的综述。我们试图为健康科学教育工作者和学生提供一种资源，他们正在教授和学习这种生理相互作用的复杂性。
所有动物实验都得到了实验动物管理和使用委员会的批准，该委员会的标准与美国生理学会的标准一致。
外部制约
当心脏的外部制约限制了舒张充盈时，它会影响CO。由于心脏和肺部非常接近，机械通气或强制呼气（如肺气肿患者）引起的胸内压升高会增加心脏周围的压力。在这些情况下，有效扩张左心室的压力降低[即经口压力（PLVTM），等于左心室舒张末期压力（PLVED）减去心脏周围压力（即心包压力（PPERI）]。心包的限制和肺部直接对心室的压迫都会影响心脏周围压力。心包制约本身只有在心血量显著增加（即容量负荷）、心包积液期间或心周顺应性降低（即缩窄性心包炎）的情况下才会变得重要。然而，当胸腔内压显著升高时（在机械通气或强制呼气期间经常发生），PPERI也会出现类似的增加，这往往是导致PLVTM、左心室舒张末期容积（VLVED）、左心室每搏输出量（SVLV）和每搏功（SWLV）降低的主要原因。急性张力性气胸很好地证明了这一现象，因为CO随着胸内压的增加而迅速降低。
血容量再分配（静脉回流）
胸腔内压力变化也会影响血容量再分配。在正常情况下，尽管吸气时胸内负压会增加右心室（RV）舒张末期容积（VRVED），但颈静脉压[右心室舒张末期压力（PRVED）的转介标志]往往会下降。毫不奇怪，在正常呼气期间，随着颈静脉压力的升高，会出现相反的变化，这反映了PRVED随着胸内压力的增加而增加。在正常情况下，由于相应的胸压降低和增加，右心室在吸气时的容量略大，呼气时的容量较小。
当正压通气（PPV）增加胸腔内压时，胸腔和腹腔之间的静脉压差会降低，导致返回心脏的血液量减少。Jardin等人描述了PPV测量的腹部下腔静脉（IVC）大小的增加，表明由于压力梯度差异，胸外静脉容量增加。压缩和通过胸腔静脉的流量减少，使PPV的右心室前负荷减少。然而，在稳态下，随着时间的推移，返回的血容量必须等于CO；因此，即使在PPV期间，腔与腔之间的压力梯度也会重新建立，流量也会迅速重新建立。Fessler等人将呼气末正压（PEEP）下PPV期间恢复血容量的维持归因于压力感受器反馈增加了外周血管张力。他们的数据表明，PEEP会增加体循环平均压，这将重建胸腹腔静脉压力梯度和下腔静脉流量（QIVC）。这就对该机制对CO进一步减少的相对影像提出了质疑。
另一个需要考虑的因素是PPV期间肺膨胀对肺静脉床压缩引起的左心室前负荷的影响。从概念上讲，在肺膨胀期间观察到的VLVED增加可能是由于肺静脉流量增加。Brower等人使用单独灌注的犬肺制剂清楚地表明，当肺部处于肺3区状态时（肺动脉压力>肺静脉压力>肺泡压力），肺膨胀会导致肺血容量降低，同时肺静脉流量增加。据推测，肺膨胀期间肺泡压力的增加会导致血液从肺泡内血管流入左心室。这一过程类似于使用气动长袜增加静脉回流，因为血液被迫从容量血管流回心脏。先前的研究清楚地表明，在不同水平的PEEP下，肺膨胀期间VLVED和PLVTM都会增加。当消除了先前通气周期的影响时，这一点也成立。由于正常生理模型中的肺部主要处于肺3区状态，这就提出了一个问题，即这种增加的前负荷效应是否也会发生在肺2区状态中，这在通气的患者中很常见[患者可能会出现低血容量（循环容量减少），这可能会使肺静脉压力降至肺泡压力以下，并产生肺2区的状态（肺动脉压力>肺泡压力>肺静脉压力）]。在2区条件下，肺泡压升高可能会降低肺静脉的通畅性和流量，从而消除任何前负荷增加。同样，当肺血管阻力（PVR）增加主要是由于肺动脉收缩时，如缺氧性肺血管收缩所示，肺血流量和VLVED可能会减少；这些缺氧状况在病人中很常见（如肺炎和急性肺损伤）。
同样，腹内压的变化可能会影响静脉回流，从而影响左心室前负荷。Takata等人在开胸IVC旁路犬模型中评估了腹部2区和3区状况。他们的结果表明，左心室前负荷的增加是QIVC增加的腹部3区条件（胸廓入口处的透壁下腔静脉压力>临界闭合透壁压力）所特有的。然而，随着膈神经刺激和膈肌下降导致腹压增加，QIVC降低，从而产生腹部2区条件（胸廓入口处的透壁下腔静脉压力<透壁临界闭合压力），表明存在血管瀑布条件。一个可能有助于理解这种生理效应的临床相关因素是腹腔间隔室综合征，这是一种由各种病因（如腹水和腹膜后血肿）引起的腹压显著升高所定义的疾病。事实上，高达1.3%的重症监护患者和36.4%的创伤患者在腹腔间隔室综合征期间表现出血液回流和CO的减少。与肺部一样，腹部状况深受血容量状态的影响，腹部3区更有可能出现正常和高血容量状态，而腹部2区状况则存在于高血容量期间。
DVI
DVI可以被视为两个心室通过室间隔的相互作用，这种相互作用既发生在逐搏基础上，也发生在稳态条件下。由于心外膜无法极度扩张，任一心室充盈压力的变化可能会改变另一心室的输出量。例如，如果RV后负荷增加，PRVED的增加幅度可能会超过PLVED。由于舒张末期室间隔位置由经室间隔压力梯度（TSG）决定（PLVED–PRVED=TSG），PRVED的增加大于PLVED会降低TSG并使室间隔向左移动。在正常的生理条件下，这一点很明显，吸气时最初的收缩压会降低；吸气会立即增加右心室的静脉回流、室间隔移位和SVLV减少。
使用稳态测量的研究尚未就机械通气相关的DVI达成共识。Jardin等人在10名急性呼吸窘迫综合征患者中发现，由于室间隔移位，左心室大小显著减小。然而，他们研究中使用的>20-cmH2O气道开放压力在临床上很少使用。另一项研究将狗的PEEP从0增加到15cmH2O；在这些条件下，左心室容积减少，而右心室容积增加。然而，Fewell等人反驳了PEEP相关的DVI，并报告称，在PEEP水平升高的情况下，VLVED和VRVED同时降低，这表明与外周容量再分配有关，如上所述。
还应考虑右心室大小、DVI和PEEP期间PVR增加之间的潜在关联。PVR与肺容量呈双曲线关系，最低点接近功能残气量；在低容量时，肺泡外血管塌陷，导致显著的PVR。然而，肺容积超过功能残气量时PVR的增加可归因于肺泡内血管压迫。这可能会维持或增加VRVED，而随着外部限制的增加，心脏的其余部分会变小。Rankin等人证明，DVI是由于右心室后负荷增加和15-cmH2O气道开放压力引起的PVR所造成的。在另一项研究中，在麻醉的胸腔闭合的犬中，随着PEEP水平的不断升高，PVR增加，DVI导致VLVED和SVLV降低。图1A展示了这一过程和相关的临床条件，这些条件在教育学生时可能有用。缺氧性肺血管收缩，例如在高海拔生理状态，高PEEP和/或PPV期间的潮气量，无论是否伴有急性肺损伤，以及COPD（如肺气肿）中肺毛细血管的丧失，都会提高PVR并产生DVI相关的变化。在慢性阻塞性肺疾病患者中，由于肺动脉高压（即肺源性心脏病）引起的右侧心室扩大/心力衰竭通常先于收缩功能障碍，因为VRVED的增加通过室间隔相互作用限制了VLVED。Jardin等人评估了10名慢性阻塞性肺病患者在容量负荷期间右心室大小增加对左心室舒张功能的影响。使用二维超声心动图，他们的结果显示右心室和左心室大小存在相反的变化，在容量冲击试验时室间隔向左移位，表明这可能是肺源性心脏病通过DVI降低该人群左心室功能的主要机制。图1B显示了如何通过急性容量冲击试验来降低PVR，从而导致室间隔向右移位。如果人们同意右心室高度依赖后负荷（至少比左心室更依赖后负荷），急性容量冲击试验可以通过肺血管充盈和/或肺血管透壁压增加来降低PVR（即右心室后负荷）。值得注意的是，在临床上，如果高PVR患者患有急性肺栓塞、慢性阻塞性肺疾病和严重充血性心力衰竭等疾病，那么容量冲击试验对他们来说可能是非常有害的。
图1 ：肺血管阻力（PVR）增加（A）和减少（B）期间的直接心室相互作用（DVI）。随着PVR的增加（例如，在PEEP、COPD、缺氧性肺血管收缩、急性肺损伤和大潮气量的PPV期间），右心室舒张末期容积增加，导致室间隔向左移位、左心室舒张末期容量减少和SVLV减少。B：由于右心室高度依赖后负荷，PVR的降低（例如在急性容量冲击试验期间）会导致SVRV增加、室间隔向右移位以及左心室前负荷和SVLV增加。在非心力衰竭的情况下，左心室舒张充盈的减少或增加可能会导致左心室后负荷以前负荷依赖的方式减少或增加。
当受试者完成改良的 Valsalva 和Muller动作（分别在强制和持续呼气和吸气期间肺容量减少和增加）时，DVI和外部制约在MRI图像中得到了很好的证明。从影像检查中拍摄的即时照片清楚地显示，在强制呼气期间，心脏的外部限制增加（心脏变小，胸腔内空间显著减小）（图2A）[由于明显的原因，心率增加（压力反射补偿SVLV的降低，从而补偿平均动脉压）没有显示出来]，而强制吸气对心脏大小的影响相反，并且由于DVI和QIVC的增加，室间隔轻微扁平（图2B）。这是一个完美的例子，可以证明一个系统或器官的功能（或故障）如何对另一个系统和器官的功能产生重大影响。
图2 ：胸部的磁共振成像（MRI）显示了健康人类志愿者在正常和强制吸气和呼气过程中的心脏。与正常吸气相比，强制呼气减小了心脏的大小（A），而与正常呼气相比，强制吸气增加了右心室的大小并使室间隔变平（B）。
左心室前负荷
后负荷表示心室输出的障碍，在给定的前负荷下，左心室后负荷的增加往往会降低SVLV。如果胸腔内压增加，人们可能会认为这种压力会压缩胸主动脉，这往往会增加左心室后负荷。其他人则认为相反：胸腔内压升高会将血液从胸主动脉转移到腹主动脉，并减少后负荷。这可能是由于与腹内压相比，胸腔内压相对较大，左心室附近的即时透壁动脉压较低。
人们普遍认为，随着机械通气胸腔内压力的增加，血液会从中心循环重新分布到外周，同时伴有心外按压。这往往会降低左心室前负荷，根据Frank Starling机制，SWLV也会降低。在这种情况下，随着胸腔内压的增加，后负荷可能会出现与前负荷相关的减少。Jardin等人研究了10名急性肺损伤患者，结果表明，当PEEP水平达到30cmH2O时，CO减少、室间隔向左移位和收缩末期PLVTM（左心室后负荷的替代标志物）减少。与相同PEEP水平下的等容状态相比，30-cmH2O PEEP下的容量负荷也产生了收缩末期PLVTM的增加。这可能具有重要的临床意义，因为人们普遍认为减少左心室后负荷将提高心脏性能。如果左心室后负荷的减少主要是左心室前负荷减少的结果，则情况可能并非如此。相比之下，慢性阻塞性肺病患者在吸气时往往会产生较大的胸腔内负压，从而增加左心室后负荷。显然，左心室后负荷增加和室间隔向左移位（如前所述的DVI）可能会显著降低该患者群体的左心室功能。
在使用压力-容量环的单个通气循环中，较不常见的是每搏之间的后负荷-前负荷关系。我们在健康麻醉犬中有未发表的数据，清楚地表明，从0到18cmH2O的连续PEEP水平降低了左心室面积（前负荷），进而降低了收缩末期PLVTM。此外，在PEEP水平下，机械性肺充气期间收缩末期PLVTM没有降低；这表明左心室容积随吸气增加（以及随后由Frank Starling机制确定的收缩末期PLVTM）抵消了外部限制增加的影响，这往往会降低左心室前负荷（图3）。Denault等人发表的数据与后负荷的前负荷依赖性一致。他们使用直接测量的PPERI来计算PLVTM，证明了肺膨胀期间左心室壁张力降低，并且这种降低与左心室前负荷降低有关。尽管吸气期间左心室前负荷的变化与我们的相反，但重要的是，在这两种情况下，室壁张力都随着前负荷而变化。Peters等人证明，持续的胸腔内负压（膈神经刺激）分别使VLVED和SVLV降低了37%和31%。当仅在收缩期施加，同时保持前负荷不变时，增加的左心室后负荷仅使SVLV降低了13%。这表明，虽然增加后负荷和减少前负荷都导致了SVLV的减少，但增加的LV后负荷不如减少的LV前负荷重要。值得注意的是，Pinsky等人在大剂量普萘洛尔诱导的急性心室衰竭犬模型中证明，随着胸腔内压力的增加，左心室功能得到改善。再次，改善左心室功能的首选解释是通过减少左心室的负荷来增加胸内压，从而增强左心室射血，而前负荷被认为是恒定的。毫不奇怪，大多数试图证明左心室后负荷与前负荷无关的减少的研究都是在心力衰竭患者/模型中进行的，其中收缩性降低的衰竭左心室肯定对前负荷不敏感，并且已被证明对后负荷更敏感。
图3 ：正常麻醉犬模型中代表性实例之间的单通气周期关系，说明了透壁左心室压力（PLVTM）和左心室面积（ALV）之间的关系。A和B：在PLVED分别为5和12 mmHg时，每种PEEP水平都有一个通气周期。随着PEEP从0（PEEP 0）增加到18cmH2O（PEEP 18），舒张末期和收缩末期ALV（容积）降低，导致SVLV和SWLV降低，分别由每个环的尺寸和面积表示。左心室后负荷，如收缩期峰值PLVTM或收缩末期PLVTM所示，随着PEEP的增加而降低。在任何PEEP水平下，左心室后负荷在PLVED为12mmHg时都大于5mmHg。从0到18-cmH2O PEEP，12 mmHg的PLVED时左心室后负荷的减少小于在5 mmHg时的减少。
总结
本次教学综述强调了心肺生理学的许多突出方面，包括该领域重要论文的参考文献。由于心脏和肺部共享有限的空间，因此一个器官的功能与另一个器官密不可分也就不足为奇了。在正常呼吸期间，包括心脏外部制约、血容量再分配（静脉回流）、DVI和LV后负荷在内的相互作用在一定程度上存在，但在机械通气期间可能会显著放大，这在临床上很常见。深入理解这些复杂的原理对健康科学专业的学生和教育工作者都很重要。