重读经典之 Guyton 系列（三） --容量及其与心输出量及静脉回流的关系（1）

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摘要

扩容是重症患者最常见的临床干预措施之一，但容量与心输出量的关系尚不清楚。血容量可分为张力性容量和非张力性容量，但只有张力性容量才能形成流量。在稳态下，张力性容量相对恒定，约占总容量的30%。它作用于血管壁产生弹性回缩力是血液流动的一个重要因素。心脏通过降低右心房压使小静脉和微静脉的弹性回缩力形成血液回流从而产生循环流量，心脏再将容量泵入体循环中。因此心脏搏出量等于回流量，静脉回流决定了最大心输出量。由于动脉和静脉阻力影响整个血管系统中的压力梯度及血流的重新分布，因此改变动脉和静脉阻力可以改变心输出量，而不影响张力性容量变化。张力性容量可以通过减少血管容积而增加，即将非张力性容量转换为张力性容量，相当于自体输液。值得注意的是，正常年轻男性运动中的心输出量可以增加五倍，而张力性容量只有很小的变化。因此，心腔和循环的机械特性最终决定了容量和心输出量之间的关系，也是本综述阐述的主题。

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背景

上个世纪初，Ernest Starling认识到心脏只能泵出同回流相当的容量。后来，这一概念由Arthur Guyton和Solbert Permutt进一步完善。其意义在于表明循环的机械特性是心输出量的主要决定因素。需要理解的机械特性关键术语是顺应性、容积、张力性容量和回流阻力。本综述从这些术语的定义开始在一个简单的模型中介绍流量的决定因素，该模型将回路中的容积归为一个整体。接着会讨论更加复杂的模型，其中包括肺循环存在顺应性的区域以及Krogh模型。Krogh模型的循环系统中存在两个并行的静脉顺应系统，一个顺应性高（好），另一个顺应性低（差）。最后讨论循环力学对临床使用液体和药物支持循环的意义。这些概念曾被回顾过，但因重症患者的管理大部分都围绕着液体治疗，故本文重点将放在容量作为心输出量的决定因素上。

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恒定的容量

在稳态条件下，血管容量是恒定的。使弹性血管扩张并产生张力的这部分血容量（张力性容量），是血流形成的关键决定因素。即使在没有血液流动的情况下也存在张力性容量。当循环中没有血液流动而静脉开放在大气压时这种弹性势能更为明显：即使没有心脏收缩，血容量也会从静脉中排空。心脏在这种静态势能中增加了一个搏动性成分，它根据血液流经的每个弹性血管的顺应性和阻力实现了容量在血管中的重新分配。

血管容量是恒定的，这是一个显而易见却又经常被忽视的点。使用电路来模拟循环血流是理解循环血流的一个关键模型。电学模型基于欧姆定律，即电压(V)中的电荷差等于电流(I)和电阻(R)的乘积，电流(I)是单位时间的电子数，电阻(R)是电子在导电物质中流动造成的能量损失。在流体力学中，研究循环中的液体流动，压力相当于电压，以升/分钟为单位的心输出量相当于电流，阻力是由于运动的流体层与血管壁相互摩擦而消耗的能量。在电路模型中，电压是由固定电源(如墙上插座或电池)接地的电势差来确定的。系统中电阻的增加或电压的改变会改变系统中的电荷量。在血管系统中，电荷量的变化等于容量的变化。与电学系统不同的是，循环中的血管容量是恒定的，压力差(相当于电压梯度)随着阻力或容量的变化而变化。心脏泵出心输出量至动脉内，并产生受总血管阻力影响的动脉血压。因此，单位时间的血容量即心输出量，决定了动脉压，而不是动脉压决定心输出量。

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顺应性

顺应性是球形结构可扩张性的量度，即压力变化引起的体积变化。一个简单的例子是：对一个已知体积的气球充气，然后测量跨壁压力的变化。令人惊讶的是，这样一种静态属性竟是血流这样一种运动状态的关键决定因素。顺应性的重要性在于，当下游压力较低时扩张的血管壁产生的弹性回缩力所形成的势能足以驱动血液流动。其次，血管顺应性是脉冲式血流通过闭合环路所必需的（图1）。心脏收缩会产生一个通过血管系统的容量波。血管壁必须能够伸展，才能暂时容纳容量。血管壁牵张所产生的压力将容量移至下一个压力较低的血管段。如果血管壁都非常坚硬（顺应性差），一端的“泵”产生的压力会迅速传递到整个血管系统。那么，在回路的起点和终点的压力将相等，就不会形成压力梯度而形成血流。

模型中所提到的顺应性之和是所有脉管的顺应性之和。小静脉和微静脉的顺应性几乎是动脉和大静脉的40倍；毛细血管的顺应性更小；肺循环顺应性大约是体循环顺应性的七分之一。因此，循环的总顺应性主要取决于小静脉和微静脉的顺应性，后者在低压状态下含有总血量的70%以上。因为大多数顺应性存在于这一个区域，所以一阶近似后可将微静脉和小静脉顺应性之和视为循环的总顺应性。这种简化在流量随体积变化的预测中产生了大约10%的误差，但它使数学上变得简单得多。这种简化的影响后续将进行讨论。但如果问题变成了“什么因素决定了动脉脉搏压”时，小动脉顺应性就成了关键因素，此时血管总顺应性就不那么重要了。

 图1.顺应性区域在循环中的重要性。a 按压风箱试图泵送液体至一个刚性管道（无顺应性）的环路中：由于按压风箱立即导致循环各处压力增加而无法形成触发液体流动的压力梯度，故而环流中的不能形成液体流。b 一个存在开放的顺应区域的环路，允许为压力变化而改变容积：按压风箱可以出现脉冲式的液体流动。c 环路中顺应性区域比（b）的大得多。按压风箱时出现的脉冲式的液体流动明显减弱，仅在顺应区域的表面上产生波纹。

如前所述，当血管被正常的血容量充满但没有血液流动时，血管内仍然存在压力，并且该压力在循环系统中的各部位均相等。这个压力称之为循环平均充盈压(MCFP)，取决于总的张力性容量和整个心血管系统(包括肺和心室腔)的总顺应性。心脏通过减少右心的容积和降低舒张压，使小静脉和微静脉中的弹性回缩力驱动血液回流到心脏。也就是说，心脏让已存在于小静脉和微静脉中的弹性回缩力能够发挥作用，从而起到“允许”的作用。通过把从小静脉和微静脉回流的血液泵出至全身各部位而起到“恢复”的作用。在稳态下的每一次心脏搏动，使血液从腔静脉回流以填充右心室，并将相同的血容量泵至动脉内而形成张力性容量。心房即使在心室收缩时也能接纳回心血量，因此静脉回流可以在整个周期内持续存在，而在动脉系统内，心搏出量仅发生在收缩期。心搏出量是指每次心脏跳动时流经整个系统的总容量。

有些人认为心脏不仅仅是允许静脉回流，循环中的血流之所以发生，是因为心脏泵出的容量增加了动脉压力，从而驱使血流流经整个系统并同时决定了右心房压力。然而，这类推理忽略了许多问题。液体是从压力高的区域向压力低区域流动的。血液从上游小静脉和微静脉系统回流到心脏。某区域的压力由该区域容量和血管壁的顺应性决定。如前所述，小静脉和微静脉包含了大部分的循环容量，相较而言心脏容量很小，以至于心脏可以增加静脉和小静脉中的容量但不足以增加这些血管内的压力。因此，小静脉和微静脉内的压力保持相对恒定，血流是通过右心运动从而降低右房压力使下游压力降低而非通过增加上游压力形成。如果心率被限制在每分钟一次，在下一次心跳之前循环系统中的各部位压力将逐渐达到平衡。此时的动脉脉压是由心脏单次搏出量及其动脉阻力和舒张末期留在主动脉中的容量所产生的。由于动脉阻力的不同，在相同的动脉压下也可以观察到不同的搏出量。例如，脓毒症患者的心输出量高，血压低；运动中的心输出量可以增加5倍以上，而平均动脉压变化不大。

要理解小静脉和微静脉顺应性的重要性，以及为什么心脏产生的压力对血液回流并不重要，可用浴缸进行类比。浴缸的排空率取决于浴缸底部排水口以上的水的高度。由于水的质量和重力对其质量的影响，水的高度会产生静水压从而推动水克服排水口的阻力而排出。但是，流出浴缸的水流量并不受上游水龙头压力的影响。上游水龙头只能通过增加容积和增加浴缸中的水高度来改变排水口的流量。对排出量影响重要的只有每分钟流入浴缸的容量，而不是流入的压力。在短时间内，水龙头的流量对水的高度影响微乎其微，因为与水的高度相比，浴缸的表面积非常大（也就是说，浴缸的顺应性很强）。循环系统也是如此。使血液流入小静脉和微静脉的动脉压并不影响静脉回流量。这就像在浴缸里一样，只有每分钟从动脉流入静脉的容量才会影响小静脉和微静脉的排空。此外，注入到浴缸中的上游容量（水龙头）可以是无限的，但在循环中，心脏可以添加到小静脉及微静脉以改变其弹性回缩力的容量却非常有限（因为后者已经包含了大部分的血容量）。进一步说，如果浴缸中的水已经满到边缘，任何额外的容量都只会溢出浴缸而不会改变从排水口的流量。当小静脉和微静脉充盈时，无论是通过临床干预或是通过肾脏机制保留容量，人体内也会出现类似的情况。静脉压力的升高增加了容量从上游毛细血管渗漏到细胞间隙，就像液体溢出到地板上也不会改变静脉回流量。

但如果容器是小水槽而不是浴缸，那水龙头的流入量对排水量的影响会大得多。因为水槽比浴缸的顺应性小得多，只需要一个小小的容量变化就可以增加水槽中的水的高度，从而使排水量增加。稍后，我们将讨论浴缸和水槽并联的重要性以及改变浴缸和水槽的流量分布的可能性，这被称为Krogh模型，其在1912年被首次描述。

（未完待续。。。）

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