正常人每搏輸出量與肺靜脈血管容量和左心房容量的相關(guān)關(guān)系的探討*

孫興國，Songshou Mao， Matthew J. Budoff, William W. Stringer，程顯聲

（1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 國家心血管病中心阜外醫(yī)院 心血管疾病國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，心血管病國家臨床醫(yī)學(xué)研究中心， 北京 100037，中國；2.美國加州大學(xué)洛杉磯分校Harbor-UCLA 醫(yī)學(xué)中心，洛杉磯生物醫(yī)學(xué)研究院，圣約翰心血管研究中心，加州90502，美國）

正常人每搏輸出量與肺靜脈血管容量和左心房容量的相關(guān)關(guān)系的探討*

孫興國1,2，Songshou Mao2， Matthew J. Budoff2, William W. Stringer2，程顯聲1

（1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 國家心血管病中心阜外醫(yī)院 心血管疾病國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，心血管病國家臨床醫(yī)學(xué)研究中心， 北京 100037，中國；2.美國加州大學(xué)洛杉磯分校Harbor-UCLA 醫(yī)學(xué)中心，洛杉磯生物醫(yī)學(xué)研究院，圣約翰心血管研究中心，加州90502，美國）

目的：從新理論對呼吸調(diào)控解釋中，肺-動(dòng)脈血液循環(huán)時(shí)間直接決定了吸、呼時(shí)相從開始到被終止（即吸呼切換）時(shí)間，從而形成呼吸節(jié)律和頻率。但相關(guān)研究甚少，使用肺CT掃描和心臟CTA造影對同一個(gè)人進(jìn)行肺靜脈血管容量、左心房容量及每搏輸出量多項(xiàng)測定，分析其相關(guān)關(guān)系以探討循環(huán)時(shí)間對呼吸的調(diào)控。 方法： 按我們近期建立肺CT掃描進(jìn)行全肺血管（≥0.06 mm）高精度三維立體成像技術(shù)處理后，估算肺靜脈血管容量和心臟CTA造影數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件分析處理，計(jì)算左心房容量和每搏輸出量。將三者進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析，推算肺-循環(huán)時(shí)間。結(jié)果：5例正常志愿者的全肺和肺血管的總?cè)萘?486±783（2156-4418）ml，肺血管容量141±20（105-163）ml，估算肺靜脈血管容量71±10（52-81）ml；左心房容量是97±39（53-165）mL，每搏輸出量是86±16（60-106）ml。肺靜脈血管容量和左心房容量之和大約是每搏輸出量2.0±0.3（1.7-2.4）倍；其中肺靜脈血管容量略小于每搏輸出量（0.8±0.1），而左心房容量略大于每搏輸出量（1.1±0.4）。結(jié)論：推算的肺-動(dòng)脈時(shí)間約為三次心跳。

肺臟CT掃描；肺血管樹三維成像；肺血管總?cè)萘浚环戊o脈血管容量；心臟CTA；每搏輸出量；左心房容量；心臟三維成像

傳統(tǒng)系統(tǒng)生理學(xué)的呼吸調(diào)控，總是借助以人為地提高或降低血液中的氧和二氧化碳分壓，來分析其對呼吸的影響，存在明顯片面性和局限性[1-6]。2011年，我們首先提出了整體整合生理學(xué)調(diào)控理念[1-4]：血液在肺毛細(xì)血管與肺泡完成氣體交換壓力平衡后，需要經(jīng)過肺靜脈再進(jìn)入左心房，然后在下一次心跳舒張期被吸入左心室，在左心室收縮時(shí)才被射入動(dòng)脈系統(tǒng)，流到主動(dòng)脈體和左右兩側(cè)頸動(dòng)脈體從而接觸到外周化學(xué)感受器，經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)觸發(fā)呼吸轉(zhuǎn)換，從而完成對呼吸節(jié)律和頻率的調(diào)控。同時(shí)，信號經(jīng)腦脊液傳送至中樞化學(xué)感受器，主要對呼吸進(jìn)行穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。心血管系統(tǒng)中肺靜脈血管容量、左心房容量和左心室每搏輸出量，及其相關(guān)關(guān)系直接影響到循環(huán)對呼吸的決定性調(diào)控，但是目前缺乏相關(guān)人體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步探討呼吸循環(huán)一體化調(diào)控，深入解釋血液循環(huán)在呼吸節(jié)律的形成和呼吸切換機(jī)制中的作用，選擇正常人按照我們新近建立的方法[7-12]分別計(jì)算肺血管容量、肺靜脈血管容量、左心房容量與左心室每搏輸出量，為進(jìn)一步闡明整體整合生理學(xué)醫(yī)學(xué)體系提供證據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選擇沒有心肺等主要系統(tǒng)疾病診斷的正常志愿者，在同一天對同一個(gè)志愿者分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化肺臟CT掃描[7]和常規(guī)心臟CTA檢查[8-12]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

18-20G套管針、高壓注射器、非離子型對比劑碘海醇(歐蘇350mgI/ml)、β-阻滯劑。

1.3 測試儀器

動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)和ECG監(jiān)護(hù)儀是由德國飛利浦公司制造的IntelliVeMP70患者監(jiān)護(hù)儀。其他見本刊中我們建立的肺血管容量測量方法[7-8]。

1.4 實(shí)驗(yàn)操作

同一個(gè)志愿者采用美國GE64層多檢測器螺旋CT掃描儀按照Harbor-UCLA醫(yī)學(xué)中心標(biāo)準(zhǔn)化肺臟CT掃描和常規(guī)心臟CTA掃描與圖像分析技術(shù)，分別進(jìn)行肺血管三維成像精確測定肺血管容量[7]和心臟CTA三維成像精確測定左心室每搏輸出量和左心房舒張末期容量[8]。

1.4.1 胸部CT掃描檢查和圖像分析 參見本刊中筆者建立的肺血管容量測量方法[7]。

1.4.2 心臟CTA掃描檢查、圖像分析和左心指標(biāo)的測定 參見本刊筆者中建立的心臟CTA房室容量和每搏輸出量測量方法[8-12]。

1.4.3 分析每個(gè)人左心室每搏輸出量與肺靜脈血管血液容量和左心房舒張末期容量的相關(guān)關(guān)系 為了客觀定量地推算左心室排血功能，確定肺毛細(xì)血管與肺泡平衡了氧氣和二氧化碳分壓的動(dòng)脈化血液從肺臟循環(huán)到動(dòng)脈外周化學(xué)感受器的時(shí)間長度，即肺-動(dòng)脈時(shí)間，我們將每個(gè)志愿者左心室每搏輸出量與肺靜脈血管容量和左心房舒張末期容量分別進(jìn)行比較。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析處理，所得結(jié)果以（）和范圍（低值-高值）形式表示，每個(gè)志愿者的肺血管容量、肺靜脈血管容量、左心房舒張末期容量分別與左心室每搏輸出量進(jìn)行比值計(jì)算，并進(jìn)行配對t檢驗(yàn)分析。

2 結(jié)果

2.1 正常志愿者一般信息

從洛杉磯南灣地區(qū)選擇5例，無顯著心肺等系統(tǒng)疾病診斷, 基本正常的志愿者，一般信息詳見表1。其中4男1女，年齡71±3（67～77）歲，身高174±10（155～183）cm，體質(zhì)量87±13（66～100）kg（表1）。

Tab. 1 Volunteers’ characterisc informaon

Tab. 1 Volunteers’ characterisc informaon

Subject(ID)Sex(M/F)age(year)Height(kg)Weight(kg) C.G.M7717879 D.L.M7317591 K.R.M69183100 S.M.F6715566 S.R.M71178994/171±3174±1087±13

2.2 正常志愿者肺CT掃描圖像分析信息

全肺臟從肺尖到肺底CT掃描圖片層數(shù)為667±219（473～969）張。肺血管容量詳細(xì)信息參見表2。以-1024HU為閾值；測得切劃部分的肺泡和血管總?cè)萘渴?486±783（2156～4418）ml。在基本不含有氣態(tài)p波的b波面積時(shí)密度低限閾值分別是-300 HU（2例）和-200 HU（3例）；測得肺血管容量是142±20（104.8～162.7）ml。按照二分之一血液容量粗略估算，肺靜脈血管容積是71±20（52.4～81.3）ml（表2）。

2.3 正常志愿者心臟CTA掃描圖像分析信息

正常志愿者在進(jìn)行心臟CTA造影時(shí)的心率是59±4（52～62）beats/min。心臟CTA造影數(shù)據(jù)經(jīng)兩名有經(jīng)驗(yàn)的判讀者進(jìn)行雙盲重復(fù)判讀，以兩次判讀所得的平均值作為結(jié)果。左心室每搏輸出量是86±16（60～106）ml，左心室每分鐘輸出量是5027±769（3720～5978）ml/min；左心房舒張期末容量是97±39（53-165）ml（表3）。

2.4 正常志愿者左心室每搏輸出量與肺靜脈血管容量和左心房舒張末期容量的相關(guān)關(guān)系

將上述肺CT掃描所得肺靜脈血管血液容量和心臟CTA造影測得左心房舒張末期容量與志愿者的左心室每搏輸出量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)肺靜脈血管容量略小于左心室每搏輸出量（0.8±0.1），而左心房容量略大于左心室每搏輸出量（1.1±0.4）；肺靜脈血管容量和左心房容量之和大約是左心室每搏輸出量的2.0±0.3（1.7～2.4）倍（表4）。

Tab. 2 Volunteers’ pulmonary vascular blood volume (PVBV) parameters from lung CT scanning

Tab. 3 Volunteers’ cardiovascular parameters from cardiac CTA

Tab. 4 Volunteers’ relationship between left ventricle stroke volume（LVSV） and pulmonary vein volume (PVV) and left atrium end diastolic volume (LAEDV)

3 討論

3.1 同一個(gè)志愿者同一天分別完成高清晰度肺CT掃描和心臟CTA造影，嘗試建立每搏輸出量與肺靜脈血液容量和左心房容量比較的無創(chuàng)傷精確分析方法

本次試驗(yàn)選擇洛杉磯南灣地區(qū)志愿者5例，采用64層多檢測器螺旋CT掃描儀獲得高清晰度肺CT掃描數(shù)據(jù)，使用圖像分析技術(shù)軟件，進(jìn)行肺野手工劃切，肺血管三維成像精確測定肺血管容量；同日還完成心臟CTA造影，使用圖像分析技術(shù)和三維成像軟件，進(jìn)行軟件自動(dòng)描畫后手工調(diào)整修正，精確測定左心室每搏輸出量和左心房舒張末期容量。該檢測方法安全可行、無創(chuàng)傷、精確、可靠，可在進(jìn)行人體整體整合生理學(xué)醫(yī)學(xué)研究時(shí)使用。將志愿者左心室每搏輸出量與肺靜脈血管血液容量和左心房舒張末期容量進(jìn)行自身比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肺靜脈血管血液容量和左心房舒張末期容量均與每搏輸出量相近。因此，經(jīng)過肺臟氣體交換的動(dòng)脈化血液這次心跳僅能到達(dá)肺靜脈血管末端，下一次心跳到達(dá)左心房接近左心室部位。

3.2 同一人同一天肺CT掃描和心臟CTA造影無創(chuàng)傷精確分析方法對探討人體循環(huán)功能調(diào)控呼吸節(jié)律和頻率研究具有重要價(jià)值

考慮到呼吸調(diào)控環(huán)路時(shí)間空間概念[1-5]，從血液循環(huán)角度分析，按照肺靜脈血管容量與左心房舒張末期容量之和是每搏輸出量的兩倍推算，在肺部完成氣體交換的動(dòng)脈化血液經(jīng)第一次心跳經(jīng)過肺靜脈到達(dá)肺靜脈附近左心房部位；第二次心跳血液進(jìn)入左心房靠近左心室；第三次心跳舒張期進(jìn)入左心室，收縮期射血到達(dá)體動(dòng)脈系統(tǒng)，從而將其攜帶的氧、二氧化碳在波浪式信號經(jīng)過左心傳至下游體循環(huán)主、頸動(dòng)脈體快反應(yīng)外周化學(xué)感受器，實(shí)現(xiàn)呼氣吸氣的轉(zhuǎn)換；所以經(jīng)大約三次心跳完成呼氣吸氣的轉(zhuǎn)換，心率與呼吸頻率比值應(yīng)該是6。與我們在進(jìn)行逐搏動(dòng)脈取血血?dú)夥治鰧?shí)際測定得到心功能正?；颊遊13]的心率與呼吸頻率比值是5（4～6），而心力衰竭患者[14]的心率與呼吸頻率比值是6（6～7），均非常吻合。每搏輸出量對呼吸節(jié)律和頻率的調(diào)控，與其與肺靜脈血管容量和左心房容量相關(guān)關(guān)系決定的肺-動(dòng)脈時(shí)間直接相關(guān)，在整體人身上生理學(xué)調(diào)控研究結(jié)果為呼吸循環(huán)一體化調(diào)控[1-5]提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，也為整體整合生理學(xué)理論體系提供了一個(gè)很有說服力的證據(jù)。

3.3 探討左心室每搏輸出量、收縮末和收縮末容量與射血分?jǐn)?shù)對呼吸強(qiáng)弱調(diào)控的影響

每個(gè)人每次心搏將離開肺毛細(xì)血管靜脈端（剛與此時(shí)肺泡達(dá)到氣體壓力平衡）的動(dòng)脈化血液依次運(yùn)輸?shù)椒戊o脈和左心房；大約第三次心搏舒張期使之進(jìn)入左心室，在收縮期將其搏入體動(dòng)脈血管，迅速到達(dá)外周化學(xué)感受器所在的主動(dòng)脈體和頸動(dòng)脈體位置，通過刺激外周化學(xué)感受器經(jīng)上傳神經(jīng)攜帶的信號可以觸發(fā)吸呼切換產(chǎn)生下一次呼吸。根據(jù)左心室“混合室效應(yīng)”概念[1-5]，血液中所攜帶的動(dòng)態(tài)波浪式信號經(jīng)肺靜脈、左心房和左心室進(jìn)入動(dòng)脈能否觸發(fā)下一次呼吸，主要取決于經(jīng)肺靜脈進(jìn)入左心室血液的量，即每搏輸出量的高低，以及其與上一次心搏左心室收縮末期殘存血液的比值，即左心室射血分?jǐn)?shù)，共同影響經(jīng)左心室混合后所含的信號強(qiáng)度。如果患者心力衰竭左心室每搏輸出量降低，或/和收縮末容量與舒張末容量增大，產(chǎn)生顯著的射血分?jǐn)?shù)降低，使得經(jīng)左心室混合后收縮射出的血液所攜帶的信號通過上傳神經(jīng)實(shí)現(xiàn)信號傳遞難以以觸發(fā)呼吸切換，則需要再增加一次心搏才能產(chǎn)生足以觸發(fā)切換的信號。循環(huán)功能直接影響生命表征呼吸信號的強(qiáng)弱。每搏輸出量對呼吸節(jié)律和頻率以及呼吸強(qiáng)弱調(diào)控的具體機(jī)制還需要進(jìn)一步研究闡明。此外，運(yùn)動(dòng)、精神緊張和飲食等因素可以影響循環(huán)功能和核心功能調(diào)控[5]。

另外，本實(shí)驗(yàn)的志愿者不一定都是健康人，可能會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，我們下一步還將繼續(xù)招募健康志愿者，進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

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The correlation of the stroke volume with pulmonary venous volume and left atrial volume

SUN Xing-guo1,2，MAO Song-shou2, BUDOFF MJ2, STRINGER WW2, CHENG Xian-sheng1

(1. State Key Laboratory of Cardiovascular Disease, Fuwai Hospital, National Research Center of Clinic Medicine for Cardiovascular Diseases, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100037, China; 2. Los Angeles Biomedical Research Institute at Harbor-UCLA Medical Center, University of California at Los Angeles, St. John’s Cardiovascular Research Center, California 90502，USA )

Objective：e same person’s pulmonary venous blood volume, leatrial volume and stroke volume were measured by lung CT scans and cardiac CT angiography （CTA）. Then their relationships were analyzed in order to investigate the mechanism of breathing control. Methods: As we described before, full pulmonary vascular (～0.6mm) volume was accurately calculated by three-dimensional imaging technology from lung CT scan; leatrial volume and stroke volume of leventricle were calculated from the CTA data.en the relationships among them were analyzed for estimation of the lung-artery time. Results：e total volume of lung and pulmonary vascular blood was 3486±783（2156-4418）ml， and the pulmonary vascular blood volume was 141±20（105-163）ml.e estimated pulmonary venous volume was 71±10（52-81）ml. Leatrial volume at the end diastolic was 97±39（53-165）ml，Stroke volume of leventricle was 86±16（60-106）ml。Pulmonary venous volume and the leatrial volume were double of stroke volume(1.7-2.4). Conclusion:e estimated lung-artery time was three heart beat.

lung CT scan； pulmonary vascular tree; three-dimensional imaging；the total capacity of the pulmonary vascular；pulmonary vein blood volume；cardiac CTA; stroke volume; left atrial volume; heart threedimensional imaging

R331.3+1

A

1000-6834 (2015) 04-337-004

＊ 【基金項(xiàng)目】國家自然科學(xué)基金醫(yī)學(xué)科學(xué)部面上項(xiàng)目（81470204）；國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題(2012AA021009);中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院國家心血管病中心科研開發(fā)啟動(dòng)基金（2012-YJR02)

2015- 06-05

2015-07-05

△【通訊作者】Tel： 010-88398300 ；E-mail： xgsun@labiomed.org