第三章 心脏泵 (三)
心输出量的决定因素
心输出量（每分钟每个心室泵出的血液升数）是一个极其重要的心血管变量，它会持续调节以使心血管系统满足机体瞬时的运输需求。例如，从静息到剧烈运动时，一个普通人的心输出量会从大约5.5升/分钟增加到可能达到15升/分钟。这些额外的心输出量为运动中的骨骼肌提供了维持增加的代谢率所需的额外营养供应。要理解心血管系统对运动以及其他生理或病理需求的反应，必须理解是什么决定并因此控制着心输出量。
如第1章所述，心输出量是心率和每搏量的乘积（CO = HR × SV）。因此，心输出量的所有改变必须通过心率和/或每搏量的改变来实现。
影响心率的因素是通过改变起搏细胞的舒张期去极化特性来实现的，这在第2章（图2-6）中已经讨论过。回顾一下，通向窦房（SA）结细胞的交感神经和副交感神经活性的变化构成了心率调节的最重要机制。交感神经活性增加会提高心率，而副交感神经活性增加则会降低心率。这些神经输入具有即刻效应（在1个心跳内），因此能够引起心输出量的快速调整。
每搏量的影响因素
心室前负荷改变的影响：心脏Frank-Starling定律
心脏每搏射血量可以发生显著变化。影响每搏量变化的最重要因素之一是舒张期心脏充盈的程度。这一概念在第1章（图1-7）中已经介绍，被称为心脏Starling定律。回顾一下（并再次强调其重要性），该定律指出，在其他因素相同的情况下，心脏充盈增加时每搏量随之增加。如下节所述，这一现象基于心肌的内在机械特性。
图3-4A说明了肌肉前负荷增加如何在固定总负荷的情况下增加随后收缩时的缩短程度。回顾静息长度-张力关系的特性，前负荷增加必然伴随着初始肌纤维长度的增加。如第2章所述，当肌肉从较大长度开始收缩时，在其张力产生能力不再大于负荷之前，它有更大的缩短距离。当心肌细胞实际在心室壁中运作时也表现出相同的行为。心室前负荷（即舒张期充盈）增加会同时增加舒张末期容积和每搏量，两者几乎等量增加，如图3-4B所示。
心脏舒张期充盈压力与舒张末期容积之间的精确关系具有特别重要的生理和临床意义。虽然实际关系在很高的充盈压力下呈现曲线性，但在正常心脏的正常运作范围内几乎呈线性。这种关系的低斜率表明正常心室在舒张期具有显著的顺应性（例如，充盈压力仅改变1毫米汞柱通常会使舒张末期容积改变约25毫升）。如第11章将要讨论的，一种主要的心力衰竭类型被称为'舒张性心力衰竭'，其特征是心室顺应性降低，心脏充盈压力与舒张末期容积之间的关系明显异常。
图3-4. 前负荷增加对(A)后负荷收缩状态下心肌缩短程度和(B)心室每搏量的影响。
(A图呈现了心肌长度-张力关系，其中横轴代表肌肉长度，纵轴代表肌肉张力（单位：g）。图中实线表示静息状态下的长度-张力关系，虚线表示最大等长收缩时的长度-张力关系。蓝色阴影区域展示了前负荷增加导致的两个重要变化：垂直方向上的初始肌纤维长度增加（Larger preload）和水平方向上获得的更大缩短距离（More shortening）。B图展示了左心室压力-容积关系，横轴为左心室容积（mL），纵轴为左心室压力（mmHg），描绘了一个完整的心动周期。蓝色阴影区域显示了前负荷增加导致舒张末期容积增加（从120mL开始），伴随着每搏量的相应增加（More stroke volume），而收缩末期容积维持在约60mL不变。这两个图完整地阐述了Frank-Starling机制：前负荷增加导致舒张末期纤维长度增加，继而引起收缩力增强，最终使每搏量增加。这一机制在临床实践中具有重要意义，尤其是在评估容量反应性和指导液体治疗方面，同时也解释了为什么在正常生理条件下静脉回流增加能够自动导致心输出量相应增加的原理。)
应当注意在图3-4A中，前负荷增加会增加初始肌肉长度，但在恒定总负荷下不会显著改变肌肉最终缩短至的长度。因此，心室充盈压力的增加主要通过增加舒张末期容积来增加每搏量。如图3-4B所示，这一过程并不伴随着收缩末期容积的显著改变。
心室后负荷改变的影响
如前所述，通常将系统动脉压视为左心室的'后负荷'。这里存在一个轻微的复杂性：在每次心脏射血过程中，动脉压在舒张压和收缩压之间波动。然而，通常我们关注的是平均心室后负荷，并将其等同于平均动脉压。
图3-5A显示了在前负荷恒定的情况下，后负荷增加对心肌细胞缩短的负面影响。这仅仅是因为当肌肉的峰值等长张力产生潜能等于其总负荷时，肌肉就无法继续缩短的结果。因此，当后负荷增加时，肌肉必须在较大的长度处停止缩短。
图3-5. 后负荷增加对(A)后负荷收缩状态下心肌缩短程度和(B)心室每搏量的影响。
(A图描述了心肌长度-张力关系的变化：横轴为肌肉长度，纵轴为肌肉张力（g）。图中虚线表示最大等长收缩时的张力曲线，实线代表静息状态下的张力曲线。当后负荷增加时（蓝色阴影区域），总负荷增大（Larger total load），导致心肌在较大长度处停止收缩，从而使心肌缩短程度减小（Less shortening）。B图通过左心室压力-容积关系展示了这一影响：横轴为左心室容积（mL），纵轴为左心室压力（mmHg）。后负荷增加（Larger ventricular afterload）导致收缩末期容积增加，尽管舒张末期容积保持不变（120mL），但每搏量明显减少（Less stroke volume）。这种现象在临床上常见于高血压或主动脉瓣狭窄患者，过高的后负荷会损害心室射血功能，最终可能导致心力衰竭。)
通常，平均心室后负荷相当稳定，这是因为心血管控制机制（将在后面描述）将平均动脉压维持在严格的范围内。然而，在高血压和主动脉瓣狭窄等多种病理情况下，异常高的心室后负荷会对心室功能产生不利影响。如图3-5B的压力-容积环所示，在这种情况下，每搏量可能会减少。需要注意的是，在这些条件下，每搏量减少是因为收缩末期容积增加。
图3-5B中的虚线表示在前负荷恒定但后负荷不同的情况下，收缩末期压力与收缩末期容积之间的关系。在功能正常的心脏中，后负荷改变对收缩末期容积（因此对每搏量）的影响相当小（约0.5毫升/毫米汞柱）。然而，在所谓的'收缩性心力衰竭'中，后负荷改变对收缩末期容积的影响大大增强，以至于动脉压的轻微升高就能显著降低每搏量。因此，这条线的斜率可以用于临床评估心脏的收缩功能，这将在第11章进一步讨论。
心肌收缩力变化的影响
需要回顾的是，交感神经系统激活会导致心脏交感神经释放去甲肾上腺素，这会增加单个心肌细胞的收缩力。其结果是使峰值等长长度-张力曲线向上移位。如图3-6A所示，在前负荷和总负荷恒定的情况下，这种移位会导致肌肉收缩时缩短程度增加。因此，如图3-6B所示，交感神经刺激释放的去甲肾上腺素会通过降低收缩末期容积来增加心室每搏量，而不直接影响舒张末期容积。
图3-6：去甲肾上腺素（NE）增强收缩力对(A)后负荷收缩状态下心肌缩短程度和(B)心室每搏量的影响。
射血分数是评估心肌收缩力的一个临床上常用的变量。它表示舒张末期心室内的血液在收缩期间被排出的比例。其定义为每搏量（SV）与舒张末期容积（EDV）的比值：
EF = SV/EDV
由于心肌收缩力增强会导致心室射血分数增加，因此在临床上常用射血分数测量来评估心肌收缩力的状态。
除了心肌细胞缩短程度的改变外，收缩力增强还会导致心肌张力发展速率和缩短速率的增加。这将导致等容收缩期压力发展速率和射血期射血速率的增加。
心输出量影响因素总结
图3-7总结了影响心输出量的主要因素。心率受窦房结细胞自发电活动的变时性调节影响。心脏副交感神经具有负性变时作用，而交感神经则具有正性变时作用。每搏量则受心室肌收缩功能的调控，特别是在后负荷状态下的缩短程度。影响每搏量的三个独立因素是收缩力、前负荷和后负荷。心脏交感神经活动增强通过提高心肌收缩力来增加每搏量。动脉压升高则通过增加心肌纤维的后负荷而降低每搏量。心室充盈压升高会增加舒张末期容积，进而通过Starling机制增加每搏量。
图3-7. 心输出量的影响因素
需要注意的是，心率和每搏量都受多重因素的综合调控。因此，收缩力增强倾向于增加每搏量这一事实，并不意味着在完整的心血管系统中，收缩力高时每搏量必定增高。例如，在出血性失血后，尽管交感神经活动增强且收缩力提高，每搏量仍可能降低。导致每搏量降低的其他可能原因只有动脉压升高和心脏充盈压降低两种。由于失血后动脉压正常或降低，因此与严重失血相关的每搏量降低必然是（且确实是）由心脏充盈压降低所致。
心功能曲线
总结心脏功能的影响因素及其相互作用的一个非常有效方法是通过图3-8所示的心功能曲线。在这种情况下，心输出量作为因变量绘制在纵轴上，而心脏充盈压则绘制在横轴上。
图3-8. 心脏交感神经活动对心功能曲线的影响。
不同曲线用于显示心脏交感神经活动变化的影响。因此，图3-8展示了心脏充盈压和心脏交感神经活动水平如何相互作用来决定心输出量。当心脏充盈压为2 mmHg且心脏交感神经活动处于正常水平时，心脏将在A点运行，心输出量为5 L/min。图3-8中的每条曲线都显示了在心脏交感神经活动保持固定水平的情况下，心脏充盈压的变化将如何改变心输出量。例如，如果心脏交感神经活动保持正常，心脏充盈压从2增加到4 mmHg将导致心脏工作点从A点移至B点。在这种情况下，仅由于充盈压增加（Starling机制），心输出量就从5增加到7 L/min。另一方面，如果心脏充盈压固定在2 mmHg，而心脏交感神经活动从正常水平适度增加，心脏将从A点转移到C点运行。心输出量同样会从5增加到7 L/min。然而，在这种情况下，心输出量的增加并非通过长度依赖机制，因为心脏充盈压没有改变。在充盈压恒定的情况下，心脏交感神经活动增加导致心输出量增加有两个原因：首要的是心脏交感神经活动增加提高了心率；其次，交感神经活动增加通过提高心肌收缩力而增加每搏量。
心功能曲线图整合了多种心脏调控机制的知识，在描述心脏与心血管系统其他要素的相互作用方面特别有帮助。此外，这些图再次强调了一个重要观点：在任何交感神经活动水平下，单纯的心脏充盈压改变都会对心输出量产生显著影响。