2025年12月16日 (二) 11:27的版本

学习目标

完成本章学习后，学生应能回答以下问题：

决定心输出量的四个主要因素是什么？其中哪两个因素被称为"耦合因子"，这种描述的缘由是什么？
什么是心脏功能曲线（cardiac function curve），其与Frank-Starling机制有何关联？
什么是血管功能曲线（vascular function curve），其如何受总外周阻力（total peripheral resistance）、血容量（blood volume）和静脉张力（venous tone）变化的影响？
为什么心血管系统的运行点（operating point）出现在血管功能曲线与心脏功能曲线的交汇处？
如何通过评估心脏功能曲线和血管功能曲线，使临床医生能够判断血容量变化、血管张力变化和心肌收缩力变化对心输出量的影响？
中枢神经系统、心脏和全身脉管系统中的哪些机制使得剧烈运动时心输出量能够提升至所需水平？
出血的心血管影响是什么？倾向于重建动脉压和心输出量的代偿机制是什么？

心脏输出量与血压的调节

四个因素控制心脏输出量：心率、心肌收缩力、前负荷和后负荷（图19.1）。心率和心肌收缩力是严格的心脏性因素，尽管它们受多种神经和体液机制调控（见第17、18章）。前负荷和后负荷（第16章）是同时依赖于心脏和血管系统功能的因素，也是心输出量的重要决定因素。前负荷和后负荷本身由心输出量和某些血管特性决定。前负荷和后负荷被称为耦合因素，因为它们构成了心脏与血管之间的功能耦合。要理解心输出量的调节，必须明确心脏与血管系统之间耦合的本质。

本章使用两种曲线图来分析循环系统中心脏与血管成分的相互作用。第一种曲线——心脏功能曲线，是著名的Frank-Starling关系的表达，它说明了心输出量对前负荷（即中心静脉压或右心房压力）的依赖性（第16章）。心脏功能曲线是心脏本身的特性，通常在完全脱离循环系统其他部分的心脏中进行研究。本章后续将结合另一种特征曲线——血管功能曲线，讨论该曲线以分析心脏与血管系统的相互作用。血管功能曲线定义了中心静脉压对心输出量的依赖性。这种关系仅取决于若干血管系统特性，包括外周血管阻力、动脉和静脉顺应性以及血容量。血管功能曲线完全独立于心脏的特性。由于这种独立性，即使使用机械泵替代心脏，仍可通过实验获得该曲线。

血管功能曲线

血管功能曲线定义了由心输出量变化引起的中心静脉压（P_v）变化。在此曲线中，Pv是因变量（或响应），而心输出量是自变量（或刺激）。这些变量与心脏功能曲线中的变量相反——在心脏功能曲线中，P_v（或前负荷）是自变量，心输出量是因变量。

• 图19.2 A至D：简化心血管系统模型，包含泵、动脉顺应性（Cₐ）、外周阻力和静脉顺应性（Cᵥ）。

图19.2所示的简化循环模型有助于解释心输出量如何决定P_v的水平。该模型将心血管系统的所有关键组成部分整合为四个基本要素。心脏左右两侧以及肺血管床共同构成泵-氧合器（pump-oxygenator），类似于体外循环心脏手术中用于灌注人体的人工心肺机。高阻力的微循环被定义为外周阻力。最后，系统的顺应性被细分为动脉顺应性(C_a)和静脉顺应性（C_v）。如第17章所定义，血管的顺应性（C）是指血管内可容纳的体积变化(ΔV)与跨壁压变化(ΔP)的比值，即：

C=ΔV/ΔP

静脉顺应性约为动脉顺应性的20倍。在图19.2的示例中，为简化计算，将C_v与C_a的比值设为19:1。

为了展示心输出量变化如何引起P_v的逆向变化，该假设模型具有模拟普通成年人体循环的特征（见图19.2A）。心脏产生的血流（即心输出量；Q_h）为5L/min；平均动脉压(Pa)为102mmHg；Pv为2mmHg。外周阻力（R）是动静脉压差(Pa-Pv)与流经阻力血管的血流量(Q)的比值，该比值等于20mm Hg/L/min。

100mmHg的动静脉压差足以使5L/min的血流量(Q)通过20mmHg/L/min的外周阻力（见图19.2A）。在平衡状态下，该血流量(Q)恰好等于心脏泵出的血流量(Qh)。从每次心跳来看，动脉中的血量(Va)和静脉中的血量(Vv)保持恒定，因为心脏从静脉转移到动脉的血量等于从动脉流经阻力血管进入静脉的血量。

心脏停搏对动脉和静脉压力的影响

图19.2B描绘了心脏骤停发生之初的循环状态，即心输出量（Qh）=0。在心脏停止跳动的瞬间，动脉（Va）和静脉（Vv）中的血容量尚未发生显著变化。由于动脉压和静脉压分别取决于Va和Vv，这些压力值与图19.2A中对应的压力值相同（即Pa=102 mmHg，Pv=2 mmHg）。此时100 mmHg的动静脉压力梯度驱使血流（Q）以5 L/min的速率通过20 mmHg/L/min的外周阻力。因此，尽管此时心输出量（Qh）为0 L/min，但微循环血流量（Qt）仍为5 L/min，这是因为心脏先前泵血作用储存在动脉中的势能促使血液从动脉向静脉转移。这种转移最初仍以调控（稳态）速率进行，尽管心脏已无法将血液从静脉转移至动脉。

随着心脏停搏持续，血液流经阻力血管导致动脉血容量逐渐减少，静脉血容量以相同绝对速率逐渐增加。由于动脉和静脉是弹性结构，动脉压逐渐下降，静脉压逐渐升高。这一过程持续进行直至动静脉压力达到平衡（见图19.2C）。当满足此条件时，通过阻力血管从动脉流向静脉的血流速率（Q）为0 L/min，此时Qh亦为0 L/min。

当心脏停搏的影响达到这种平衡状态时（见图19.2C），动脉和静脉中达到的压力取决于这些血管的相对顺应性。若动脉顺应性（Cₐ）与静脉顺应性（Cᵥ）相等，则Pₐ的下降幅度等于Pᵥ的上升幅度，因为动脉容积的减少量将等于静脉容积的增加量（根据质量守恒原理）。此时Pₐ和Pᵥ都将达到图19.2A中二者压力总和的平均值，即Pₐ = Pᵥ = (102 + 2)/2 = 52 mmHg。然而，活体中的Cₐ和Cᵥ并不相等。静脉的顺应性远高于动脉；顺应性比值（Cᵥ/Cₐ）约为19，这也是图19.2模型中采用的假设比值。当心脏停搏的影响在完整机体中达到平衡时，动脉和静脉的压力远低于Cₐ和Cᵥ相等时的平均值52 mmHg。因此，平衡状态下血液从动脉向静脉的转移会导致动脉压下降幅度是静脉压上升幅度的19倍。如图19.2C所示，Pᵥ将上升5 mmHg（至7 mmHg），而Pₐ将下降95 mmHg（即19×5）（至7 mmHg）。这种无血流存在时普遍存在的平衡压力被称为平均循环压或静态压（static pressure）。静态系统中的压力反映了系统的总血容量和整体顺应性。

• 图19.3 心输出量变化引起的中心静脉压变化。平均循环压（或静态压）(Pmc)是心输出量为0时整个心血管系统达到的平衡压。点B和A分别代表心输出量为1 L/min和5 L/min时的静脉压值。

心脏停搏的示例有助于理解血管功能曲线。临床医生现在可以开始构建血管功能曲线（图19.3）。自变量（沿X轴绘制）为心输出量，因变量（沿Y轴绘制）为Pᵥ。该曲线上两个重要点可从图19.2的示例推导得出。第一个点（图19.3中的A点）代表对照状态，即当心输出量为5 L/min时，Pᵥ为2 mmHg。当心脏停搏时（心输出量=0），平衡状态下Pᵥ变为7 mmHg（见图19.2C）；此压力即为平均循环压。

Pᵥ与心输出量之间的反比关系表明：当心输出量突然减少时，血液通过毛细血管从动脉流向静脉的速率会暂时超过心脏将血液从静脉泵回动脉的速率。在此过渡期间，会有净血容量从动脉转移到静脉，从而导致Pₐ下降和Pᵥ上升。

现假设心输出量突然增加。此例说明了血管功能曲线上第三个点（图19.3中点B）的推导过程。假设停搏的心脏突然复跳，立即开始以1 L/min的速率将血液从静脉泵入动脉（见图19.2D）。当心脏刚开始搏动时，动静脉压力梯度为0，没有血液从动脉经毛细血管转移至静脉。因此当心跳恢复时，静脉血液以1 L/min的速率被抽空，同时动脉血容量以相同速率从静脉血容量中得到补充。由此，Pv开始下降而Pa开始上升。由于动脉和静脉顺应性的差异，Pa的上升速率比Pv的下降速率快19倍。由此产生的动静脉压力梯度使血液流向外周阻力血管。若心脏维持1 L/min的恒定输出量，Pa将持续上升而Pv持续下降，直至压力梯度达到20 mmHg。该梯度通过20 mmHg·L⁻¹·min⁻¹的外周阻力驱动1 L/min的流量。这一梯度是通过Pa上升19 mmHg（至26 mmHg）和Pv下降1 mmHg（至6 mmHg）实现的。对应1 L/min心输出量的Pv平衡值（6 mmHg）也出现在图19.3的血管功能曲线上（点B）。Pv的1 mmHg下降反映了血液从静脉到动脉的净转移。

心输出量突然增加引起的Pv下降是有限的。当心输出量达到某个临界最大值时，足够多的液体从静脉转移到动脉，导致Pv降至环境压力以下。在静脉系统这类高度可扩张的血管系统中，较大的外压会导致血管塌陷（见第17章）。这种静脉塌陷阻碍静脉血液回流心脏。因此在本例中，无论泵的能力如何，最大心输出量被限制在7 L/min（见图19.3）。

影响血管功能曲线的因素

静脉压对心输出量的依赖性

实验和临床观察证实，心输出量的变化确实会引起Pa和Pv的改变，这与图19.2简化模型的预测一致。

血容量

血管功能曲线受总血容量变化的影响。在循环停止（心输出量为0）时，平均循环压仅取决于总血管顺应性和血容量。对于给定的血管顺应性，血容量扩张（高血容量，hypervolemia）时平均循环压升高，而血容量减少（低血容量，hypovolemia）时平均循环压降低。图19.4中的y轴截距展示了这一关系：与正常血容量（normovolemia或euvolemia）下的7mmHg相比，失血后平均循环压为5mmHg，输血后为9mmHg。

临床应用

当主要冠状动脉突然闭塞时，心输出量可能急剧下降。由心肌梗死（心肌组织死亡，myocardial infarction）引起的急性心力衰竭通常伴随动脉血压下降和静脉压（Pv）升高。图19.4还显示，Pv=0时的心输出量随血容量增加而直接升高。因此，随着总血容量的减少，心输出量的最大值逐渐受到限制。然而，静脉塌陷时的Pv（表现为血管功能曲线斜率的急剧变化）并不因血容量变化而发生显著改变。该压力仅取决于中央静脉周围的环境压力，即胸腔内的胸膜压（见第21章）。

静脉张力

静脉张力变化对血管功能曲线的影响与血容量变化非常相似。例如，图19.4中的输血曲线也可代表静脉张力增强，而失血曲线可代表张力减弱。在循环停止期间，对于特定血容量，血管壁内平滑肌张力增加时血管系统内压力会升高（小动脉和静脉平滑肌的这些收缩性变化受神经和体液调控）。小动脉内血容量占比极小，而静脉血容量占总血容量的比例较大（见表15.1）。因此，外周阻力（小动脉张力）变化对平均循环压无显著影响，但静脉张力变化可显著改变平均循环压。故平均循环压随静脉张力升高而上升，随静脉张力降低而下降。

在实验中，循环骤停约1min后达到的平均循环压通常显著高于7mmHg，即使血容量正常时也是如此。这种压力升高可归因于脑缺血、化学感受器激活及压力感受器兴奋性降低引发的全身性静脉收缩。若复苏失败，随着中枢神经活动停止，这种反射反应会逐渐消退，平均循环压通常会降至接近7mmHg的水平。

血液储存库

身体某些区域的静脉收缩程度远高于其他区域。实际上，发生显著静脉收缩的血管床构成了血液储存库。皮肤的血管床是人类主要的血液储存库之一。失血会引发强烈的皮下静脉收缩，导致出血时皮肤特征性苍白外观。血液从皮肤分流可释放数百毫升血液，用于灌注体内更重要的区域。肝脏、肺和脾脏的血管床也是重要的血液储存库。然而在人类中，脾脏的血容量变化范围相对较小（另见“Exercise”和“Hemorrhage”章节）。

外周阻力

图19.5展示了由小动脉张力改变引起的血管功能曲线变化。小动脉中的血液量很少；这些血管仅包含总血量的约3%（见Chapter 15）。小动脉收缩状态的改变不会显著影响平均循环压。因此，代表不同外周阻力的血管功能曲线在y轴上汇聚于共同点（见图19.5）。

当其他因素恒定时，Pv（静脉压）与总外周阻力（TPR）呈负相关。从生理学角度，Pv与TPR的关系可解释如下：若心输出量保持恒定，TPR的突然增加会导致动脉系统中滞留的血液量逐渐增多。动脉系统中的血容量将持续增加，直到Pa（动脉压）升高到足以迫使通过阻力血管的血流量等于心输出量。若总血容量不变，动脉血容量的增加必然伴随静脉血容量的等量减少。因此，TPR的增加会按比例降低Pv。这种TPR与Pv的关系，加上外周阻力无法影响平均循环压的特性，解释了血管功能曲线因小动脉收缩增强而产生的顺时针旋转（见图19.5）。同理，小动脉扩张会以相同的纵轴截距产生逆时针旋转。当小动脉扩张时，心输出量的最大可达水平高于小动脉收缩时的状态（见图19.5）。

心输出量与静脉回流的相互关系

心输出量与静脉回流存在紧密联系。除微小、短暂的差异外，心脏无法泵出超过静脉系统输送至心脏的血液量。同理，由于循环系统是闭合回路，在任意可观测时间段内，回流至心脏的静脉血流量必须等于心输出量。整个闭合回路中的血流取决于泵的功能特性、回路特性以及系统的总液体容量。

因此，心输出量与静脉回流仅是描述该闭合回路中血流量的两个术语。心输出量指单位时间内心脏泵出的血液体积，静脉回流则是单位时间内返回心脏的血液体积。在平衡状态下，这两个体积相等。下文将讨论某些回路分析技术，以深入理解循环血流的调控机制。

心脏功能曲线与血管功能曲线的关联

心脏与脉管系统的耦合关系

根据心脏的Frank-Starling定律，心输出量密切依赖于右心房压力（或中心静脉压）。此外，由于正常三尖瓣作为右心房与心室之间的低阻力连接结构，右心房压力约等于右心室舒张末期压力。将心输出量表示为Pv（静脉压）函数的曲线称为心脏功能曲线（cardiac function curve）；外在调节因素可表现为这类曲线的位移。

·图19.6 同一坐标系中典型血管功能曲线与心脏功能曲线。为使两条曲线共绘于同一图中，需调换血管功能曲线的坐标轴；其轴分配方式与图19.3、19.4和19.5形成对比。在心脏与血管功能曲线交点处的平衡点坐标，代表系统趋向维持的稳定心输出量与中心静脉压力值。任何扰动（例如静脉压突然升至A点）将引发心输出量与静脉压力的一系列变化，使这些变量恢复至平衡值。

图19.6展示了典型心脏功能曲线与正常血管功能曲线（vascular function curve）绘制于同一坐标系的情况。心脏功能曲线按常规方式绘制：自变量Pv沿x轴表示，因变量（心输出量）沿y轴表示。根据Frank-Starling机制，心脏功能曲线显示Pv升高会增加心输出量。

相反，血管功能曲线表征心输出量与Pv之间的反向关系，即心输出量增加会降低Pv。对于血管功能曲线，Pv是因变量（响应），心输出量是自变量（刺激）。因此，按常规方式绘制血管功能曲线时，Pv应标于y轴，心输出量标于x轴。

要将心功能曲线和血管功能曲线绘制在同一坐标系中，需对其中一条曲线的绘制惯例进行调整。本章中，我们将暂时打破血管功能曲线的常规绘制方式。需注意图19.6中的血管功能曲线旨在反映Pv（沿X轴标度）如何随心输出量（沿y轴标度）变化而发生改变。

当心血管系统由特定的一对心功能曲线和血管功能曲线表示时，这两条曲线的交点即定义了该系统的平衡点。该平衡点的坐标代表了系统倾向于维持的心输出量和Pv值。只要给定心功能曲线和血管功能曲线能准确表征系统特性，心输出量和Pv值就只能在短时间内偏离这些数值。

这种围绕平衡点运作的倾向性，可以通过系统对突发变化的响应得到最佳阐释。考虑Pv从平衡点突然上升至图19.6中A点所引发的变化。这种Pv的变化可能源于心室舒张期快速向循环静脉血管内注入一定体积血液，同时从循环动脉血管中抽出等体积血液。因此，尽管Pv升高，总血容量仍保持不变。

根据心功能曲线的定义，升高的Pv会在下一个心室收缩期增加心输出量（从图19.6中A点移动至B点）。心输出量的增加将导致一定量的血液从静脉净转移至动脉，从而引起Pv下降。在一次心搏中，Pv的下降幅度较小（从B点移动至C点），因为心脏仅将静脉总血容量的一部分转移至动脉。由于Pv的下降，根据心功能曲线的规定，下一次心搏时心输出量将减少（从C点移动至D点）。由于C点仍位于交点上方，此时心脏从静脉泵入动脉的血液速率仍大于血液经外周阻力从动脉流向静脉的速率。因此，Pv继续下降。该过程以递减的幅度持续进行，直至达到交点。

只有心输出量和静脉压的特定组合——即由曲线交点坐标表示的平衡点——才能同时满足心功能曲线和血管功能曲线的要求。在平衡点处，心输出量等于静脉回流量，系统处于稳定状态。

心肌收缩力

心脏功能曲线与血管功能曲线的组合也有助于解释心室收缩力变化对心输出量和中心静脉压（Pv）的影响。图19.7中，下方的心脏功能曲线代表控制状态，而上方的曲线反映心肌收缩力增强后的状态。这对曲线与图18.12所示的心室功能曲线类似。图19.7中上方曲线代表的心室收缩力增强可通过电刺激心脏交感神经（cardiac sympathetic nerves）实现。当此类神经刺激的作用仅限于心脏时，血管功能曲线不受影响。因此，这种假设性干预仅需一条血管功能曲线（见图19.7）。

在模型的控制状态下，心输出量和Pv的平衡值由图19.7中的点A表示。心脏交感神经刺激因增强心肌收缩力，使心输出量突然升高至点B。然而，这种高水平心输出量会导致血液从静脉向动脉的净转移量增加，从而使Pv随后开始下降（至点C）。Pv的降低又引起心输出量的小幅减少。尽管如此，心输出量仍足够高以维持血液从静脉向动脉的净转移。因此，Pv和心输出量将持续逐渐下降，直至达到新的平衡点（点D）。该平衡点位于血管功能曲线与新心脏功能曲线的交点处。在图19.7中，点D位于控制平衡点（点A）的左上侧，表明尽管Pv水平较低，交感神经刺激仍能引发更高心输出量。

• 图19.8 电刺激心脏交感神经纤维时，主动脉血流量（心输出量）增加，而左心房压力(PL A)和右心房压力(PR A)降低。这些数据与图19.7得出的结论一致，其中观察到心输出量和静脉压的平衡值在心脏交感神经刺激期间从点A转移至点D（即心输出量增加，但中心静脉压下降）。（改编自Sarnoff SJ 等，Circ Res. 1960;8:1108）

本章模型预测的假设性变化模拟了生物体对心肌收缩力增强的响应。如图19.8所示，双箭头标示的时间段内，支配心脏的交感神经受到刺激。

在神经刺激过程中，心输出量（主动脉血流）迅速升至峰值，随后逐渐下降至显著高于对照水平的稳态值。主动脉血流的增加伴随着左右心房压力的降低。

血容量

• 图19.9 输血后，血管功能曲线右移。因此，随着平衡点从点A转移至点B，心输出量和静脉压均增加。

血容量变化不会直接影响心肌收缩力，但会以图19.4所示方式影响血管功能曲线。因此，要理解血容量变化如何影响心输出量和Pv，需将相应的心功能曲线与代表对照和实验状态的血管功能曲线共同绘制（图19.9）。当通过输血增加血容量时，表示输血后心输出量和Pv值的平衡点（图19.9中点B）位于对照平衡点（点A）的右上方。因此，输血会增加心输出量和Pv。失血则引起相反效应。从机制上看，特定血容量变化引发的心室充盈压(Pv)变化，通过改变收缩蛋白对细胞内Ca++浓度的敏感性来调节心输出量（见第18章）。基于前文所述原理，单纯静脉张力增强或减弱引起的效应，分别类似于总血容量增加或减少所引发的反应。

临床视角

• 图19.10 中度或重度心力衰竭使心脏功能曲线向右下方移位。在血容量改变前，心输出量减少而中心静脉压升高（从对照平衡点A移至点B或点C）。在心力衰竭中通常发生的血容量增加后，血管功能曲线右移。因此，中心静脉压可能升高但心输出量未减少（点D），或在严重心力衰竭时伴随心输出量降低（点E）。

心力衰竭是一个通用术语，指心脏泵血能力受损导致机体组织灌注不足的病理状态。在心力衰竭中，心肌收缩力受损。该病症可分为急性或慢性。因此，在心功能与血管功能曲线图中，心功能曲线会如图19.10所示向右下方移位。

急性心力衰竭可能由药物中毒浓度或冠状动脉闭塞等特定病理状态引起。在急性心力衰竭中，血容量不会立即改变。因此，在图19.10中，平衡点从正常曲线的交点（点A）转移至正常血管功能曲线的交点（点B或点C）。

慢性心力衰竭可能发生于原发性高血压（essential hypertension）或缺血性心脏病（ischemic heart disease）等病理状态。在慢性心力衰竭中，心脏功能曲线和血管功能曲线均会发生位移。血管功能曲线的位移是由于血容量增加所致，而血容量增加部分源于肾脏的液体潴留。这种液体潴留与肾小球滤过率（glomerular filtration rate）的同步降低，以及肾脏对NaCl和水的排泄减少有关（另见第35章）。由此产生的高血容量表现为血管功能曲线右移，如图19.10所示。因此，在中等程度的心力衰竭中，静脉压（Pv）升高但心输出量可能维持正常（点D）；在更严重的心力衰竭中，静脉压（Pv）仍处于高位，但心输出量低于正常水平（点E）。

外周阻力

分析外周阻力变化对心输出量和静脉压（Pv）的影响较为复杂，因为此时心脏功能曲线和血管功能曲线都会发生位移。当外周阻力增加时（图19.11），血管功能曲线会逆时针旋转，但其与静脉压轴的截距仍与对照曲线相同。需注意在图19.11中，血管收缩导致血管功能曲线逆时针旋转，而在图19.5中却呈现顺时针旋转。这种旋转方向的差异是由于这两幅图中血管功能曲线的坐标轴设置不同所致，前文已有解释。图19.11中的心脏功能曲线也会下移，因为在任何给定的静脉压（Pv）下，心脏对抗外周阻力增加所造成的心室后负荷增强时，其泵血能力会下降。由于图19.11中两条曲线均向下位移，新的平衡点（点B）将位于对照点（点A）下方，即外周阻力增加会导致心输出量减少。

平衡点B是直接位于点A正下方，还是略微偏右或偏左，这取决于两条曲线位移的幅度。例如，若外周阻力增加导致血管功能曲线的位移幅度大于心脏功能曲线，则平衡点B将位于点A的左下方，即心输出量和静脉压（Pv）均降低。相反，若心脏功能曲线的位移幅度大于血管功能曲线，平衡点B将位于点A的右下方，即心输出量减少而静脉压（Pv）升高。

更完整的理论模型：双泵系统

• 图19.12 简化心血管系统模型，包含左心室(LV)和右心室(RV)、体循环血管阻力(R_s)与肺循环血管阻力(R_p)、体循环动脉与静脉顺应性、以及肺循环动脉与静脉顺应性。P_sa和P_sv分别表示体循环动脉和静脉的压力；P_pa和P_pv分别表示肺动脉和肺静脉的压力。

前文讨论表明，即使在一个仅包含单个泵和体循环的过度简化循环模型中，心输出量与静脉压（Pv）之间的相互关系也十分复杂。实际上，心血管系统包含体循环和肺循环以及两个泵（左心室和右心室）。因此，心室输出量、动脉压和心房压之间的相互关系要复杂得多。

图19.12展示了一个更完整（但仍过度简化）的心血管系统模型，该模型包含串联的两个泵（左心室和右心室）以及串联的两个血管床（体循环和肺循环血管系统）。这种串联结构要求两个心室在任意较长时间内泵出的流量必须基本相等，否则所有血液最终会积聚在其中一个血管系统中。由于两个心室的心功能曲线存在显著差异，必须通过适当调整两个心室的充盈压（心房压）来确保其每搏输出量相等（见图18.13）。

临床视角

任何对两个心室收缩力产生不同影响的改变，都会改变两个血管系统中的血容量分布。若左冠状动脉发生阻塞，左心室收缩力受损，将导致急性左心衰竭。在阻塞发生的瞬间，左心房压力尚未改变，此时左心室开始以降低的流量泵血。若右心室未受急性冠状动脉阻塞影响，右心室最初仍维持正常流量泵血。左右心室输出量的差异将导致左心房压力逐渐升高，右心房压力逐渐降低。因此，左心室输出量会向正常值回升，而右心室输出量则降至正常值以下。此过程将持续至两个心室的输出量再次相等。在这种新的平衡状态下，两个心室的输出量均低于正常水平。

左心房压力升高的同时，肺静脉压也会等量升高，这可能产生严重的临床后果。肺静脉压升高可增加肺组织硬度，并通过增加肺通气的机械功（参见第22章）导致呼吸窘迫。此外，肺静脉压升高会引起肺毛细血管静水压增高，可能导致液体从肺毛细血管渗出至肺间质或肺泡（pulmonary edema，肺水肿），这种情况可能致命。

关于心室功能需要牢记的两个基本原则是：(1)左心室驱动血液流经体循环血管系统，(2)右心室驱动血液流经肺循环血管系统（。然而，这些原则并不必然意味着两个心室对于充分灌注体循环和肺循环血管床都是必需的。为更好理解两个心室与两个血管床之间的关系，下文将对右心室功能进行更详细的分析。

在图19.12所示的循环系统模型中，假设右心室突然停止其泵血功能，仅作为连接体静脉与肺动脉的被动低阻力通道，此时的血流动力学后果如何？在此条件下，左心室将成为唯一的功能性泵，需同时驱动血液通过体循环和肺循环阻力（为便于讨论，假设血液流经失功右心室的阻力可忽略不计）。

通常，肺血管阻力（pulmonary vascular resistance）约为体循环血管阻力（systemic vascular resistance）的10%。由于这两种阻力是串联关系，总阻力将比单独的体循环阻力大10%（见第17章）。在正常心血管系统中，体循环血管阻力增加10%会使Pa（从而左心室后负荷）增加约10%。这种增加不会显著影响左心室功能。但在某些条件下，Pa的这种增加可能显著改变心血管系统的功能。若总阻力增加10%是通过在较大的体循环阻力基础上叠加较小的阻力（即肺血管阻力）实现的，且若肺血管阻力通过高度顺应性（体循环静脉和肺动脉顺应性之和）与体循环阻力相隔离，此时总阻力增加10%可能严重损害心血管系统的运行。

• 图19.13 图19.12所示循环模型中，模拟右心室（RV）衰竭和模拟液体输注引发的心输出量、体循环动脉压(Psa)、体循环静脉压(Psv)及肺静脉压(Ppv)的变化。箭头1处，右心室泵血功能停止（模拟RV衰竭），右心室仅作为低阻力通道；箭头2处，系统内液体容量增加，此时右心室仍仅作为通道。（修改自Furey SA, et al. Am Heart J. 1984;107:404）

图19.13显示了在循环系统液压模型中右心室泵血功能失活时的模拟效应。在该模型中，左右心室产生的心输出量直接随其各自的充盈压变化。在对照条件下（右心室正常工作时），左右心室输出量相等（5L/min）。右心室的泵血作用使肺动脉压力（未显示）超过肺静脉压力(Ppv)，其差值推动液体以5L/min的速率流经肺血管阻力。当右心室停止泵血时（图19.13箭头1），体循环静脉和肺动脉系统与右心室本身共同构成一个具有高顺应性的被动通道。当右心室停止将血液从体循环静脉主动转运至肺动脉时，肺动脉压(Ppa)迅速下降（未显示），而体循环静脉压(Psv)迅速上升至共同压力值(5mmHg)。然而在此低压下，液体从肺动脉流向肺静脉的速率大幅降低。

右心室停搏初期，左心室仍以对照速率5L/min将液体从肺静脉泵入体循环动脉，该速率远超过右心室停止工作后血液返回肺静脉的速率。因此肺静脉压(Ppv)急剧下降。由于肺静脉压是左心室的前负荷，左心室（心脏）输出量也随之骤降，最终达到约2.5L/min的稳态值。这种效应进而导致体循环动脉压(Psa)快速下降。简言之，右心室泵血停止会显著降低心输出量、体循环动脉压和肺静脉压，并适度升高体循环静脉压（见图19.13）。

临床应用

临床上，右心室心力衰竭主要由右心室冠状动脉的闭塞性疾病引起。这些血管的受累频率远低于左心室血管。急性右心衰竭的主要血流动力学效应表现为心输出量和动脉血压显著下降，主要治疗措施为输注血液或血浆。对于某些先天性心脏缺陷（如三尖瓣严重狭窄或右心室发育不良）患者，可通过手术实施右心室旁路术（通过右心房与肺动脉的吻合）。急性右心衰竭或右心室旁路术的效应方向与图19.13模型分析预测的结果相似。

心率在控制心输出量中的作用

右心室失活引起的大部分血流动力学问题可通过增加系统液体（血液）容量（图19.13箭头2所示）逆转。若补充液体直至肺静脉压（左心室前负荷）恢复至对照值，心输出量和体循环动脉压可基本恢复正常，但体循环静脉压会异常升高。若左心室功能正常，施加正常左心室前负荷即可引发正常左心室输出。将肺血管阻力叠加到体循环血管阻力所导致的外周阻力增加10%不会对左心室泵血能力造成严重负担。

然而，当右心室失活时，除非通常的肺动静脉压力梯度（≈10-15 mmHg）得以维持，否则肺血流量无法保持正常。因此，体循环静脉压（Psv）必须比肺静脉压（Ppv）高出这一数值。维持高体循环静脉压可能导致身体下垂部位组织液积聚（水肿），这是右心室心力衰竭患者的特征性表现。

基于以上信息，右心室的主要功能可归纳如下：从为全身组织提供充足血流的角度看，仅左心室即可完成此功能。两个心室串联工作并非维持组织充分血流的必要条件。右心室的关键功能在于防止体循环静脉（及肺动脉）压力升高——这种压力升高原本是迫使正常心输出量通过肺血管阻力所必需的。正常右心室通过阻止体循环静脉压异常升高，可预防身体下垂部位广泛性水肿的发生。

心输出量是每搏输出量（stroke volume, SV）与心率（heart rate, HR）的乘积。迄今为止对心输出量调控的分析仅局限于SV的调控，尚未考虑HR的作用。分析HR变化对心输出量的影响较为复杂，因为HR的变化会改变决定SV的其他三个因素（前负荷、后负荷和心肌收缩力）（见图19.1）。例如，HR增加会缩短舒张期（diastole）持续时间，从而减少心室充盈量，即前负荷降低。若HR增加改变心输出量，动脉血压将随之变化，即后负荷被改变。HR升高会增加每min进入心肌细胞的Ca²⁺净内流量（另见第18章），从而增强心肌收缩力。

HR变化对心输出量的影响已被广泛研究，其结果与图19.14所示相似。随着心房起搏频率（atrial pacing frequency）逐渐增加，SV逐渐降低（见图19.14A）。SV的减少是由于心室充盈时间缩短所致。SV的变化与HR变化不成反比，因为心输出量（Qₕ）的变化方向显著受实际HR影响（见图19.14B）。例如，当起搏频率从50次/min增至100次/min时，HR的增加会提升Qₕ。由于Qₕ=SV×HR，在此频率范围内SV的减少幅度必须按比例小于HR的增加幅度。

然而，在约100至200次/min的起搏频率范围内，心输出量受起搏频率变化的影响不显著（见图19.14B）。因此，当起搏频率增加时，SV的减少幅度必须近似等于HR的增加幅度。此外，全身性血管自我调节（vascular autoregulation）倾向于维持组织血流量恒定（另见第17章）。这种适应机制通过改变前负荷和后负荷，也使心输出量保持基本恒定。

当起搏频率过高（超过200次/min；见图19.14）时，HR的进一步增加会降低心输出量。因此，在此高频范围内，SV的减少幅度必须超过HR的增加幅度。此时心室充盈时间极度受限，代偿机制不足，导致心输出量急剧下降。尽管心输出量与HR的关系在整体人群中通常呈倒U型，但不同个体及不同生理状态下这种关系存在定量差异。

• 图19.14 心房起搏频率变化引起的每搏输出量（A）和心输出量（B）变化。（改绘自Kumada M, et al. Jpn J Physiol. 1967;17:538.）

【译者注：原文中"Qₕ"为心输出量的符号表示，在生理学文献中通常使用Q表示流量，下标h可能代表"heart"】

临床视角

心输出量与心率之间的显著相关性需谨慎解读。例如在运动人群中，心输出量与心率通常成比例增加，而每搏输出量（stroke volume, SV）可能保持恒定或仅轻微增加（参见后文"运动"章节）。人们常误认为运动时心输出量的增加完全由观察到的心率上升引起。然而，图19.14显示在广泛的心率范围内，心率变化对心输出量影响甚微。因此，运动时心输出量的主要提升应归因于其他因素。这些辅助因素包括：活跃骨骼肌血管扩张导致的外周血管阻力显著降低，以及交感神经活动整体增强引发的心肌收缩力提高。尽管如此，心率增加仍是重要因素。大量数据表明，若运动时心率无法正常提升，心输出量的增强和运动能力将受到严重限制。由于运动期间每搏输出量变化微小，心率的增加可能在体力活动增强心输出量的过程中起到重要的"允许"作用。

临床视角

心输出量与心率的特征性关系解释了心率过缓或过速患者急需治疗的原因。严重心动过缓（bradycardia）可能由病态窦房结综合征（sick sinus syndrome）患者的窦性节律过慢引起，或完全性房室传导阻滞患者的心室自主节律（idioventricular rhythm）过缓所致。这两种节律异常中，心室在延长舒张期的充盈能力均受限（通常因心包顺应性降低）。因此，由于极低心率无法通过足够大的每搏输出量代偿，心输出量通常会显著下降。这类心动过缓常需植入人工心脏起搏器。

对于室上性或室性心动过速（supraventricular or ventricular tachycardia）患者，过快心率常需紧急处理，因为这类患者的心输出量可能处于临界低值，且极高心率下充盈时间极度受限，即使充盈时间再出现微小缩减也会导致充盈量不成比例地严重下降。通过药物手段通常可将心率降至正常节律，但在紧急情况下可能需要进行电复律（electrical cardioversion）（参见第16章）。

影响静脉系统与心输出量的辅助因素

在本章前面的部分中，通过将讨论限制在单个变量引起的影响范围内，我们简化了静脉压（Pv）与心输出量之间相互关系的描述。然而，由于心血管系统受到众多反馈控制环路的调节，其反应很少是简单的。例如，血容量的变化不仅通过Frank-Starling机制直接影响心输出量，还会触发反射来改变心脏功能的其他方面（如心率、房室传导和心肌收缩力）以及血管系统的其他特性（如外周阻力和静脉张力）。其他若干因素，尤其是重力（见第17章）和呼吸作用，也会调节心输出量。

呼吸活动对循环的影响

呼吸肌的正常周期性活动会引起腔静脉血流的节律性变化（图19.15）。在呼吸过程中，胸内压的降低会传递到胸腔血管的管腔。吸气时Pv的降低增加了胸腔外静脉与胸内静脉之间的压力梯度。由此导致的静脉回流至右心房加速现象如图19.15所示，表现为上腔静脉血流从呼气时的5.2mL/秒增加至吸气时的11毫升/秒。

通过紧闭声门进行强力吸气（称为Müller操作）实现的胸内压过度降低并不会成比例地增加静脉回流。当胸腔外静脉的内部压力低于周围环境压力时，它们在进入胸腔的位置附近会发生塌陷。随着静脉塌陷，血液进入胸腔的流动会暂时停止。流动的停止导致上游压力升高，从而迫使塌陷的血管段重新开放。

• 图19.15 正常吸气时，胸内压、右心房压（RAP）和颈静脉压（JVP）降低，上腔静脉血流（SVCF）增加（从5.2至11mL/秒）。所有压力单位均为毫米水柱（mm H2O）。股动脉压（未显示）在正常吸气期间未发生显著变化。

正常呼气时，中央静脉的血流会减速。然而，正常呼吸期间的静脉回流平均速率仍超过短暂呼吸暂停期间的流量。因此，正常吸气对静脉回流的促进作用显然大于正常呼气对其的阻碍作用。部分原因是四肢静脉中的瓣膜促进了静脉回流。这些瓣膜可防止呼气期间发生任何血液逆流。因此，呼吸肌和静脉瓣膜共同构成了静脉回流的辅助泵系统。

IN THE CLINIC

咳嗽引发的胸腔内压(intrathoracic pressure)急剧升高构成了血液的辅助泵送机制，尽管其同时具有阻碍静脉回流的趋势。某些诊断操作（如冠状动脉造影(coronary angiography)或心脏功能电生理测试）会增加心室颤动(ventricular fibrillation)风险；因此接受此类检查的患者会被训练在检查期间按指令进行节律性咳嗽。若确实发生心室颤动，每次咳嗽都能显著提升动脉血压，并可能促进足够的脑血流以维持意识。咳嗽会使胸腔内动脉和静脉的血管内压同等程度升高。由于压力升高仅传递到胸外动脉而未传递到胸外静脉（静脉瓣阻止了血液从胸腔内静脉向胸外静脉的返流），血液被推动流经胸外组织。

在大多数人工呼吸形式中（口对口复苏术、机械呼吸），利用高于大气压的气管内压(endotracheal pressure)使肺部充气，呼气则通过胸廓被动回弹实现（参见Chapter 21）。因此肺充气伴随胸腔内压显著升高。当气管内压逐渐升高时，在正压肺充气阶段腔静脉血流急剧减少。当使用负压气管内压促进排气时，腔静脉血流加速程度超过肺部被动排气时的情况。

持续的呼气努力会增加胸腔内压从而阻碍静脉回流。声门关闭状态下用力（瓦尔萨尔瓦动作(Valsalva’s maneuver)）常见于咳嗽、排便和重物搬运过程中。小号演奏者曾记录到超过100mmHg的胸腔内压，阵发性咳嗽期间甚至观察到高于400mmHg的压力。这种压力升高会直接传递到胸腔内动脉管腔。咳嗽停止后，由于先前静脉回流受阻，动脉血压可能急剧下降。

循环控制中中枢与外周因素的相互作用

循环系统的主要功能是输送组织代谢和生长所需的营养物质，并清除代谢产物。前文已讨论心血管系统各组成部分在不同生理条件下对维持适当组织灌注的贡献。本节将探讨循环系统各组成部分间的相互关系。自主神经系统(autonomic nervous system)、压力感受器和化学感受器在调节心血管系统中起关键作用。肾脏通过维持恒定血容量实现的体液平衡控制也至关重要。

在任何调控良好的系统中，评估其调节机制范围与灵敏度的方式之一是通过扰动系统并观察其如何恢复原有稳态。以下章节将讨论两种典型扰动——体力运动和出血，以阐述各种调节因子的运作机制。

运动

运动时的心血管调节

运动时发生的心血管调节包含神经因素和局部（化学）因素的共同作用。神经因素包括：（1）中枢指令（central command），（2）起源于收缩肌肉的反射，以及（3）压力感受器反射（baroreceptor reflex）。中枢指令是指通过大脑皮层激活交感神经系统，从而产生心率加快、心肌收缩力增强和外周血管收缩。反射通过肌肉内的机械感受器（因牵张、张力被激活）和化学感受器（因代谢产物被激活）在肌内激活，这些感受器响应肌肉收缩。来自这些感受器的冲动通过有髓鞘（Ⅲ类）和无髓鞘（Ⅳ类）的传入神经纤维向中枢传递。Ⅳ类无髓鞘纤维可能代表肌肉化学感受器，因为目前尚未发现形态学上的化学感受器。该反射的中枢连接尚不清楚，但其传出支由支配心脏和外周血管的交感神经纤维组成。压力感受器反射将在第18章讨论，而影响骨骼肌血流的局部因素（代谢性血管舒张物质）将在第17章详述。血管化学感受器在运动期间对心血管系统的调节至关重要。支持这一论断的证据来自观察发现：运动期间动脉血的Paco2、Pao2和pH值均保持正常。

轻度至中度运动

在人类或经过训练的动物中，对体力活动的预期会抑制心脏的迷走神经冲动并增强交感神经放电。其结果是心率和心肌收缩力增加。这种心动过速和收缩力增强会提高心输出量。

外周阻力

当心脏受到交感刺激时，交感神经系统还会改变外周血管阻力。由交感神经系统介导的血管收缩会增加血管阻力，从而将血液从皮肤、肾脏、内脏区域和非活动肌肉转移（图19.16）。这种血管阻力的增加在整个运动期间持续存在。

随着运动强度的增加，心输出量和活动肌肉的血流量也会增加。心肌血流量增加，而脑血流量保持不变。皮肤血流量在运动初期减少，随后随着运动持续时间和强度的增加导致体温升高而增加，最终当全身O2消耗接近最大值时，皮肤血管收缩导致血流量再次减少（见图19.16）。

• 图19.16 正常青年男性静息时及不同强度运动（直至达到最大O2消耗量(VO2)）时心输出量的近似分布。（改编自Ruch HP, Patton TC. Physiology and Biophysics. 12th ed. Philadelphia: Saunders; 1974.）

对长时间运动的主要循环调节发生在活动肌肉的脉管系统中。血管活性代谢产物的局部形成会引起阻力血管（resistance vessels）的显著扩张。这种扩张随着运动强度的增加而进展。钾是收缩肌肉释放的血管扩张物质之一，这种离子可能是活动肌肉血管阻力初始下降的部分原因。其他影响因素可能包括腺苷（adenosine）的释放以及持续运动中组织pH的降低。代谢物的局部积累导致终末小动脉（terminal arterioles）舒张，流经肌肉的血流量可增加至静息水平的15-20倍。这种活动肌肉中毛细血管前血管（precapillary vessels）的代谢性血管扩张在运动开始后很快发生。总外周阻力（TPR）的降低使心脏能以更小负荷泵出更多血液，其效率也高于总外周阻力未改变时的情况（参见第17和18章）。

运动期间毛细血管循环也发生显著变化。静息时仅有少量毛细血管开放灌注，而在主动收缩的肌肉中，全部或接近全部的毛细血管都含有流动血液（毛细血管募集，capillary recruitment）。可用于气体、水和溶质交换的表面积增加数倍。此外，由于阻力血管的舒张，毛细血管静水压升高。因此，水和溶质进入肌肉组织。随着液体持续移出毛细血管，组织压力在运动期间升高并维持高位；这些组织液通过淋巴管运走。由于毛细血管静水压的升高以及收缩肌肉对含瓣膜淋巴管的"泵吸效应"，淋巴流量增加（参见第17章）。

• 图19.17 不同强度运动（即做功）对若干心血管变量的影响。（数据来自Carlsten A, Grimby G. The Circulatory Response to Muscular Exercise in Man. Springfield, IL: Charles C Thomas; 1966.）

肌氧摄取与运输

收缩的肌肉会积极地从灌注血液中摄取O₂，从而增加动静脉氧分压差（图19.17）。运动期间氧合血红蛋白解离曲线（oxyhemoglobin dissociation curve）的右移促进了血液中O₂的释放。运动中，高浓度CO₂和乳酸形成导致组织pH值降低。这种pH值下降加上收缩肌肉的温度升高，使氧合血红蛋白解离曲线右移（参见第24章）。因此，在任何给定P₀₂条件下，红细胞中血红蛋白结合的O₂减少，从而有更多O₂可供组织利用。氧耗量可能增加多达60倍，而肌肉血流量仅增加15倍。肌肉肌红蛋白（myoglobin）在运动中可作为有限的O₂储存库，并能在极低分压下释放结合的O₂。此外，肌红蛋白还能作为O₂载体促进O₂从毛细血管向线粒体的运输。

心输出量

由于运动期间增强的交感神经驱动和减弱的副交感神经对窦房结（sinoatrial node）抑制持续存在，心动过速（tachycardia）得以维持。若运动负荷保持中等且恒定，心率将达到特定水平并在整个运动期间保持稳定。但当运动负荷增加时，心率会同步上升，直到剧烈运动时达到约180次/min的稳态平台。与心率的显著增加相比，每搏输出量（stroke volume, SV）仅增加约10%-35%，训练有素的个体增幅较大（见图19.17）。在优秀长跑运动员中，心输出量可达静息水平的6-7倍，此时SV可达静息值的约两倍。

因此，运动期间观察到的心输出量增加主要与心率增长相关。若压力感受器被去神经支配，个体对运动产生的心输出量和心率反应将显著小于正常神经支配者。但即使心脏完全去神经，运动仍能使心输出量达到与正常人相同的增幅。这种心输出量的增加主要通过提升SV实现。不过，若对去神经心脏的犬只给予β-肾上腺素能受体拮抗剂（β-adrenergic receptor antagonist），其运动表现会受损。β-肾上腺素能受体拮抗剂可阻止循环儿茶酚胺增加引起的心率加快和收缩力增强。因此，达到最大运动表现所需的心输出量增幅会受到限制。

临床视角

心肌尺寸（生长）

心肌尺寸（生长）与其承受的工作负荷直接相关。在发育过程和耐力运动期间，心脏生长是在收缩压与室壁厚度/心室腔半径比值保持恒定关系下实现的。用于区分生理性与病理性肥大的超声心动图测量指标是相对室壁厚度（左心室壁厚度与心室腔半径的比值）。在生理性肥大中，左心室质量与半径成比例增加，因此相对室壁厚度不会发生显著变化。生理性肥大的例子见于耐力运动员和孕妇，其左心室扩大伴随容量超负荷而相对室壁厚度保持恒定。实验动物研究表明，生理性肥大与小动脉直径增加相关。此外，毛细血管密度的增加与肥大程度成比例。这与病理性肥大的情况相反——后者可能出现毛细血管密度降低（稀疏化）。与病理性肥大的表现不同，生理性肥大中未检测到心肌纤维化或肌纤维排列紊乱。

静脉回流

除了身体运动与非运动部分中由交感介导的容量血管收缩对静脉回流的贡献外，工作的骨骼肌和呼吸肌的辅助泵作用也有助于静脉回流（另见第17章和21章）。间歇性收缩的肌肉会挤压穿行其中的静脉。由于静脉瓣朝向心脏方向，收缩的肌肉将血液泵回右心房（见第17章）。运动中，更深更频的呼吸通过增加腹部与胸部静脉之间的压力梯度（运动中胸内压变得更负）也有助于静脉血回流至心脏。

人类血液储库对循环血容量的贡献不大。事实上，运动期间血容量通常轻微减少，表现为血细胞比容比值升高。这种血容量减少由以下因素引起：通过出汗和增强通气导致的水分外部丢失，以及液体向收缩肌肉的移动。然而，液体丢失可通过多种方式被抵消。当间质液压力升高并抵抗活动肌肉毛细血管中静水压的升高时，血管腔室液体向收缩肌肉的丢失最终达到平台期。液体丢失可部分通过内脏区域和非活动肌肉的液体向血液转移而被抵消。这种液体流入源于：（1）这些组织毛细血管静水压的降低；（2）由于渗透活性分子从收缩肌肉进入血液导致的血浆渗透压升高。肾脏尿液生成的减少也有助于保存体内水分。

动脉血压（Arterial Pressure）

若运动涉及大部分体肌群（如跑步或游泳），总血管阻力的降低可能非常显著。尽管如此，动脉血压仍会随运动开始而上升，且血压升高的幅度与运动强度大致成正比（见图19.17）。因此，心输出量的增加比例超过了总外周阻力（total peripheral resistance, TPR）的降低幅度。交感神经系统（以及部分肾上腺髓质释放的儿茶酚胺）在非活动组织中引起的血管收缩，对于维持正常或升高的血压至关重要。交感神经切除术或药物诱导的肾上腺素能交感神经纤维阻断会导致运动期间动脉血压下降（低血压）。

运动期间心脏与脉管系统的耦联（Coupling Between Heart and Vasculature During Exercise）

在活跃的健康（未训练）个体中，前述机制通常可使剧烈运动时心输出量增加4至5倍（图19.18）。心输出量的增加是将更多氧气（O₂）输送至运动肌肉的基本方式（见图19.17）。运动时的心脏功能曲线反映了心搏量（stroke volume, SV）（最高达1.5倍）和心率（heart rate, HR）（最高达3倍）的增加。动态运动时的血管功能曲线则表现为外周阻力显著降低（斜率改变）和平均循环充盈压（mean circulatory filling pressure）升高（截距改变），这源于骨骼肌"泵"、呼吸"泵"的静脉收缩（张力）增强。在此条件下，心血管系统可运行于新平衡点（图19.18中的B点），此时心输出量增加而充盈压几乎不变。图示分析（见图19.18）表明，若无血管功能的系统性改变，即使是强力快速跳动的心脏也只能实现心输出量的微小提升。

• 图19.18 剧烈运动时心脏与血管功能曲线发生显著改变，使心输出量增加4至5倍。心血管系统的运行点从A点移至B点。剧烈运动时的心脏功能曲线源于心率、心搏量和收缩力的增加。血管功能曲线反映总外周阻力大幅降低和平均循环压升高。在新平衡点（B点），心输出量增加超过四倍，而充盈压仅轻微上升。

心搏量与充盈压的调节

回流至心脏的大量静脉血被高效泵送通过肺部并进入主动脉，使得静脉压（Pv）基本保持恒定。因此，初始纤维长度增加的Frank-Starling机制并不能解释中等强度运动时心搏量（SV）的增大。静息与运动时的X光影像显示，运动时心脏尺寸减小。然而，在最大或接近最大强度运动时，右心房压力和心室舒张末期容积确实会增加，此时Frank-Starling机制对高强度运动时心搏量的提升起重要作用。

交感神经活动对运动骨骼肌血管收缩的调节

当额外肌群被募集时，交感神经活动也会引发活动骨骼肌的血管收缩。在单侧下肢进行最大强度运动后启动另一侧下肢运动的实验中，可观察到第一工作下肢的血流量减少。此外，运动期间血液中去甲肾上腺素（norepinephrine）水平显著升高，其中大部分来自支配活动肌肉的交感神经末梢释放。

体温升高对血管阻力的影响

运动时体温升高，通过下丘脑（hypothalamus）体温调节中枢的热刺激引发皮肤血管扩张，总外周阻力（total peripheral resistance, TPR）进一步降低。若非心输出量增加以及肾、内脏等组织小动脉收缩的代偿作用，这种TPR的降低将导致血压下降。

运动期间血压调节机制

总体而言，运动期间动脉血压（Pa）因心输出量增加而上升。然而，心输出量增强的效应被TPR的整体性下降所抵消，因此平均血压仅轻微升高。非活动血管床的血管收缩有助于维持正常动脉血压，从而保证活动组织的充分灌注。运动期间实际达到的Pa水平反映了心输出量与TPR之间的动态平衡（参见第17章）。收缩压的升幅通常大于舒张压，导致脉压（pulse pressure）增加（见图19.17）。脉压增大的主要原因是每搏输出量（stroke volume, SV）增加，同时也与左心室射血速度加快以及短暂心室射血期间外周径流（peripheral runoff）减少有关（另见第17章）。

剧烈运动时的生理极限

在力竭性运动中，代偿机制开始失效。心率（heart rate, HR）达到约180次/min的最大值，每搏输出量趋于平台期。随后心率可能下降，导致血压降低。运动者常出现脱水现象。交感缩血管活动占据主导地位，取代皮肤血管的舒张效应，导致散热速率降低。运动时体温通常升高，而皮肤血管收缩引起的散热减少可能使体温急剧上升，引发剧烈运动中的急性不适。组织pH和血液pH因乳酸和CO2生成增加而下降。pH降低可能是决定个体运动耐受极限的关键因素。肌肉疼痛、主观疲劳感和继续运动的意愿丧失共同决定了运动耐受能力。图19.19总结了运动对心血管系统的神经和局部效应。

运动后恢复

运动停止后，心率和心输出量迅速下降：心脏的交感驱动基本解除。相比之下，TPR在运动结束后仍会维持低水平一段时间，推测是由于运动期间肌肉中积累的血管舒张代谢物持续作用所致。由于心输出量减少和肌肉血管舒张状态持续，动脉血压常短暂降至运动前水平以下。随后通过压力感受器反射调节，血压可稳定于正常水平。

运动表现的生理限制

限制人类骨骼肌性能的两个主要因素是肌肉对O2的利用速率和肌肉的O2供应。然而，肌肉对O2的利用可能并非关键限制因素。在运动中，当激活更多肌肉时，身体大部分肌肉群的最大摄氧量（maximal V O2）基本不变或仅轻微增加。事实上，在进行大肌群运动（如高强度骑行）时，即使在不改变骑行强度的情况下增加双臂运动，心输出量和最大V O2也仅小幅上升。但额外的上肢运动会减少下肢血流量。这种在最大心输出量时中枢介导的（压力感受器反射）血管收缩作用，可防止因代谢性血管舒张导致的血压下降。若肌肉对O2的利用是显著限制因素，则募集更多收缩肌肉将需要消耗更多O2以满足增加的O2需求。

O2供应的限制可能源于肺部血液氧合不足或富氧血液向肌肉输送受限。肺部未完全氧合血液的情况可被排除，因为即使在最大强度运动中，动脉血仍保持O2完全饱和。因此，向活动肌肉的O2输送（或因动脉血O2含量正常时的血流量不足）似乎是肌肉性能的限速因素。这种限制可能源于心输出量无法突破临界水平。而该限制又由每搏输出量（SV）的不足引起，因为心率在达到最大V O2前已升至极限水平。由此可见，限制肌肉性能的主要因素是心脏的泵血能力。

• 图19.19 运动时的心血管调节。加号表示活动增强，减号表示活动减弱。C，缩血管活动；Di，舒血管活动；\cal N, 舌咽神经；VR，血管运动区；X, 迷走神经。

体能训练与适应（Physical Training and Conditioning）

在临床中的应用

耐力训练（如跑步或游泳）可增加左心室容积而不增加左心室壁厚度。相比之下，力量训练（如举重）会增加左心室壁厚度（肥厚），但对心室容积影响甚微。然而，这种壁厚度的增加相较于慢性高血压中观察到的变化较小——在慢性高血压中，由于外周阻力持续升高导致后负荷长期增加。

出血

当个体大量失血时，心血管系统会受到多方面的显著影响。严重出血可导致危及生命的休克状态，此时心血管系统无法履行其主要功能（即充分灌注组织并输送所需氧气）。动脉收缩压、舒张压及脉压均下降，动脉脉搏快而微弱。皮肤静脉塌陷，中央受压时充盈缓慢。皮肤呈现苍白、湿润且轻度发绀。

• 图19.20 快速出血后平均动脉压的变化。在时间0点，快速失血使平均动脉压降至50mm\ H9。经过一段时间的压力回升后，部分个体会持续改善（曲线A）直至达到对照压力水平。然而其他个体的压力会开始下降（曲线B）直至死亡。

动脉血压变化的病程

心脏输出量因失血而降低。献血时移除的血液量约为总血容量的10%；这种程度的血液移除可被良好耐受，且平均动脉压变化不大。但当循环系统中流失更大量血液时情况则不同。急性出血引起的动脉压（Pa）变化如图19.19所示。若快速失血使Pa降至50 mm Hg，随后20至30min内血压倾向于自发回升至对照水平。某些个体（图19.20曲线A）中这种趋势持续，数小时内即可恢复正常血压。其他个体（图19.20曲线B）则在出血停止后初期出现血压回升，随后血压开始下降，并以加速趋势持续降低直至死亡。这种心血管功能的进行性恶化称为失血性休克（hemorrhagic shock）。在出血后的某个时间点，心血管系统的恶化将变得不可逆。对于失血性休克患者，任何已知疗法（包括大量输注供体血液）仅能暂时延缓致命结局。

代偿机制

急性失血后动脉压的即时变化（见图19.20）表明必然存在某些代偿机制在起作用。任何能够通过升高动脉压使其回归正常水平以响应压力下降的机制，均称为负反馈机制（negative feedback mechanism）。该机制被冠以"负"的称谓，因为压力继发性变化的方向与急性失血后初始变化方向相反。被激活的负反馈反应包括：（1）压力感受器反射（baroreceptor reflexes），（2）化学感受器反射（chemoreceptor reflexes），（3）脑缺血反应（cerebral ischemia responses），（4）组织液重吸收，（5）内源性血管收缩物质释放，以及（6）肾脏对盐和水的保留。

压力感受器反射

出血期间Pa和脉压的降低会减少颈动脉窦（carotid sinuses）和主动脉弓（aortic arch）压力感受器的刺激（见第18章）。由此引发多种心血管反应，均趋向于使动脉压恢复至正常水平。这些反应包括：迷走神经张力降低和交感神经张力增强，心率加快，以及心肌收缩力增强。

交感神经张力增强还会引起全身性静脉收缩，其血流动力学效应与输血相同（见图19.9）。交感神经激活可收缩某些血液储存库。这种血管收缩相当于向循环系统进行自体输血。在人类中，血管系统的皮肤、肺和肝分支构成主要的血液储存库。

全身性小动脉收缩（generalized arteriolar constriction）是出血期间压力感受器（baroreceptor）刺激减少时的重要反应。这种反射性外周阻力增加可最大程度地减少因心输出量降低引起的动脉压下降。图19.21显示了8%失血量对主动脉平均压的影响。当切断双侧迷走神经以消除主动脉弓压力感受器的作用，仅保留颈动脉窦压力感受器功能时（见图19.21A），该失血量使主动脉平均压下降14%。此压力变化与迷走神经切断前同等失血量引发的压力下降（12%）无显著差异（未显示）。当颈动脉窦去神经而主动脉压力感受器反射完整时，8%失血量使主动脉平均压下降38%（见图19.21B）。因此，颈动脉窦压力感受器在缓冲压力下降方面比主动脉压力感受器更为有效。然而，当两组传入性压力感受器通路均被中断时（见图19.21C），8%失血量使动脉压降低48%。

出血期间小动脉收缩广泛存在，但并非均匀分布。血管收缩在皮肤、骨骼肌和内脏血管床（splanchnic vascular beds）最为显著，而脑循环和冠脉循环（coronary circulations）对出血的反应轻微或缺失。在许多情况下，脑和冠脉血管阻力（vascular resistance）反而降低。减少的心输出量被重新分配，优先保证脑和心脏的血流。

在轻至中度出血的早期阶段，肾血管阻力仅发生轻微改变。交感神经活动增强引起的肾血管收缩趋势会被自身调节机制（autoregulatory mechanisms）所抵消（见第18和35章）。

• 图19.21 三种情况下8%失血量引发的主动脉平均压变化。A：颈动脉窦压力感受器完整，主动脉反射中断；B：主动脉反射完整，颈动脉窦反射中断；C：所有压力感受器反射均被消除。（数据来自Shepherd JT. Circulation. 1974;50:418。源自Edis AJ. Am J Physiol. 1971;221:1352的数据）

然而在更持久和严重的出血情况下，肾血管收缩会变得剧烈。

出血期间肾脏和内脏血管收缩在心脏和大脑中最轻微。但若此类收缩持续过久则可能有害。常见患者能挺过长期严重出血的急性低血压期，却在数日后死于肾缺血（renal ischemia）导致的肾功能衰竭。肠道缺血（intestinal ischemia）也可能造成严重后果，例如仅数小时的出血性低血压即可引发肠道出血和黏膜大面积脱落。此外，内脏血流减少会导致肝中央小叶细胞（centrilobular cells）肿胀，由此引发的肝窦状隙（hepatic sinusoids）阻塞使门静脉压升高，从而加剧肠道失血。

化学感受器反射（Chemoreceptor Reflexes）

当动脉压降至约60mmHg以下时，压力感受器反射（baroreceptor reflexes）不再引发额外反应，因为该压力水平已构成刺激阈值（见第18章）。然而，低动脉压可能刺激外周化学感受器（peripheral chemoreceptors），因为局部血流不足导致化学感受器组织缺氧。此时化学感受器的兴奋可能增强由压力感受器反射引发的既存外周血管收缩。此外，呼吸刺激通过前述的辅助泵机制促进静脉回流（另见第21章）。

脑缺血

当因失血导致动脉压降至约40mmHg以下时，由此产生的脑缺血（cerebral ischemia）会激活交感肾上腺系统（sympathoadrenal system）。交感神经的放电强度可达压力感受器停止刺激时最大神经活性的数倍。此时血管收缩和心肌收缩力增强可能非常显著。然而，当脑缺血程度更严重时，迷走神经中枢也被激活。由此产生的心动过缓（bradycardia）会加剧引发脑缺血的低血压状态。

组织液重吸收

出血性低血压期间的动脉低血压、小动脉收缩和静脉压降低导致毛细血管静水压下降。这些力量的平衡促进间质液向血管腔的净重吸收（见第17章）。图19.22展示了这种反应的快速性。当在30min内移除估计血容量的45%时，平均动脉压迅速下降，随后基本恢复至接近对照水平。血浆胶体渗透压（plasma colloid osmotic pressure）在出血期间显著下降，并在数小时内持续缓慢降低。胶体渗透压的降低反映了血液被含少量蛋白质的组织液稀释。

• 图19.22 从0时刻开始，30min内移除估计血容量的45%时动脉血压和血浆胶体渗透压的变化。（改绘自Zweifach BW. Anesthesiology. 1974;41:157）

因此，在出血期间可能有大量液体被吸入循环系统。毛细血管每min每公斤体重可重吸收约0.25mL液体。这意味着急性失血后，普通个体的间质间隙每小时约有1L液体通过自体输注进入循环系统。大量液体可能缓慢从细胞内间隙转移到细胞外间隙。这种液体交换可能由出血引起的肾上腺皮质分泌皮质醇（cortisol）介导。皮质醇对出血后血浆容量的完全恢复至关重要。

内源性血管收缩物质

儿茶酚胺的释放

儿茶酚胺类物质肾上腺素（epinephrine）和去甲肾上腺素（norepinephrine）由肾上腺髓质释放，其释放诱因与引发广泛交感神经放电的刺激相同（参见第43章）。在出血期间及出血后，血液中的儿茶酚胺水平显著升高。当失血量导致动脉压降至 40mmHg 时，儿茶酚胺水平可升高达50倍。肾上腺素几乎完全来自肾上腺髓质，而去甲肾上腺素则同时来源于肾上腺髓质和外周交感神经末梢。这些体液物质会增强前述交感神经活动的效应。

加压素（抗利尿激素）的作用

加压素（vasopressin，又称抗利尿激素）是一种强效血管收缩剂，由垂体后叶响应出血而分泌（参见第35和41章）。随着动脉血压的下降，血浆加压素浓度呈渐进性升高（图19.23）。负责增强加压素释放的受体包括主动脉弓和颈动脉窦的压力感受器（高压区）以及左心房的牵张感受器（低压区）。

肾素-血管紧张素系统激活

出血性低血压期间的肾灌注减少会引发肾小球旁器分泌肾素（renin）（参见第35章）。该酶作用于血浆蛋白血管紧张素原（angiotensinogen），生成十肽血管紧张素I（angiotensin I），后者再经血管紧张素转换酶切割为具有活性的八肽血管紧张素II（angiotensin II）；血管紧张素II是一种极强的血管收缩剂。

• 图19.23 失血引起的动脉血压和血浆加压素浓度的平均百分比变化。（改绘自Shen YT等，Circ Res. 1991;68:1422）

肾脏对盐和水的保留

在出血期间，肾脏通过多种刺激机制保留液体和电解质，包括前述加压素分泌增加（见图19.23）以及肾交感神经活动增强——后者可提高肾单位对NaCl的重吸收（减少排泄）。动脉压降低会减少肾小球滤过率（glomerular filtration rate），从而限制水和电解质的排泄。此外，如前所述，升高的血管紧张素II水平会刺激肾上腺皮质分泌醛固酮（aldosterone），后者进一步促进肾单位对NaCl的重吸收。因此，NaCl和水的排泄减少（另见第35章）。

失代偿机制

与负反馈机制不同，出血还会激活潜在的正反馈机制。这些机制会放大失血引发的任何原发性变化。具体而言，正反馈机制会加剧失血导致的低血压，并可能引发恶性循环，最终导致死亡。

正反馈机制是否会导致恶性循环，取决于该机制的增益（gain）。增益是指某一机制引发的继发性变化与初始变化本身的比值。增益大于1会诱发恶性循环；增益小于1则不会。假设某正反馈机制的增益为2，若动脉血压（Pa）下降10mmHg，该机制将引发20mmHg的继发性压力下降，进而导致40mmHg的进一步下降。因此，每次变化都会引发比前一次幅度加倍的后续变化。此时，Pa将以不断加速的速率下降直至死亡发生。该过程如图19.20中曲线B所示。

相反，增益为0.5的正反馈机制虽然也会放大Pa的任何变化，但这种变化不一定会导致死亡。若动脉压突然下降10mmHg，正反馈机制将引发5mmHg的继发性附加下降。此下降又会引发2.5mmHg的进一步降低。该过程将以逐渐减小的幅度持续进行，直至动脉压趋于某一平衡值。

失血过程中较为显著的重要正反馈机制包括：(1) 心功能衰竭（cardiac failure），(2) 酸中毒（acidosis），(3) 中枢神经系统抑制（central nervous system depression），(4) 凝血功能异常（aberrations in blood clotting），(5) 单核吞噬细胞系统（mononuclear phagocytic system, MPS）抑制。下文将对这些机制进行讨论。

• 图19.24 失血性休克过程中左心室功能曲线的变化。曲线A代表对照功能曲线；曲线B至F分别代表失血后不同时间点：117min（曲线B）、247min（曲线C）、280min（曲线D）、295min（曲线E/）、310min（曲线F）。（改编自Crowell JW, Guyton AC. Am J Physiol. 1962;203:248.）

心功能衰竭（Cardiac Failure）

心室功能曲线右移（尤其在失血性休克后期阶段，见图19.24），为失血过程中心肌收缩力进行性下降提供了证据。

失血引起的低血压会减少冠脉血流量，从而导致心室功能抑制。随之产生的心输出量降低会进一步降低动脉压，这是正反馈机制的经典范例。此外，外周组织血流量减少会导致血管舒张性代谢产物蓄积，这些物质通过降低外周阻力而加剧动脉压下降。

酸中毒（Acidosis）

出血期间的血流不足会影响所有细胞的代谢。向细胞输送的氧(O2)减少会加速组织乳酸和其他酸性代谢产物的生成。此外，肾功能受损会阻碍过量H+的充分排泄，从而导致全身性代谢性酸中毒(metabolic acidosis)。酸中毒对心脏的抑制作用会进一步降低组织灌注，从而加重代谢性酸中毒。酸中毒还会降低心脏和阻力血管对神经释放及循环中儿茶酚胺的反应性，进而加剧低血压。

中枢神经系统抑制

休克时的低血压会减少脑血流量。如前所述，中度脑缺血会引发显著的交感神经对心脏、小动脉和静脉的刺激。然而在严重低血压时，由于脑血流不足，脑干心血管中枢最终会受到抑制。由此导致的交感神经张力丧失会降低心输出量和外周阻力。随之产生的动脉血压(Pa)下降会加重脑灌注不足。

内源性阿片类物质（如脑啡肽(enkephalins)和β-内啡肽）可能会因引发循环休克的应激反应而被释放入脑实质和循环中。阿片类物质与儿茶酚胺共同储存在肾上腺髓质和交感神经末梢的分泌颗粒中，并响应应激共同释放。类似刺激会引起前垂体释放β-内啡肽和促肾上腺皮质激素。阿片类物质会抑制脑干中枢，这些中枢介导了针对失血、内毒素血症和其他休克诱因的部分代偿性自主神经适应。相反，阿片受体拮抗剂纳洛酮(naloxone)能改善各种类型休克的心血管功能和生存率。

凝血功能异常

出血后的凝血改变通常呈双相性。初始的高凝状态期后会出现继发性低凝状态和纤溶亢进期。在初始阶段，血小板和白细胞会粘附于血管内皮，严重出血开始后的几min内就会形成血管内血凝块（血栓）。这种现象称为弥散性血管内凝血(disseminated intravascular coagulation, DIC)，当凝血酶被激活并导致中等口径血管内广泛纤维蛋白沉积时发生。

这一初始阶段会因各种缺血组织释放血栓素A2(thromboxane A2)而进一步增强。血栓素A2能促进血小板聚集。随着更多血小板聚集，更多血栓素A2被释放，更多血小板被捕获。这种正反馈形式会加剧和延长凝血倾向。炎性细胞因子（白介素-6、肿瘤坏死因子）也参与DIC的发生。通过给予肝素(heparin)等抗凝剂，某些标准休克诱导操作的死亡率已显著降低。

在失血性低血压的后期，凝血时间延长且纤溶作用显著。当凝血因子和血小板耗竭时就会发生纤溶。

单核吞噬细胞系统抑制

正反馈与负反馈机制的相互作用

失血会引发多种循环和代谢紊乱。其中某些变化具有代偿作用，而另一些则属于失代偿表现。这些反馈机制中有些具有高增益（high gain），有些则具有低增益（low gain）。此外，特定机制的增益会随着失血严重程度而变化。例如，在少量失血时，动脉血压（Pa）可维持在正常范围内，此时压力感受器反射的增益较高；当失血量较大导致Pa低于60mmHg（即低于压力感受器阈值）时，压力的进一步下降无法通过压力感受器反射产生额外影响，因此低于此临界压力时，压力感受器反射的增益为零或接近零。

一般而言，在轻度失血情况下，负反馈机制的增益较高，而正反馈机制的增益较低；在严重失血时则呈现相反情况。各种机制的增益以代数方式叠加。因此，恶性循环是否形成取决于正负反馈增益之和是否超过1。当失血量较大时，总增益超过1的可能性显著增加。为避免恶性循环，必须在不可逆损伤发生前对严重失血进行快速强化治疗，首选措施为输注全血。

关键要点

动物生理学教材翻译

心血管系统中存在心输出量（cardiac output，Qh）与中心静脉压（central venous pressure，Pv）之间的两个重要关系。就心脏而言，在极广的Pv范围内，Qh与Pv（或前负荷，preload）呈正相关。这一关系由心脏功能曲线表示，反映了Frank-Starling机制。在血管系统中，Pv与Qh呈负相关，该关系由血管功能曲线表示，其本质是随着Qh增加，总血容量中动脉占比增大而静脉占比减小。
调控心输出量的主要心脏机制包括：心肌横桥（crossbridges）相互作用数量的变化，以及收缩蛋白对Ca++亲和力的变化。调控血管功能曲线的主要因素为动脉与静脉顺应性、外周血管阻力和总血容量。
特定条件下Qh与Pv的平衡值由心脏和血管功能曲线的交点决定。在极高或极低心率时，心脏无法产生足够的Qh。极低HR时，舒张期充盈时间的延长无法补偿每min心脏收缩次数的减少；极高HR时，每min收缩次数的增加无法补偿充盈时间的不足。
重力影响Qh的原因是静脉具有高顺应性，导致大量血液易淤积于身体下垂部位的静脉中。呼吸会改变胸内与胸外静脉之间的压力梯度，因此呼吸可作为辅助泵，影响Qh的平均水平，并在呼吸周期不同阶段引起每搏输出量（SV）的节律性变化。

在运动预期阶段，中枢指令会抑制心脏迷走神经冲动并激活交感神经系统，导致心率增快、心肌收缩力增强以及局部血管阻力升高。此外，皮肤、肾脏、内脏区域和非活动肌肉的血管阻力增加，而活动肌肉的血管阻力显著降低。总体效应是总外周阻力（TPR）显著降低，加之骨骼肌收缩的辅助泵血作用，使静脉回流大幅增加。心脏交感神经激活引起的心率加快和心肌收缩力增强，使心脏能将血液输送至肺循环和体循环，从而提高心输出量。每搏输出量仅轻微增加。氧耗量（O2 consumption）和血液氧提取率（blood O2 extraction）增加，收缩压和平均动脉压轻微上升。运动过程中体温升高时，皮肤血管扩张；但在剧烈运动达到最大心率时，皮肤血管收缩。这会增加有效血容量，但导致体温进一步升高和疲劳感。运动能力的限制因素是对活动肌肉的血液供应。

急性失血会引发心动过速、低血压、全身性小动脉收缩和全身性静脉收缩。急性失血会激活多种负反馈（代偿性）机制，包括压力感受器和化学感受器反射、对中度脑缺血的反应、组织液重吸收、内源性血管收缩剂释放以及肾脏对水和电解质的保留。急性失血也会触发多种正反馈（失代偿性）机制，包括心力衰竭、酸中毒、中枢神经系统抑制、凝血功能异常和MPS（单核吞噬细胞系统）抑制。急性失血的结果取决于正负反馈机制的综合增益以及这些机制之间的相互作用。