心脏的生物电活动

• 心脏中心肌细胞的节律性源自窦房结

• 兴奋通过兴奋-收缩耦连引发心肌细胞收缩

  心肌细胞的分类

  按功能分

• 工作细胞(working cardiac cell)

  • 特点：静息电位稳定，执行收缩功能
  • 包括：心房肌和心室肌细胞

• 自律细胞(rhythmic cell)

  • 特点：静息电位不稳定，自律性，产生并传播兴奋 | 窦房结
    （sinoatrial node, SAN） | 房室交界区
    （atrioventricular node, AVN） | 房室束
    (bundle of His) | 浦肯野纤维
    （Purkinje fiber） | | :—-: | :—-: | :—-: | :—-: |

• 房室交界区是唯一联系心房和心室的兴奋通路

  心肌和骨骼肌的区别

工作细胞的跨膜电位及其形成机制

静息电位（Resting Potential,RP）

• 心室肌：-80mV。
• 离子机制：
  • K+的平衡电位(K+ equilibrium potential):IK1
    • IK1通道（内向整流钾通道）：非门控通道，对K+的通透性因膜的去极化而降低（内向整流）
• 钠背景电流(Na+ inward background current)
• 生电性钠-钾泵 (electrogenic Na+-K+pump)

动作电位（Action Potential,AP）

工作细胞

去极化期过程：0期(phase 0)

• AP的升支（去极化+反极化）-70~40mv，1~2ms
• 特点：除极幅度、速度大。
• 机制：
  • 快钠通道(INa)： Na+快速内流
  • 被河豚毒(TTX)阻断。
• 快反应细胞：以快Na+通道介导0期去极化的心肌细胞

复极化过程：1,2,3期（200-300ms）

Phase 1（快速复极初期）

• 跨膜电位： +40mv —> 0mv
• 时间：10ms
• 机制：
  • INa通道关闭
  • 瞬时性外向离子流（transient outward current, Ito通道) —> K+外流

0期和1期的快速膜电位变化合称为锋电位(spike potential)

Phase 2（平台期，plateau）

• 心室肌主要特征
• 跨膜电位：0mv等电位，时间：100-150ms
• 机制
  • Ca2+内流（L型钙通道）和少量Na+内流
  • K+外流（IK通道）
• L型钙通道
  • 慢钙通道：激活、失活及复活均缓慢
  • 阻断剂：Mn++, verapamil（维拉帕米）
• IK 通道：延迟整流钾流
  • 激活、去激活缓慢
  • 2期抗衡L型钙内流，3期形成膜复极化的主要电流

• 生理学意义

  • 是心室肌细胞区别于神经或骨骼肌细胞动作电位的主要特征。
  • 是心室肌动作电位持续较长的主要原因,与心肌的不应期长、不会产生强直收缩等特性密切相关
  • L-Ca2+的开放与触发心肌兴奋收缩偶联过程有关
  • 是神经递质和化学因素调节及药物治疗作用的环节

    Phase 3（快速复极末期,late repolarization）

• 膜电位：0mV —> -90mV

• 机制：
  • L型钙通道失活关闭
  • IK ↑
  • IK1 ↑

• 动作电位时程：0期去极化开始到3期去极化完毕，约200~300ms

  Phase 4（静息期,resting stage）

• 电位稳定于静息电位水平-与自律细胞区别

• 机制
  • 恢复膜内外离子浓度梯度
  1. Na+-K+泵
  2. Na+- Ca2+交换（3：1）
  3. Ca2+泵

自律细胞的跨膜电位及形成机制

• 自律性细胞的跨膜电位特点： 4期自动去极化(spontaneous depolarization)

• 慢反应自律细胞-窦房结P细胞

• 快反应自律细胞-浦肯野细胞

  窦房结P细胞

• 最大复极电位：-70mv，阈电位：-40mv，无稳定的静息电位

• 动作电位分期及形成机制:
  • 去极化（0期）：去极化幅度及速度均较小，L型Ca2+通道开放
  • 复极化（3期）： 0mv → -70mv， IK通道开放
• 慢反应细胞：0期去极化由慢钙通道介导

• 4期自动去极化

  • 特点：自动去极化速率（斜率）最快，自律性最高
  • 机制
    • 外向电流↓ (为主)：
    1. IK通道：在接近最大复极电位时开始关闭，导致K+外流进行性衰减。
    • 内向电流↑：
    1. If电流（超极化激活的内向离子流）:Na+内流进行性增强（慢钠内流）
    2. T型钙通道：后期去极化-50mv激活，钙内流

  
  

  浦肯野细胞

  Purkinje cells

• 快反应自律细胞

• 最大复极电位：-90mv
• AP分期及形态(0,1,2,3期)与心室肌细胞相似，快反应细胞
• 4期自动去极化
  • 特点：去极化速度慢，自律性低

• 机制

  • 内向电流If (Na+内流) 逐渐增强（为主）
  • 外向电流IK逐渐衰减

  
  两种钙通道的比较

两种纳通道的比较

参与心室肌细胞动作电位的重要离子通道特征

心肌的生理特征

• 心肌细胞生理特性：
  • 电生理特性
    • 兴奋性(excitability)
    • 自律性 (autorhythmicity)
    • 传导性(conductivity)
• 机械特性：收缩性(contractivity)

兴奋性(excitability)

• 受刺激后产生动作电位的能力

  影响兴奋性的因素

• 静息电位与阈电位之间的距离：反比

• 引起0期去极化的离子通道功能状态

心肌细胞动作电位与兴奋性的变化

兴奋性的周期性变化

相对不应期或超常期引出的动作电位0期去极化幅度和速率均低于正常，钠通道未完全复活
在相对不应期或超常期引出的动作电位（AP）,其0期的幅度和上升速率均低于正常。 这样的动作电位（AP）传播速度较慢,易成为心律失常及折返形成的原因之一。

兴奋性的周期变化与心肌收缩活动的关系

不发生强直收缩

• 有效不应期(ERP)特别长，保证心肌收/舒交替进行不发生强直收缩

• 在相对不应期或超常期引出的动作电位（AP）,其0期的幅度和上升速率均低于正常。这样的动作电位（AP）传播速度较慢,易成为心律失常及折返形成的原因之一。

  期前收缩(premature systole)、代偿间隙(compensatory pause)

• 期前兴奋和收缩：在心室肌有效不应期之后，下次窦房结兴奋到达之前，心肌受到外来刺激（人工或来自异位起搏点的激动）而提前产生的兴奋和收缩。

• 代偿性间歇（代偿间隙(compensatory pause)）：一次期前收缩后往往有一段较长的心室舒张期。
• 期前兴奋也有自己的有效不应期，紧接期前收缩后的一次窦性兴奋传到心室时，刚好落在期前兴奋的有效不应期内，故不能引起心室新的收缩，收缩曲线上表现为脱失了一次活动。

自动节律性(autorhythmicity)，自律性

概念

• 在没有外来刺激的情况下自动地发生节律性兴奋的特性

• 衡量指标：频率（次/min），规则性

  不同自律细胞的自律性

  窦房结（100）> 房室交界（50）>浦氏纤维（25）
  ↓ ↓
  正常起搏点 潜在起搏点 异位起搏点
  窦性节律：由窦房结起搏而形成的心脏节律。

  窦房结控制心率的机制

• 抢先占领(capture)

• 超速驱动压抑(overdrive suppression)

在人工起搏的情况下,如因故需暂停起搏器时,在中断之前其驱动频率应逐步减慢。

影响自律性的因素

• 4期自动去极化速度（斜率）：正比
• 最大复极电位与阈电位的差值：反比

**

传导性(Conductivity)

心脏内兴奋传播的途径和特点

• 心肌细胞间兴奋的传播
  • 以局部电流形式通过缝隙连接(gap junction)传导, 实现心肌细胞的同步性活动
• 兴奋在心脏内部的传播：特殊传导系统

窦房结-左右心房(优势传导通路)-房室交界区-房室束-左右束支-浦肯野纤维-心室肌(内膜侧-外膜侧)

• 房-室延搁(atrioventricular delay)：兴奋由心房传至心室需经一个时间延搁
• 机制:房室交接区（兴奋从心房到心室的唯一通路）细胞传导速度很慢
• 意义:心室收缩发生在心房之后，两者不会发生重叠，有利于心室充盈和射血

影响传导性的因素

结构因素

• 细胞的直径：正比

• 缝隙连接的数量及其功能状态

  生理因素

• 动作电位0期去极化速度和幅度（最重要）

  • 0期除极速度快 - 局部电流形成快 - 临近未兴奋膜达到阈电位快 - 兴奋传导快
  • 0期除极幅度大 - （兴奋和未兴奋部位之间）电位差大 - 局部电流强，扩布距离大，使下游更远处兴奋

体表心电图(electrocardiogram,ECG)

定义

• 用测量电极放置在人体表面的一定部位,记录到整个心脏兴奋过程中发生的电变化的图形。
• 心电图导联：12个

正常心电图的波形及生理意义

• P波(0.08-0.11s,0.25mv)：表示两心房去极化过程
• QRS波(0.06-0.10s)：表示两心室去极化过程
• T波 (0.05-0.25s,0.1-0.8mv)：表示两心室复极化过程
• PR间期(P波起点-QRS起点,0.12-0.20s)：表示房室传导的时间
• PR段(P波终点-QRS起点)
• QT间期(QRS波起点-T波终点)：表示心室兴奋去极和复极时间

• ST段 (QRS终点-T波起点)表示心肌各部分均处于AP的平台期

  
  
  

  正常ECG波形与心室肌细胞AP的关系

  | 波 | 对应AP时期 | | :—-: | :—-: | | QRS波 | AP的去极化0期 | | ST段（平台期） | AP的复极化2期 | | T波 | AP的复极化3期 | | QT间期 | AP的整个过程 |

  
  

  心脏的泵血功能

  概述

• 血液循环的动力来自于心脏的泵血功能,心脏的泵血依靠心脏收缩与舒张的交替活动而得以完成。

• 心肌收缩的特点 | 特点 | 描述 | | :—-: | :—-: | | 同步收缩 | 左右心房/室形成两个功能合胞体 | | 不发生强直收缩 | 有效不应期长 | | 对细胞外钙的依赖性 | 肌浆网不够发达
  钙触发式钙释放（胞外钙内流引发肌浆网钙释放）
  兴奋-收缩脱偶联：当胞外钙浓度很低甚至无钙时，心肌细胞虽仍能产生动作电位，却不能引起收缩。
  |

  
  

  心脏的泵血机制

  心动周期（Cardiac cycle）

• 概念：心脏一次收缩和舒张，构成一个机械活动周期

• 组成
  • 收缩期(systole)
  • 舒张期(diastole)
• 计算

心动周期=60s/心率
成人平均心率75次/分，心动周期0.8s


心房首先收缩（持续约0.1s），继而心房舒张；心房舒张后不久心室开始收缩（持续0.3s）; 全心舒张期

心动周期的特点

• 房室活动规律性

  左右心同步进行，心房先于心室收缩

• 收缩期<舒张期（使心肌得以充分休息）

• 心动周期长短与心率有关

  心率升高 - 心动周期下降 - 收缩期和舒张期均下降 - (舒张期缩短的比例大) - 心肌休息时间相对缩短

心脏的泵血过程

以左心室为例
以左心室为例，心动周期可分为心室收缩期和心室舒张期

心室收缩期

分三期

等容收缩期(period of isovolumic contraction)

• 心室压力：房内压<室内压↑ ↑ < 动脉压
• 瓣膜开闭：房室瓣关闭（标志心室收缩期开始）到动脉瓣开启前
• 血流方向：无
• 心室容积：不变

• 室内压增高速度最快，主动脉压最低时期

  快速射血期(period of rapid ejection)

• 心室压力：室内压↑ >动脉压

• 瓣膜开闭：动脉瓣开放
• 血流方向：心室→动脉
• 心室容积：↓

• 快速射血期末室内压达最高

  减慢射血期(period of slow ejection)

• 心室压力：室内压↓<动脉压

• 瓣膜开闭：动脉瓣开放
• 血流方向：心室→动脉

• 心室容积：心室容积↓直到达到最低（减慢射血期末是心室容积最小的时期）

  心室舒张期

  等容舒张期(period of isovolumic relaxation)

• 心室压力：房内压<室内压↓ ↓ < 动脉压

• 瓣膜开闭：动脉瓣关闭到房室瓣开启前
• 血流方向：无
• 心室容积：不变

• 室内压降低速度最快的时期

  快速充盈期 (period of rapid filling)

• 心室压力：室内压↓ <房内压

• 瓣膜开闭：房室瓣开启，动脉瓣关闭
• 血流方向：心房→ 心室
• 心室容积：↑ ↑

• 心室容积上升最快的时期

  减慢充盈期(Period of Reduced filling)

• 心室压力：室内压↑ <房内压（压力梯度减小）

• 瓣膜开闭：房室瓣开启，动脉瓣关闭
• 血流方向：心房→ 心室
• 心室容积： ↑

• 室内压发生回升的时期

  心房收缩期(Atrial systole)

• 心室压力：室内压 <房内压↑

• 瓣膜开闭：房室瓣开启，动脉瓣关闭
• 血流方向：心房→ 心室
• 心室容积：心室容积↑达最大
• 心房收缩期末是心室容积最大的时期

心动周期中的几个“最”

心房压力的变化

• 左心房压在一心动周期中有三次明显的波动。
  • a波：心房收缩
  • c波：心室开始收缩，关闭房室瓣并凸入心房腔内。
  • V波：大静脉内的血液回流，使心房内压升高。
• 心房起着初级泵(primary pump)的作用,对心脏的射血和静脉血液的回流都有利。

心脏泵血机理

• 心房和心室在泵血中的作用
  • 心室：主要动力
  • 心房：使心室进一步充盈，起初级泵作用。
• 左右心室泵血过程和机制相同，只是肺动脉压力为主动脉的1/6，右室内压变化幅度较小

心音的产生

心脏泵血功能的评定

每搏输出量(stroke volume)，搏出量

• 概念：一次心搏由一侧心室射出的血量。
• 每搏输出量=心室舒张末期容积（125ml）-心室收缩末期容积（55ml）

• 正常值：60-80ml

  每分输出量(minute volume)，心输出量(cardiac output，CO)

• 概念：每分钟由一侧心室输出的血量。

• 每分输出量=搏出量×心率

• 正常值（静息）

  • 男4.5-6.0L/min
  • 运动： 25-35L/min
  • 麻醉：2.5L/min

    心输出量

• 每分钟一侧心室排出的血液总量，称为每分输出量，即心输出量

  心指数(cardiac index)

• 概念：每平方米体表面积的心输出量。（静息：安静、空腹）

• 心指数=心输出量/体表面积
• 正常值：3.0-3.5L/（min.m2）

• 意义：排除身材个体差异

  射血分数

• 射血分数指每搏输出量占心室舒张末期容积量（即心脏前负荷）的百分比，正常值为50-70%

• 正常值为50-70%

  心脏做功量

• 概念及正常值

  • 每搏功（stroke work）：一侧心室一次收缩所作的外功
  • 每搏功=博出血液所增加的压强能(博出量*射血压)+动能(比例很小)
  • 每搏功=搏出量血液比重（平均动脉压-左心房平均压）
• 意义：评定心脏泵血功能比心输出量更有意义-适于衡量不同血压的个体

• 心脏做功所释放的能量，一方面表现为压强能，将静脉内较低的血压提升为动脉内较高的血压；另一方面表现为动能，驱使血液向前流动。

  影响心输出量的因素

• 影响心输出量的因素有

  • 前负荷
  • 后负荷
  • 心肌的收缩能力
  • 心率

    前负荷(preload)

• 心室前负荷=**心室舒张末期容积=心室舒张末期压力=心房舒张末期内压**

  异长调节(heterometric regulation)

• 通过改变心肌细胞的初长度（前负荷）, 引起心肌收缩力的改变。

  • 前负荷↑ →心肌收缩力↑ →博出量↑

    心的定律(Law of the heart or，Frank-Starlin)

  • 现象：心脏能自动地调节并平衡搏出量和回心血量的关系：回心血量愈多，则心肌舒张时被牵拉愈长，其收缩力也愈强，搏出量也愈多。

  • 机制：心室舒张末期容积在一定范围内增大可增强心室收缩力。

    心室功能曲线

• 心室舒张末期容积/压力对搏出量/搏出功的影响所作出的曲线

• 原理：改变肌小节中粗、细肌丝的重叠程度和活化横桥的数目。

• 心功能曲线不出现明显下降的趋势原因

  • 心肌具有抵抗被过度拉长的特性(难以超过最适初长度)：
  • 心肌细胞外间质含大量胶原纤维
  • 肌节内连接蛋白
  • 心室壁肌纤维交叉排列
  • 最适初长度时的静息张力较大

    影响前负荷（心室舒张末期容积）的因素

• 静脉回心血量：（主要因素）

  • 心室充盈期的持续时间：心率
  • 静脉回流速度
  • 心包内压：积液
  • 心室顺应性：心肌肥厚、纤维化

• 心脏射血后残余血量：血压、心肌收缩力

  异长调节的作用

• 对搏出量的微小变化进行精细的调节，使心室射血量与静脉回心血量之间能保持平衡（使心室容积不会发生大幅度变化）

例如：体位的改变、血压的改变

后负荷(afterload)

• 后负荷

心室的后负荷=动脉血压

生理意义

动脉血压力升高的一定范围（80-170mmHg）内可维持接近正常的心输出量。

• 血压升高的一定范围内，搏出量仍可保持相对稳定

  • 直接效应：后负荷（动脉血压） ↑ →心室等容收缩期↑，射血期↓ →博出量↓
  • 短期：→心室残余血量↑ →心室舒张末期容积↑ →心肌收缩↑→博出量↑（异长调节）
  • 长期：→心肌收缩能力↑→博出量↑（等长调节

    心肌的收缩能力

• 心肌收缩能力（myocardial contractility）：指心肌不依赖于前、后负荷而能改变其力学活动的一种内在特性。

• 等长调节（homometric regulation）：通过改变心肌收缩能力的心脏泵血功能调节。
• 影响心肌收缩能力的因素
  • 活化横桥数：Ca2+
    • 交感神经、儿茶酚胺：激活L型钙通道
    • 茶碱：肌钙蛋白的Ca2+亲和力
  • 肌球蛋白的ATP酶活性
    • 甲状腺激素、体育锻炼

心率

• 心率对心输出量的影响：

在一定范围内(40- 180次/分),心率的增加可使心输出量相应增加。心率超过180次／分钟或低于40次／分钟时，心输出量将明显降低(动脉脉搏压降低可以体现出心输出量的降低)。

• 心率>180次／min时，舒张期缩短,心室缺乏足够的充盈时间, 搏出量显著降低，心输出量下降。

  影响心率的因素

• 神经：交感→心率↑ ，迷走 →心率↓

• 体液：肾上腺素、去甲、甲状腺素→心率↑
• 体温：体温↑1度→心率↑ 12-18次/分钟

心泵功能的贮备，心力贮备(cardiac reserve)

• 概念

是指心输出量随机体代谢的需要而增加的能力

• 心输出量
  • 安静状态：5L/min
  • 剧烈运动：25-30 L/min
• 心泵功能贮备的组成
  • 搏出量贮备：心室舒张末期容积-收缩末期容积
    • 安静：70ml，运动：150ml。
    • 舒张期贮备：15ml；（125-140）
    • 收缩期贮备：35-40ml（主要）（55-15）
  • 心率贮备：可为静息时的2倍多。在一定范围内心率增加使心输出量增加(<180次/分钟)
• 正常体力劳动：交感-肾上腺系统兴奋→动用心率储备、 收缩期储备
• 运动员：心肌纤维变粗→ 收缩期储备↑、心率储备↑ →心力储备↑

• 心衰：收缩期储备和舒张期储备↓心率储备 →心力储备↓