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PV环介绍-PV环的理解要点和心脏功能的测量

 压力-容积(PV)环是测量直接,实时心功能的金标准。通过同时绘制实时心室压力与心室容积图,PV环提供了一种独特的定量方法,可独立于前负荷和后负荷来确定心脏的收缩力。
  在此博客中,印第安纳大学医学院的心血管生理学家Adam Goodwill(P.h.D)对PV环进行了全面介绍,将其与其他技术进行了比较,并提供了解释心功能测量的技巧。
 
概览
  • 为什么要研究压力容积环?还有哪些选择?
  • 理解压力-容积环
  • 确定与负荷不相关的心功能测量
  • 心脏能量学

为什么要研究压力容积环?还有哪些选择?

 
 

超声心动图和心脏MRI

超声心动图和心脏MRI是用于评估小鼠心脏功能的两种主要的非PV模式。与任何工具一样,它们都有其优点和缺点,但是您发现两者之间的共同点是能够进行一系列测量和评估心腔结构

与MRI相比,超声通常更容易获得和携带。但是,MRI将为您提供更好的血液组织对比度和更大的空间分辨率。超声的另一个吸引人的方面是它可以在清醒的动物身上进行。但是这里有一个值得注意的局限性,在记录任何数据之前需要动物必须适应新条件,因为该过程的压力可能会导致实验偏差。

如上面的视频所示,每个系统都有自己独特的局限性,但是它们共有的两个局限性是它们只能在短时间内获取数据,并且心脏功能指标在很大程度上取决于负荷

这些局限性使PV导管从超声和MRI中脱颖而出,因为您可以在整个实验中同时收集与负荷有关和与负荷无关的数据。

PV 导管

压力容积导管提供了一种独特的方法,可以从心脏直接获取血流动力学和收缩数据。通过将PV导管插入麻醉动物的左或右心室,您可以测量从完成仪器安装到实验结束之间每个心动周期的所有负荷相关数据。
以下视频显示了可以通过PV导管测量的一些常见心脏参数。
 
 
 
与超声和MRI相似,PV导管允许您测量舒张末期容积和收缩末期容积,并从中计算出每搏量,射血分数和心输出量。您还可以计算诸如每搏功,Tau,dP/dt最大值和最小值,收缩时间和舒张时间之类的参数-所有这些均与术语“收缩力”相关。
但是,这些参数都被认为是与负荷有关的(受心脏的前负荷或后负荷的影响),而真正的收缩力是与负荷无关的现象。要了解我们如何使用PV导管测量与负荷无关的收缩力,我们必须首先了解PV环。

了解压力-容积环

PV导管记录心动周期(或心跳)期间心室压力和容积的变化。当相互绘制时,这些压力-容积测量结果形成了所谓的压力-容积环。
PV环始终在x轴上显示心室容积,在y轴上显示心室压力。以下视频提供了在左心室中形成单个PV环的心脏事件的演示。
 
 
 

PV环上的点

如果我们从右图的C点开始,则我们刚刚完成了舒张期(充盈阶段)。心室充满血液,准备开始收缩。

当心室开始收缩时,二尖瓣关闭,我们从C点移至D点。在此阶段,心脏在不改变心室容积的情况下产生了压力变化-这称为等容收缩

当心室的压力超过主动脉的压力时,主动脉瓣将打开,开始进入射血阶段。这是线开始从D移到E的地方。在此阶段,仍会产生压力,直到在E点达到收缩压峰值。

PV环上的点。改编自Boron,Walter和Boulpaep,Emile医学生理学第二版

当心室耗尽其收缩能力并开始舒张时,心室腔内的压力将降至主动脉以下。然后主动脉瓣关闭。 在这一点,我们已经完成心脏收缩并开始舒张。我们可以认为这是我们的收缩末期压力容积点(稍后将成为重要参考)。

当心室在所有瓣膜关闭的情况下舒张时,心室中的压力将下降,而容积保持不变-这是我们的等容舒张。这将一直持续到心室中的压力小于心房中的压力为止,此时二尖瓣将打开,心室将开始充盈(A到C点),结束我们的心动周期。

与负荷无关的心功能测量

测量与负荷无关的收缩参数是PV环分析的主要优点之一。通过同时采集实时压力-容积数据,您将具有独特的优势,即能够测量对心脏负荷条件变化的血流动力学变化。

 
 

减少前负荷(下腔静脉阻塞)

通过下腔静脉(IVC)阻塞来减少前负荷是获得与负荷无关的收缩力测量的金标准方法。前负荷是心室在收缩之前经历的牵拉量。

通过阻止血液回流到心脏,可以从一定范围内下降的心室前负荷生成一系列PV环(向左移动),如右图所示。

每个环都有其独特的收缩末期和舒张末期点。这些单独的点可用于获得收缩末期压力-容积关系(ESPVR)和舒张末期压力-容积关系(EDPVR),它们分别被认为是与负荷无关的心脏收缩力和顺应性测量指标。

使用下腔静脉阻塞来计算EDPVR,Ees和EDPVR的前负荷减少的示意图

ESPVR

收缩末期压力-容积关系代表左心室在任何给定容积下产生的最大压力,是心脏收缩力的测量指标。ESPVR的斜率,也称为Ees,是收缩末期弹性的指标,并提供有关收缩功能的信息。

心脏收缩力是指心脏肌肉(心肌)固有的收缩能力,与预负荷无关。因此,Ees的变化可以看作是收缩力的变化。

相对于对照状态,Ees斜率增加表示正性肌力反应(收缩力增加),而斜率减小反映负性肌力反应(收缩力降低)。ESPVR的斜率改变的程度可以为您提供有关心脏整体健康状况的信息,并可以用来表示某些心脏疾病的状态。

ESPVR和心脏收缩力变化的示意图

EDPVR

在减少前负荷的过程中,您还会注意到每个环的舒张末期点向下移动。绘图时,这些点会连成所谓的舒张末期压力-容积关系(EDPVR)。

EDPVR是一种曲线关系,可以为您提供有关心脏顺应性的信息(心室充盈血液时扩张的容易程度)。

左心室顺应性是EDPVR斜率的倒数。因此,顺应性下降由EDPVR向上移动指示(也可以认为是心室僵硬度增加),顺应性增加由EDPVR向下移动表示。

通过减少前负荷来准确计算EDPVR很重要,因为心室顺应性的改变是某些疾病状态,例如心室肥大(顺应性降低)或扩张型心肌病(顺应性增加))的特征。

示意图描绘了由于左心室顺应性变化而导致的EDPVR斜率变化

心脏能量学

ESPVR和EDPVR是了解心脏工作时相对效率的关键。通常,这类分析在文献中并未得到充分利用-但这并不意味着它不重要。

 
 

机械效率的测量

如果我们看下面的PV环图,可以看到我们有两个不同的面积,分别标记为PE和SW。一个面积由PV环本身限定,而第二个“三角形”面积则位于PV环的左侧,由ESPVR和EDPVR界定。

外功(EW)

如果我们将PV环内的面积相加,我们将得到所谓的外功(EW)或每搏功(SW)。可以认为这是心室射血进主动脉做的功。

潜在能量(PE)

当我们查看PV环左侧的假想三角形空间时,我们可以得到潜在功或潜在能量(PW / PE)。可以将其视为一次收缩过程中产生的能量,该能量不会转换为外功,即心室中拉伸和延长粘性分子所需的能量(例如泵送钙)。

 

通过PV环测量心脏效率:外功(EW),潜在能量(PE)和压力-容积面积(PVA)

压力容积面积(PVA)

外功和潜在功的总和就是您的压力-容积面积(PVA)。PVA是心脏所有功的总和,与心肌耗氧量成正比,因为PVA的增加将伴随着心肌耗氧量的增加,反之亦然。

如果比较两个显示相似PVA的心脏,则总压力容积面积中外功较大(也可以认为外功比潜在功更大)的心脏将被认为是更高效心脏,因为相同的总能量泵了更多的血液。

这些计算出的参数可以为您提供有关心脏工作量,即心脏功(外功x心率)以及心脏工作效率,也称为心脏效率(单位能量消耗做的外功)的信息。

 

希望这些信息对您有所帮助! 有关PV环数据采集和分析的更多信息,请查看Adam Goodwill博士和DeWayne Townsend博士的完整网络研讨会,介绍有关心脏PV环分析的技巧和窍门


 

Adam G. Goodwill 博士

 

科研助理教授,解剖细胞生物学与生理学

印第安那大学医学院

我的大部分研究工作集中于代谢综合征背景下的血管舒缩功能障碍和血管重塑

 


LabChart – PV Loop分析用于左右心室研究

LabChart的PV环分析模块专门设计用以分析大小动物的在体心室压力容积数据,或离体工作心脏系统的数据。

PV Loop分析软件为不同的动物和简化的工作流程提供了智能预设,可指导您从校准到分析的逐步操作。

 

18 9月 2020