正常人每搏输出量与肺静脉血管容量和左心房容量的相关关系的探讨*

孙兴国，Songshou Mao， Matthew J. Budoff, William W. Stringer，程显声

（1.中国医学科学院 北京协和医学院 国家心血管病中心阜外医院 心血管疾病国家重点实验室，心血管病国家临床医学研究中心， 北京 100037，中国；2.美国加州大学洛杉矶分校Harbor-UCLA 医学中心，洛杉矶生物医学研究院，圣约翰心血管研究中心，加州90502，美国）

正常人每搏输出量与肺静脉血管容量和左心房容量的相关关系的探讨*

孙兴国1,2，Songshou Mao2， Matthew J. Budoff2, William W. Stringer2，程显声1

（1.中国医学科学院 北京协和医学院 国家心血管病中心阜外医院 心血管疾病国家重点实验室，心血管病国家临床医学研究中心， 北京 100037，中国；2.美国加州大学洛杉矶分校Harbor-UCLA 医学中心，洛杉矶生物医学研究院，圣约翰心血管研究中心，加州90502，美国）

目的：从新理论对呼吸调控解释中，肺-动脉血液循环时间直接决定了吸、呼时相从开始到被终止（即吸呼切换）时间，从而形成呼吸节律和频率。但相关研究甚少，使用肺CT扫描和心脏CTA造影对同一个人进行肺静脉血管容量、左心房容量及每搏输出量多项测定，分析其相关关系以探讨循环时间对呼吸的调控。 方法： 按我们近期建立肺CT扫描进行全肺血管（≥0.06 mm）高精度三维立体成像技术处理后，估算肺静脉血管容量和心脏CTA造影数据经过计算机软件分析处理，计算左心房容量和每搏输出量。将三者进行相关关系分析，推算肺-循环时间。结果：5例正常志愿者的全肺和肺血管的总容量3486±783（2156-4418）ml，肺血管容量141±20（105-163）ml，估算肺静脉血管容量71±10（52-81）ml；左心房容量是97±39（53-165）mL，每搏输出量是86±16（60-106）ml。肺静脉血管容量和左心房容量之和大约是每搏输出量2.0±0.3（1.7-2.4）倍；其中肺静脉血管容量略小于每搏输出量（0.8±0.1），而左心房容量略大于每搏输出量（1.1±0.4）。结论：推算的肺-动脉时间约为三次心跳。

肺脏CT扫描；肺血管树三维成像；肺血管总容量；肺静脉血管容量；心脏CTA；每搏输出量；左心房容量；心脏三维成像

传统系统生理学的呼吸调控，总是借助以人为地提高或降低血液中的氧和二氧化碳分压，来分析其对呼吸的影响，存在明显片面性和局限性[1-6]。2011年，我们首先提出了整体整合生理学调控理念[1-4]：血液在肺毛细血管与肺泡完成气体交换压力平衡后，需要经过肺静脉再进入左心房，然后在下一次心跳舒张期被吸入左心室，在左心室收缩时才被射入动脉系统，流到主动脉体和左右两侧颈动脉体从而接触到外周化学感受器，经神经系统触发呼吸转换，从而完成对呼吸节律和频率的调控。同时，信号经脑脊液传送至中枢化学感受器，主要对呼吸进行稳态调节。心血管系统中肺静脉血管容量、左心房容量和左心室每搏输出量，及其相关关系直接影响到循环对呼吸的决定性调控，但是目前缺乏相关人体实验数据。

为了进一步探讨呼吸循环一体化调控，深入解释血液循环在呼吸节律的形成和呼吸切换机制中的作用，选择正常人按照我们新近建立的方法[7-12]分别计算肺血管容量、肺静脉血管容量、左心房容量与左心室每搏输出量，为进一步阐明整体整合生理学医学体系提供证据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选择没有心肺等主要系统疾病诊断的正常志愿者，在同一天对同一个志愿者分别进行标准化肺脏CT扫描[7]和常规心脏CTA检查[8-12]。

1.2 实验材料

18-20G套管针、高压注射器、非离子型对比剂碘海醇(欧苏350mgI/ml)、β-阻滞剂。

1.3 测试仪器

动脉血流动力学和ECG监护仪是由德国飞利浦公司制造的IntelliVeMP70患者监护仪。其他见本刊中我们建立的肺血管容量测量方法[7-8]。

1.4 实验操作

同一个志愿者采用美国GE64层多检测器螺旋CT扫描仪按照Harbor-UCLA医学中心标准化肺脏CT扫描和常规心脏CTA扫描与图像分析技术，分别进行肺血管三维成像精确测定肺血管容量[7]和心脏CTA三维成像精确测定左心室每搏输出量和左心房舒张末期容量[8]。

1.4.1 胸部CT扫描检查和图像分析 参见本刊中笔者建立的肺血管容量测量方法[7]。

1.4.2 心脏CTA扫描检查、图像分析和左心指标的测定 参见本刊笔者中建立的心脏CTA房室容量和每搏输出量测量方法[8-12]。

1.4.3 分析每个人左心室每搏输出量与肺静脉血管血液容量和左心房舒张末期容量的相关关系 为了客观定量地推算左心室排血功能，确定肺毛细血管与肺泡平衡了氧气和二氧化碳分压的动脉化血液从肺脏循环到动脉外周化学感受器的时间长度，即肺-动脉时间，我们将每个志愿者左心室每搏输出量与肺静脉血管容量和左心房舒张末期容量分别进行比较。

1.5 统计学分析

实验数据用SPSS 18.0软件进行统计学分析处理，所得结果以（）和范围（低值-高值）形式表示，每个志愿者的肺血管容量、肺静脉血管容量、左心房舒张末期容量分别与左心室每搏输出量进行比值计算，并进行配对t检验分析。

2 结果

2.1 正常志愿者一般信息

从洛杉矶南湾地区选择5例，无显著心肺等系统疾病诊断, 基本正常的志愿者，一般信息详见表1。其中4男1女，年龄71±3（67～77）岁，身高174±10（155～183）cm，体质量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扫描图像分析信息

全肺脏从肺尖到肺底CT扫描图片层数为667±219（473～969）张。肺血管容量详细信息参见表2。以-1024HU为阈值；测得切划部分的肺泡和血管总容量是3486±783（2156～4418）ml。在基本不含有气态p波的b波面积时密度低限阈值分别是-300 HU（2例）和-200 HU（3例）；测得肺血管容量是142±20（104.8～162.7）ml。按照二分之一血液容量粗略估算，肺静脉血管容积是71±20（52.4～81.3）ml（表2）。

2.3 正常志愿者心脏CTA扫描图像分析信息

正常志愿者在进行心脏CTA造影时的心率是59±4（52～62）beats/min。心脏CTA造影数据经两名有经验的判读者进行双盲重复判读，以两次判读所得的平均值作为结果。左心室每搏输出量是86±16（60～106）ml，左心室每分钟输出量是5027±769（3720～5978）ml/min；左心房舒张期末容量是97±39（53-165）ml（表3）。

2.4 正常志愿者左心室每搏输出量与肺静脉血管容量和左心房舒张末期容量的相关关系

将上述肺CT扫描所得肺静脉血管血液容量和心脏CTA造影测得左心房舒张末期容量与志愿者的左心室每搏输出量进行比较，发现肺静脉血管容量略小于左心室每搏输出量（0.8±0.1），而左心房容量略大于左心室每搏输出量（1.1±0.4）；肺静脉血管容量和左心房容量之和大约是左心室每搏输出量的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 讨论

3.1 同一个志愿者同一天分别完成高清晰度肺CT扫描和心脏CTA造影，尝试建立每搏输出量与肺静脉血液容量和左心房容量比较的无创伤精确分析方法

本次试验选择洛杉矶南湾地区志愿者5例，采用64层多检测器螺旋CT扫描仪获得高清晰度肺CT扫描数据，使用图像分析技术软件，进行肺野手工划切，肺血管三维成像精确测定肺血管容量；同日还完成心脏CTA造影，使用图像分析技术和三维成像软件，进行软件自动描画后手工调整修正，精确测定左心室每搏输出量和左心房舒张末期容量。该检测方法安全可行、无创伤、精确、可靠，可在进行人体整体整合生理学医学研究时使用。将志愿者左心室每搏输出量与肺静脉血管血液容量和左心房舒张末期容量进行自身比较，结果发现肺静脉血管血液容量和左心房舒张末期容量均与每搏输出量相近。因此，经过肺脏气体交换的动脉化血液这次心跳仅能到达肺静脉血管末端，下一次心跳到达左心房接近左心室部位。

3.2 同一人同一天肺CT扫描和心脏CTA造影无创伤精确分析方法对探讨人体循环功能调控呼吸节律和频率研究具有重要价值

考虑到呼吸调控环路时间空间概念[1-5]，从血液循环角度分析，按照肺静脉血管容量与左心房舒张末期容量之和是每搏输出量的两倍推算，在肺部完成气体交换的动脉化血液经第一次心跳经过肺静脉到达肺静脉附近左心房部位；第二次心跳血液进入左心房靠近左心室；第三次心跳舒张期进入左心室，收缩期射血到达体动脉系统，从而将其携带的氧、二氧化碳在波浪式信号经过左心传至下游体循环主、颈动脉体快反应外周化学感受器，实现呼气吸气的转换；所以经大约三次心跳完成呼气吸气的转换，心率与呼吸频率比值应该是6。与我们在进行逐搏动脉取血血气分析实际测定得到心功能正常患者[13]的心率与呼吸频率比值是5（4～6），而心力衰竭患者[14]的心率与呼吸频率比值是6（6～7），均非常吻合。每搏输出量对呼吸节律和频率的调控，与其与肺静脉血管容量和左心房容量相关关系决定的肺-动脉时间直接相关，在整体人身上生理学调控研究结果为呼吸循环一体化调控[1-5]提供了实验基础，也为整体整合生理学理论体系提供了一个很有说服力的证据。

3.3 探讨左心室每搏输出量、收缩末和收缩末容量与射血分数对呼吸强弱调控的影响

每个人每次心搏将离开肺毛细血管静脉端（刚与此时肺泡达到气体压力平衡）的动脉化血液依次运输到肺静脉和左心房；大约第三次心搏舒张期使之进入左心室，在收缩期将其搏入体动脉血管，迅速到达外周化学感受器所在的主动脉体和颈动脉体位置，通过刺激外周化学感受器经上传神经携带的信号可以触发吸呼切换产生下一次呼吸。根据左心室“混合室效应”概念[1-5]，血液中所携带的动态波浪式信号经肺静脉、左心房和左心室进入动脉能否触发下一次呼吸，主要取决于经肺静脉进入左心室血液的量，即每搏输出量的高低，以及其与上一次心搏左心室收缩末期残存血液的比值，即左心室射血分数，共同影响经左心室混合后所含的信号强度。如果患者心力衰竭左心室每搏输出量降低，或/和收缩末容量与舒张末容量增大，产生显著的射血分数降低，使得经左心室混合后收缩射出的血液所携带的信号通过上传神经实现信号传递难以以触发呼吸切换，则需要再增加一次心搏才能产生足以触发切换的信号。循环功能直接影响生命表征呼吸信号的强弱。每搏输出量对呼吸节律和频率以及呼吸强弱调控的具体机制还需要进一步研究阐明。此外，运动、精神紧张和饮食等因素可以影响循环功能和核心功能调控[5]。

另外，本实验的志愿者不一定都是健康人，可能会对试验结果有一定的影响，我们下一步还将继续招募健康志愿者，进行进一步的深入研究。

1. 孙兴国. 整体整合生理学医学新理论体系： 人体功能一体化自主调控[J]. 中国循环杂志, 2013, 28(2)： 88-92.

2. 孙兴国. 生命整体调控新理论体系概论与心肺运动试验——以心肺代谢等功能一体化自主调控为主轴的整体整合生理学医学[J]. 医学与哲学(人文社会医学版) , 2013, 34(3)： 22-27.

3. 孙兴国. 整体整合生理学医学新理论体系I： 呼吸调控新视野[J]. 中国应用生理学杂志, 2015, 31(4)： 295-301.

4. 孙兴国. 整体整合生理学医学新理论体系II： 循环调控新视野[J]. 中国应用生理学杂志, 2015, 31(4)： 302-307.

5. 孙兴国. 整体整合生理学医学新理论体系III： 呼吸循环调控环路中神经体液的作用[J]. 中国应用生理学杂志, 2015 , 31(4)： 308-315.

6. 樊代明. 整合医学初探[J]. 医学争鸣, 2012, 3(2)： 3-12.

7. 孙兴国， Mao SS， Budoff JM，等. 建立正常人肺血管容量的无创精确测量方法的初步报告[J]. 中国应用生理学杂志，2015, 31(4)： 326-329.

8. 卢志南，孙兴国， Mao SS，等. 正常人左心室功能指标的参考值及其预计公式的初步研究报告[J]. 中国应用生理学杂志, 2015, 31(4)： 332-336.

9. Mao SS, Li D, Rosenthal DG, et al. Dual-standard reference values of left ventricular volumetric parameters by multidetector CT angiography[J]. J Cardiovasc Comput Tomogr, 2013, 7(4)： 234-240.

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13. 孙兴国，姚优修，李军，等. 动脉血气信号波浪式变化及其连续动脉逐搏取血血气分析新方法的建立[J]. 中国应用生理学杂志, 2015, 31(4)： 316-321.

14. 姚优修，孙兴国，李军，等. 心衰患者动脉血气波浪式变化及其幅度降低的初步实验证据[J]. 中国应用生理学杂志, 2015, 31(4)： 322-325.

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

＊ 【基金项目】国家自然科学基金医学科学部面上项目（81470204）；国家高新技术研究发展计划(863计划)课题(2012AA021009);中国医学科学院国家心血管病中心科研开发启动基金（2012-YJR02)

2015- 06-05

2015-07-05

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