Клинические методы измерения сердечного выброса - динамика сердечно-сосудистой системы
Было бы чрезвычайно важно иметь возможность прямо и непосредственно измерять и выразить в цифрах функции сердца человека, однако прямые измерения минутного объема сердца или ударного объема у человека пока невозможны. Наиболее прямой метод исследования этих величин основан на измерении площади сердечной тени сердца на рентгенограммах во время систолы и диастолы. В последние годы было предложено значительное количество методов для определения сердечного выброса при помощи непрямых методов. Основные принципы и возможности наиболее распространенных в настоящее время методик описаны ниже.
РИС. 2.14. ПРИНЦИП ФИКА.
В случае, если каждый из сосудов на ленте конвейера может поместить 5 мл жидкости, а лента конвейера движется под резервуаром, из которого жидкость вытекает со скоростью 250 мл/мин, необходимо двигать конвейер с такой скоростью, чтобы в минуту сменилось 50 сосудов, так как лишь в этом случае каждый из них окажется полностью наполненным жидкостью. Подобно этому каждые 100 мл крови, проходящие через легкие могут поглощать 5 мл кислорода (артериовенозная разность по кислороду) и 250 мл кислорода поглощается в легких в течение каждой минуты. Таким образом, умножив 50 на 100, мы получим 5000 мл крови, которая должна протекать через легкие в минуту, чтобы обеспечить поглощение данного количества кислорода. Это и есть принцип Фика в приложении к определению минутного объема крови.
Следует подчеркнуть, однако, что ни сердечный выброс, ни ударный объем не дают возможности адекватно оценить функцию сердца. Значительные изменения функционального состояния сердца и различных сторон его деятельности могут, как это ни странно на первый взгляд, и не сопровождаться изменением ударного объема. Поэтому в дополнение к методикам измерения сердечного выброса необходимо применять разнообразные методы прямой оценки динамики сокращений желудочков сердца.
Некоторые из этих методов и их возможности будут разобраны ниже.
ПРИНЦИП ФИКА
Кровоток через орган можно определить в случае, если вводить в протекающую кровь какой-нибудь индикатор или определять количество вещества, выделяемого из крови, протекающей через этот орган. В случае измерения кровотока через легкие принцип Фика основан на определении объема крови, необходимого для транспорта кислорода, поглощаемого в альвеолах в течение 1 мин.
РИС. 2.15. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНУТНОГО ОБЪЕМА СЕРДЦА НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПА ФИКА.
Для вычисления минутного объема крови на основе принципа Фика необходимо одновременное определение поглощения кислорода в легких и артериовенозной разности по кислороду. Выдыхаемый воздух собирается для измерения величины поглощения кислорода, кровь извлекается из легочной артерии и пропускается через кюветны оксиметр таким образом, чтобы содержание кислорода
в смешанной венозной крови определялось по показаниям гальванометра. Содержание кислорода в артериальной крови измеряется путем взятия пробы крови из артерии. Артериовенозная разность по кислороду в миллилитрах кислорода на 100 мл крови вычисляется путем вычитания содержания кислорода в смешанной венозной крови из содержания его в артериальной крови.
Принцип метода представляется весьма простым и может быть схематически проиллюстрирован, если изобразить кислородную емкость крови в виде сосудов определенной емкости, перемещающихся на ленте конвейера (рис. 2.14).
Измерение потребления кислорода
Методика требует точного определения количества потребляемого кислорода на протяжении определяемого промежутка времени. Это можно сделать, собирая выдохнутый в спирометр воздух в точно определяемые интервалы времени и анализируя пробы воздуха в спирометре (рис. 2.15). Сравнивая содержание кислорода во всем объеме газа в спирометре с содержанием его в таком же объеме атмосферного воздуха, можно точно измерить количество поглощенного кислорода.
Величина артериовенозной разности по кислороду
Для того чтобы измерить сердечный выброс, необходимо определить объемное содержание кислорода в артериальной и венозной крови и вычислить артериовенозную разность по кислороду. Артериальная кровь в любых артериях тела имеет в норме одно и то же содержание кислорода, но для того, чтобы определить значение артериовенозной разности по кислороду, нужно исследовать количество кислорода в смешанной венозной крови. Содержание кислорода в крови той или иной вены зависит от интенсивности функций органа, от которого оттекает эта кровь.
Так, например, кровь, оттекающая от почек или кожи, обычно значительно насыщена кислородом, в то время как кровь, оттекающая от сердечной и интенсивно работающих скелетных мышц, содержит весьма малое количество этого газа. Содержание кислорода в венах других органов является промежуточным между этими двумя крайними величинами. Так как в венах существует ламинарное течение крови, то содержание кислорода в венозной крови в одном и том же сосуде может быть различным в различных участках потока. Содержание кислорода в крови верхней полой вены может значительно отличаться от содержания его в крови нижней полой вены. Два потока крови из этих вен не смешиваются даже в правом предсердии. Лишь кровь легочной артерии представляет собой более или менее смешанную венозную кровь. Поэтому лишь проба крови, взятая из легочной артерии, может дать представление о содержании кислорода в смешанной венозной крови, что необходимо для вычисления артериовенозной разности по кислороду с тем, чтобы определить сердечный выброс по методу Фика.
Катетеризация сердца. В 1929 г. Forssman [20] показал, что катетер, введенный в большие вены, может быть протолкнут в камеру правого сердца у человека (см. рис. 2.15). Cournand и сотр. [21] значительно усовершенствовали эту методику, сделали ее более безопасной и способствовали широкому внедрению этого метода в клинике.
Измерение содержания кислорода в крови. Содержание кислорода в артериальной и венозной крови может быть непосредственно измерено с помощью аппарата Ван-Слайка. Хотя это весьма трудоемкая методика, но в руках опытного специалиста она дает сравнительно точные результаты. Для быстрого определения содержания кислорода в крови пользуются фотоэлектрическим методом, который был усовершенствован и градуирован лишь благодаря параллельному использованию методики Ван-Слайка. Кровь для анализа протекает через кюветный оксиметр (см. рис..2.15), где она освещается постоянным источником света, проходящего через кровь и попадающего на фотоэлемент, который регистрирует интенсивность света одновременно в двух областях спектра: в области от 750 до 900 нм и в области от 600 до 950 нм соответственно. Эти длины волн соответствуют спектрам поглощения окисленного и восстановленного гемоглобина. Другая кювета освещается красным светом, который хорошо проводится оксигемоглобином и очень плохо — восстановленным гемоглобином. Разница между интенсивностью световых потоков, регистрируемых в этих двух участках спектра, позволяет определить абсолютный процент насыщения гемоглобина кислородом (понятно, после калибровки показаний с помощью аппарата Ван-Слайка).
Для определения содержания кислорода в крови успешно используется различная спектрофотометрическая техника. В опытных руках точность этой методики вполне достаточна, если иметь в виду к тому же и ничтожные затраты времени, которые требуют эти измерения. Использование катетеров из стекловолокна дает возможность избежать взятия проб крови для анализа, так как указанные катетеры позволяют провести пучок света непосредственно из кровяного русла к фотоэлементу, находящемуся снаружи. Такие оксиметры с катетерами из стекловолокна были разработаны Johnson и сотр. [22] и успешно использованы в клинических исследованиях. Объективное исследование сердечного выброса внесло значительный вклад в наши представления о функции сердечно-сосудистой системы. Однако поиски объективных методов исследования функции сердца не закончились с изобретением методики катетеризации сердца.
РИС. 2.16. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНУТНОГО ОБЪЕМА СЕРДЦА С ПОМОЩЬЮ МЕТОДИКИ РАЗВЕДЕНИЯ ИНДИКАТОРОВ.
- Объем жидкости, находящейся в сосуде, может быть определен после смешивания определенного количества краски и анализа пробы для определения ее концентрации в жидкости.
Б. Объем жидкости, протекающий через простую трубку, можно определить путем инъекции определенного количества краски, взятия пробы с постоянной скоростью при протекании жидкости, содержащей краску и определения средней концентрации краски в пробе.
- Гидравлическая модель, имитирующая структуру сердечно-сосудистой системы, подтверждает тот факт, что жидкость, содержащая определенную порцию индикатора, может пройти более короткий круг и начать рециркуляцию до того, как основная масса индикатора достигнет пункта, в котором берутся пробы.
Эта процедура весьма сложна для ежедневного клинического использования и малоприемлема для применения ее во время физических упражнений. Так как катетеризация сердца обычно не дает иной информации, кроме определения сердечного выброса в состоянии покоя, то возможности этого метода значительно ограничены. Правда, в некоторых случаях эта методика позволила сделать значительные шаги вперед. Это относится, в частности, к диагностике врожденных пороков сердца (см. главу XII).
ПРИНЦИП СТЮАРТА
Объем жидкости в сосуде можно определить, прибавляя известное количество краски и измеряя концентрацию ее после равномерной дисперсии ее в жидкости (рис. 2.16). Объем определяется соответственно по формуле V=A/C, где V — объем жидкости- А — количество краски, прибавленной к жидкости- С — концентрации краски в каждом кубическом сантиметре жидкости. Stewart показал, что этот метод применим и для определения объема движущейся жидкости.
Общие принципы
Способ определения объема стационарно текущей жидкости путем измерения концентрации растворенного в ней определенного количества краски весьма достоверный (см. рис. 2.16). Подобно этому объем жидкости, протекающей в системе простых трубок, может теоретически быть определен с такой же точностью путем измерения средней концентрации известного количества растворенной в жидкости краски и времени взятия проб в соответствии с формулой: V = A/c-t, где V — объемная скорость течения жидкости- А—количество краски, введенной в жидкость- С — средняя концентрация краски- t — время взятия проб (см. рис. 2.16,А). При этих условиях принцип Стюарта столь же точный, как принцип Фика. Однако условия кровообращения в организме человека более сложные, чем те, которые представлены на гидравлической модели рис. 2.16,С. Часть краски, инъецируемой в один из участков этой модели, может совершить круговорот по более короткому пути. Вследствие этого возникает рециркуляция краски еще до того, как основная масса ее достигнет более дистальных областей. Средняя концентрация краски или любого другого индикатора может быть измерена путем: 1) забора ряда проб крови в быстрой последовательности- 2) непрерывной регистрации электропроводности крови (после инъекции солевого раствора)- 3) использования оксиметра или денситометра, регистрирующего степень изменения окраски крови (после инъекции краски).
Во всех случаях концентрация индикаторов после достижения пика начинает снижаться, а затем вновь повышается вследствие рециркуляции. Если удается определить концентрацию краски при первичной циркуляции (отделив ее от концентрации, возникающей вследствие рециркуляции), то в этом случае минутный объем сердца может быть вычислен довольно точно.
При использовании этой методики на практике требуется: 1) инъекция индикатора, который может быть точно определен и который не покидает кровеносное русло от момента инъекции до момента взятия проб крови или определения концентрации- 2) взятие проб артериальной крови, которые позволяют определить среднюю концентрацию вводимого вещества во время его первичной циркуляции через артериальную систему. В качестве индикаторов используются либо краски, либо растворы солей и средняя концентрация их определяется либо с помощью взятия повторных проб, либо с помощью постоянной регистрации.
БАЛЛИСТОКАРДИОГРАФИЯ
Концепция о том, что внезапный выброс крови в одном направлении должен вызвать вследствие отдачи движение тела в другом направлении, не нова. Еще в 1877 г. Gordon [24] сравнивал баллистические силы тела с отдачей у орудия. В 1905 г. Henderson [25] использовал качающийся стол для регистрации движений тела вдоль продольной оси в случае, если пациент находился на этом столе. Изменение скорости движения крови в сердечно-сосудистой системе вызывали колебания стола во время каждого сердечного цикла. Отдача оружия при выстреле часто используется как аналогия для объяснения основных принципов баллистокардиографии. Если жестко фиксировать ружье на качающемся столе, то взрыв пороха в патроне толкает пулю в одном направлении, а ружье — в противоположном. Регистрируя движение стола в этих условиях, можно получить точную информацию о мощности взрыва и выделении энергии, если известны все другие данные. Если же мощность снаряда неизвестна и масса пули также не измерена, то определить эти величины при записи колебания стола невозможно. Анализ данных значительно осложняется, если ружье фиксировано на столе не жестко, а на смещающейся вдоль стола пластинке. В связи с тем что кровь не покидает организм, а циркулирует в замкнутой системе, величину отдачи сердца и всего тела при выбросе желудочками каждой порции крови в артериальную систему количественно определить очень трудно. Так, например, кровь, выбрасываемая из двух желудочков, движется, покидая сердце, одновременно в разных направлениях. Ее энергия передается телу при изменении направления движения. Рутинные баллистокардиографы регистрировали движение тела только в одном направлении. Одновременная регистрация движений в трех измерениях представляет значительные трудности для анализа. И, наконец, записи этого рода значительно искажаются благодаря смещениям тела на столе. Эластичность кожи действует при этом подобно пружине, расположенной между телом и столом, вызывая значительные изменения характера кривой.
Все эти существенные помехи для анализа не помешали использованию эмпирически найденных взаимоотношений между различными типами нарушений функции сердца и изменениями баллистокардиограммы. В частности, амплитуда колебаний зависит от скорости, с которой кровь покидает сердце. Изменение рисунка зубцов отражает нарушения сократительной функции сердца при выбросе крови, что может быть использовано как источник информации о характере сократительной функции сердца.
