第一章 歷史與發展
血流動力學(hemodynamics)是研究血液及其組成成分在機體內運動特點和規律性的科學。臨床上通常應用對血流動力學指標的監測來揭示機體的生理或病理改變,了解病情的發展過程。近年來,隨著醫學研究的逐漸深入,血流動力學已經在臨床治療方向的判定、方法的選擇、程度的控制等方面起到越來越重要的作用。
根據血流動力學的理論,不僅可以研究血液流動過程中的特點,而且可以發現機體在不同條件下血流運動、組織灌注和物質交換的變化規律。像液體在一個密閉管道系統中的運動,血液在循環系統中的運動也同樣受到作用力、容積和流量等流體力學基本因素的影響。但循環系統同時又具有超出一般流體力學的獨到的特征,如:作為動力源的心肌功能與容量與阻力之間的相互影響、血管的通透性變化與管腔內外物質交換功能、神經體液因素對循環系統的反饋性調節、肺循環與體循環的不同結構特點等。將循環系統的這些特點在流體力學的基礎上統一起來,就構成了今天的血流動力學。
血流動力學治療(hemodynamic therapy)正是這些特點和規律與臨床治療的結合與統一,包括了對血流動力學指標及其相互關系連續與動態的判定、治療開始與目標的評估、治療程度的調控和局部治療結果對整體治療方案的影響等方面的內容。從發展的歷史上不難看出,血流動力學從概念的產生、方法學的成熟和從臨床監測到臨床治療的過程。今天的血流動力學研究已經遠遠突破了傳統的內涵,正在向更新的高度發展。
提到今天的血流動力學監測,往往讓人想起一系列復雜的儀器設備。通過這些儀器,人們可以得到常規臨床檢查無法得到的參數。參數所涉及的方面越多,人們對血流動力學的理解也就越完整。或者說,每一個血流動力學參數(如果測量準確)都應具有自身的實際意義。從歷史發展的角度不難發現,幾乎每個參數的發現和測量都標志著人們對血流動力學探索和理解的逐步深入。
當年,隨著解剖工作的開展,人們逐步發現了心臟及血管的大致構成,及血液流動的現象。Harvey有趣地發現,如果心臟每次搏動射出1~2打蘭(古希臘計量單位)的血液,如此計算下來,半小時內心臟的射血量就會超過整個機體可以含有血液的總量。機體應該不能在如此短的時間內制造出如此多的血液。最大的可能是血液又回到心臟,重新參加心臟的射血過程。由此,血液的循環狀態開始被發現,并開始認識到,血液的主要功能是作為載體,循環于組織器官之間,運送機體所需要的營養物質。自Harvey提出血液循環概念之后,靜脈回流的問題又開始困擾這些研究者們。血液如何回到右心?靜脈回流與呼吸運動又有何關系?不同的研究者提出不同的意見并試圖通過實驗證明自己的見解。Barry首先發現胸腔內壓隨呼吸運動發生變化,并對靜脈回流產生影響。他經馬的頸內靜脈向心臟插入導管,將導管與一些螺旋形的導管相連接。在這些螺旋導管中充滿普魯士藍之后,可以清楚地發現普魯士藍在吸氣時向胸腔內運動。如果將金屬導管插入胸膜腔,用同樣的方法,也可以發現普魯士藍隨呼吸周期運動。根據這些工作,Barry提出,吸氣時胸腔內的所有腔隙呈負壓狀態,導致心臟及周圍大血管產生對外的抽吸作用。除了呼吸周期對靜脈回流的影響,心臟瓣膜和靜脈瓣膜的功能也逐漸被認識。這些瓣膜不僅保證了靜脈回流血液的單方向運動,而且協助心臟各腔室內的壓力隨著心臟搏動發生周期性變化。這些發現使人們對靜脈回流機制的理解逐漸完整。
對靜脈回流的理解更增加了人們對動脈血流研究的渴望。英國生理學家Stephen Hales曾認為,血液在心臟收縮力的作用下,以加速狀態在動脈中運動,從中心大動脈一直到外周細小的動脈都保持著大致相同的運動速度。但在直徑不同的血管內,血流運動的特點應該不盡相同。他試圖研究大動脈和小動脈內血流的不同特點。他在實驗中,首先暴露狗的腸系膜血管。從腹主動脈灌入溫水稀釋后的血液,可以看到稀釋后的血液通過無數細小的毛細血管緩慢地流入腸系膜。但用同樣的方法觀察腸壁血管,則發現血流的速度要快的多。由此他提出,血液循環的阻力主要來源于小血管。外周循環的阻力受到多種因素的影響:溫水可以加速小血管內的血流速度,而白蘭地收縮腸道的小動脈。Stephen Hales更著名的工作是他在1733年報道了對動脈血壓直接測量的結果。他將一節銅管作為穿刺導管置入馬的頸總動脈,用鵝的氣管將銅管與一根較長的玻璃管相連。結果發現,動脈的血液可以將玻璃管內的水柱推升至9英尺(1英尺=0.3048米)以上。
曾經有學者認為,肺是機體能量代謝及產生熱量的主要器官。1844年,法國生理學家Claude Bernard為此做了一系列實驗研究。他經過頸總動脈將溫度計放入馬的左心室,同時通過頸內靜脈將另一個溫度計放入右心室。結果發現,右心室內的血液溫度略高于左心室。從而提示機體能量代謝的主要場所在周身組織,而不是在肺臟。在這些實驗研究的基礎上,1870年,德國數學家和生理學家Adolph Fick證明了應用氧代謝相關指標計算心輸出量的公式,也就是至今仍在應用的計算心輸出量的Fick方法。
在活人體上直接進行參數測量是血流動力學發展中遇到的重大挑戰。1929年,一位名叫Forssmann的德國醫師經左肘前靜脈將導管插入自己的右心房,打開了心臟內置管,直接測量參數的大門。Forssmann自醫學院畢業后,到柏林郊外的一家社區醫院做外科實習醫師。他當時設想,如果有方法將復蘇藥物直接注入心臟腔室內比注入心肌內應該更為安全。Forssmann的實驗很快遭到院長的禁止。理由是,德國的學術界不允許在社區醫院進行如此的實驗;另一方面是將導管置入心臟被認為有著巨大的危險。但Forssmann仍然堅持自己的研究。他先在尸體上進行導管的置入,熟悉靜脈切開置管的方法和感受逐步送入導管的過程。之后,他決定在自己身上置入導管。第一次置管由助手進行肘前靜脈切開,送入導管。但當導管送入35cm后,助手感到害怕。雖然Forssmann沒有任何不適感覺,但助手拒絕繼續置管。第一次實驗就這樣失敗了。一周后,在一個安靜的下午,Forssmann再次進行研究,這次他自己切開左肘前靜脈并將導管置入65cm。在護士的幫助下,他走到放射科,X線證實導管位于右心房。這項工作為之后心臟導管的開展奠定了基礎。Forssmann也因此獲得了1956年度諾貝爾醫學和生理學獎。
右心導管的成功置入大大地激勵了人們對血流動力學參數測量方法探索的興趣和信心。許多單位開展了相關的實驗研究,并逐步將右心導管應用于臨床。在直接測量右心壓力的同時,右心導管開始被用于獲得右心房的血標本,使得人們可以直接應用Fick公式計算心輸出量,由此,血流動力學監測已經具備了壓力和流量兩個基本方面的參數,可以使血流動力學開始涉及對肺功能和心肺相互作用的研究。這些進展,更加激發了人們對左心參數探索的渴望。左心導管的開展走過了更加曲折的道路。人們進行了多種嘗試,包括,直接心室穿刺置管、胸腹主動脈穿刺逆行置管、室間隔穿刺置管、經支氣管穿刺置管,甚至脊柱旁后位直接穿刺置管等方法。這些方法都明確地顯示了左心導管的特殊困難和更大的危險性。Henry Zimmerman等人首先報道了在人體進行左心置管的工作。他們采用左尺動脈切開的方法,計劃逆行將導管送入心臟。但在為5位正常人置管時,導管無法通過主動脈瓣。Zimmerman分析認為,正常的主動脈瓣是為了防止血液的反流,所以阻擋了導管的通過。之后,他們在為11名梅毒性主動脈關閉不全患者的置管,全部進入左心室。然而,在為一名風濕性心瓣膜病患者置管時發生室顫。雖經開胸心臟按摩,但患者仍然死亡。可以看出,左心置管的特殊性和高危險性,從一開始就受到人們的重視。經過反復堅持不懈的研究,直到1950年以后,右心和左心置管逐漸成為臨床上的規范操作。
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