Фазы сердечного цикла и их механическая природа
Сердечный цикл представляет собой последовательное чередование фаз систолы и диастолы предсердий и желудочков, обеспечивающее непрерывное движение крови в системе кровообращения. Механическая деятельность сердца регулируется сложным взаимодействием электрической, ионной, мышечной и гидродинамической активности. Полный сердечный цикл у взрослого человека при частоте 75 ударов в минуту длится около 0,8 секунды и условно делится на ряд фаз, различающихся по механике и гидродинамике.
Каждая из фаз имеет собственные механические характеристики и временные интервалы, сопряжённые с изменениями давления, объёма камер и направлением кровотока.
Продолжительность: ~0,1 с Механизм: сокращение миокарда предсердий Функция: завершение наполнения желудочков
Систола предсердий начинается в момент, когда потенциал действия распространяется по проводящей системе, достигая миокарда предсердий. Контракция предсердий сопровождается повышением давления в их полостях, что способствует дополнительному притоку крови в расслабленные желудочки. Механически это происходит благодаря сокращению стенок предсердий, которое вызывает перемещение объёма крови через открытые атриовентрикулярные клапаны. Объём крови, перемещаемый предсердиями, составляет около 20–30% конечного диастолического объёма желудочков.
Продолжительность: ~0,3 с Состоит из следующих фаз:
Характеристика:
Сразу после возбуждения желудочков начинается изометрическое (изоволюметрическое) сокращение: миокард напрягается, но объём крови в желудочках не изменяется, поскольку и атриовентрикулярные, и полулунные клапаны закрыты. Эта фаза характеризуется быстрым ростом внутриполостного давления, необходимого для открытия полулунных клапанов.
Разделяется на:
Физика процесса: Открытие полулунных клапанов происходит при превышении давления в желудочках над давлением в аорте и легочной артерии. Кровь выбрасывается в сосуды вначале с высокой скоростью (до 300–400 мл/с), затем её скорость снижается. Энергия, накопленная в стенках желудочков во время изометрического сокращения, преобразуется в кинетическую энергию движения крови.
Гемодинамические изменения:
Продолжительность: ~0,5 с Фазы:
После завершения изгнания давление в желудочках начинает снижаться. В этот момент ещё происходит обратный ток крови, закрывающий полулунные клапаны. Это краткий переходный этап между окончанием систолы и началом расслабления.
Характеристика:
Миокард переходит в фазу расслабления, при этом объём крови не изменяется, поскольку все клапаны вновь закрыты. Происходит пассивное снижение внутриполостного давления, пока оно не станет ниже давления в предсердиях.
Когда давление в желудочках падает ниже давления в предсердиях, атриовентрикулярные клапаны открываются. Кровь быстро поступает в расслабленные желудочки за счёт градиента давления. Скорость наполнения достигает пика, затем постепенно снижается.
Характеристика:
Повторяющаяся систола предсердий завершает диастолу, способствуя притоку дополнительного объёма крови в желудочки.
Атриовентрикулярные клапаны (митральный, трикуспидальный): Физически открываются при превышении давления в предсердиях над давлением в желудочках, и закрываются при обратном соотношении.
Полулунные клапаны (аортальный, легочной): Открываются при превышении давления в желудочках над давлением в сосудах и закрываются при попытке обратного тока крови.
Работа клапанов — пассивная, но строго зависящая от механических градиентов давления и сопротивления кровотоку. Важно отметить, что механика клапанов тесно связана с турбулентными потоками, особенно в момент их открытия и закрытия, что отражается на фонокардиограмме.
Цикл давления–объёма (P–V loop) — один из наиболее наглядных способов представить механику сердечного цикла. Он показывает изменения давления в желудочке в зависимости от объёма на протяжении одного цикла. Основные точки:
Форма кривой отражает механическую эффективность сердца, эластичность миокарда и уровень постнагрузки.
Работа сердца делится на две составляющие:
Общая работа сердца составляет около 1,3 Дж за один цикл (у взрослого человека в покое), что эквивалентно ~1,5 Вт мощности.
Механические свойства миокарда определяются:
Закон Франка-Старлинга: увеличение преднагрузки в пределах физиологических границ ведёт к усилению силы сокращения.
Регуляция осуществляется на разных уровнях:
Электрическая активность сердца предшествует механической. Потенциал действия инициирует каскад процессов:
Таким образом, механика сердечного цикла — это результат интеграции биофизических процессов на клеточном, тканевом и органном уровнях.