心脏的变时性_郭继鸿

·心电学相关概念·心脏的变时性
郭继鸿
【关键词】　心脏　变时性
[中图分类号]R540.4+1 [文献标识码]A [文章编号]1005-0272(2003)04-267-10
在很长一段时期,心脏的变时性功能仅仅是运动生理学的术语。

具有变时性功能的频率反应性起搏器的问世大大推进了心脏变时性功能的研究,并使这一概念逐渐渗透到临床心脏病和心电学领域。

目前认为,变时性是心脏电活动和心脏节律方面的一个重要功能。

一、心脏的变时性功能
1.定义
人体运动时心率升高,极量运动时能够达到的最高心率与静息心率间的差值称为心率储备(Heart rate reserve,H RR)。

人体运动时,或在各种生理及病理因素的作用下,心率能够跟随机体代谢需要的增加而适宜增加的功能称为变时性功能。

2.变时性功能的发生机制
人体运动后心率的增快通过多种机制完成,包括副交感神经活动的减弱,交感神经活动的增加,循环中儿茶酚胺水平的增加,静脉回流增加导致右心房扩张时的Bainbridge反射,骨骼肌运动对心率的调节,左室负荷降低等机制。

⑴副交感神经活动的减弱:人体开始运动后,心率在0.5s内就开始增加,心率在短时间内增加是迷走神经张力突然下降,兴奋性突然减弱的结果。

众所周知,迷走神经和交感神经共同支配心脏,并从相反的方向调节心脏的活动,适应机体的整体活动。

在心脏的双重自主神经的支配中,遵循着紧张性支配的特点,即心迷走神经和心交感神经都处于兴奋状态,都持续不断地发放紧张性冲动调节心脏,两者作用对抗后达到平衡,并反应在静息时心率。

然而,对抗后尽管达到平衡,但人体是迷走神经的王国,两者作用平衡的结果仍以迷走神经的作用占优势,这可通过经典的动物试验证实。

当静息
作者单位:100044北京大学人民医院心率90bpm时,切断心迷走神经,去除迷走神经的调节作用,心率可增快到180bpm。

相反切断心交感神经,去除交感神经的调节后,心率仅减慢到70bpm。

如果二者同时切断,心率可上升到120bpm,这些说明自主神经双重调节的最终效应是心迷走神经的作用占优势。

除调节的强度不同外,调节的速度也不相同,表现为迷走神经的调节效应快,交感神经的调节效应相对滞后。

迷走神经的结后纤维支配着窦房结、房室结和心房肌,窦房结对迷走刺激发生反应的间隔期很短,单次迷走神经刺激后的最大效应出现在刺激后的0.4s内,一般不超过0.75s。

人体运动一经开始,迷走神经的活性随即降低,迷走神经兴奋性受到抑制后的0.4～0.75s内,心率马上增快,几乎与运动开始同步发生。

⑵交感神经活动的增加:交感神经是心脏的加速神经,其结后纤维支配着整个心脏,包括窦房结、房室结、心房和心室肌。

交感神经兴奋时心率加快,心肌收缩力增强,同时传导速度加快。

与迷走神经不同,交感神经刺激后起效延迟约5s,此后心率逐渐增加达到稳态并持续20～30s。

运动后交感神经兴奋性增加的作用表现在运动几秒后心率显著上升。

在其作用显露之初心率可能出现“锯齿”效应(Saw tooth effect),这是自主神经的张力尚不稳定,发生的“震荡”现象。

运动期间交感神经的激活将启动Frank-Star-ling机制增加心输出量,适应机体代谢的需要。

低强度运动时,心输出量的增加是每搏量和心率同时增加的结果。

但是每搏量的增加受到了两个限制。

一个是依靠心肌收缩力的增加提高每搏量有一定的限度,大约只能增加原心搏量的30%～40%。

此外,当心率达到110～120bpm时,每搏量的增加将停止,这是被心率增快后心室充盈时间明显缩短等
因素抵消的结果。

此后,心输出量的增加主要依靠心率的增加。

当心率超过最大预测心率的80%以上时,心率的增加速度逐渐减慢,最后倾向于停止增加。

⑶循环中儿茶酚胺水平的增加:运动时心交感中枢兴奋,其直接对心肌起到正性的变时和变力作用,使心率增快。

此外,兴奋的交感中枢还能使肾上腺腺质的分泌增多,引起循环中儿茶酚胺浓度升高。

升高的交感胺中肾上腺素占80%,去甲肾上腺素占20%,两者都能与心肌的β受体结合,引起正性的变时和变力作用,使心肌收缩力增强,心率加快。

⑷Bainbridge反射:心血管调节中有一些非特异性心血管反射。

实验证明在许多动脉、静脉、心房及心室壁中存在压力或化学物质的感受器和传入神经的末梢,遇到相应刺激时可产生一些作用微弱的反射,朋氏(Bainbridge)反射就是其中的一种。

人体运动后,静脉回流量增多,引起右心房膨胀、扩张,进而引起右心房部位的压力感受器兴奋,并通过迷走传入神经向中枢传导,反射性引起运动后的心率增快。

由于回心血量增多,引起心房容积增大而引起这一反射,因此又称“容量反射”。

位于右心房部位的感受器也称“容量感受器”,或称低压力感受器,因其位于循环系统压力较低的部位,而颈动脉窦、主动脉弓的压力感受器则称“高压力感受器”。

⑸骨骼肌运动对心率的调节:人体运动时,全身的骨骼肌收缩,单位时间的做功增加,这将引起全身耗氧量明显增加,并与肌肉做功的增加量成正比。

同时,能量代谢储备与变时性心率储备呈线性关系,因此运动时心率明显增加。

除此,骨骼肌的运动加强,回心血量的增加,可通过朋氏反射增加心率。

运动时肌肉内血管舒张,平均动脉压下降可引起升压反射,使心率增快。

另外,长时间运动后,大量的机械能将转换为热能使体温升高,通过体温调节机制,心率将进一步升高。

可以看出,人体运动后,骨骼肌的节律性收缩可从多个方面进行变时性的调节。

⑹左心室负荷降低的调节作用:从心室肌收缩的力学角度分析,心室的收缩可能遇到两种负荷。

前负荷(preload)是指心室肌在收缩前处于某种被拉长的状态,使其具有一定的初长度,这时心室肌承受的是前负荷。

另一种为后负荷(afterload),是指心室肌开始收缩时才遇到的阻力或负荷,其不增加心室肌收缩前的初长度,却能增加心室肌纤维的张力,阻碍心室肌纤维收缩时的缩短。

体内的动脉压可以代表心脏的后负荷。

机体运动时,由于肌肉血管的舒张,使平均动脉压下降,心脏后负荷减轻。

动脉血压的下降可使颈动脉窦,主动脉弓的压力感受器反射减弱,使心率增快。

除上述因素外,还有一些其他因素也参与了心脏变时性的调节。

在这些众多因素中,似乎最后的“共同通路”是自主神经系统,但也不完全如此,象移植术后的心脏在去自主神经的情况下,仍然可在循环中高儿茶酚胺的作用下表现变时性功能。

另外,调整心脏变时性的众多因素在运动的不同阶段,在不同个体的各种情况时,其产生影响的轻重,发挥作用时间的先后都有不同。

3.运动时变时性的调节
人体运动或活动过程中的不同阶段,各种机制对变时性的调节交错发挥作用。

在运动第一阶段的准备期,就可出现心率加快、心输出量增加、动脉血压升高等反应。

这一阶段的变时性反应与受检者的条件反射、心理因素、情绪活动有关,是自主神经兴奋性改变产生的调节作用,准备期能够缩短运动后心率达峰需要的时间。

在运动第二阶段的起始期,不论准备期的调节情况如何,在运动开始的几秒内,心率和心搏量均会增加,在前3个心动周期的心搏量能比运动前提高60%,是迷走神经调节作用迅速受到抑制的结果。

随着运动的继续,心率和心输出量呈指数性增长,这与交感神经兴奋性升高直接相关,该兴奋性可在数秒内达到高峰。

在运动开始后10～45s,心率可达到最大心率的50%。

这一阶段自主神经的调节机制起主导作用,心肌收缩力增强,回心血量增多引起的容量反射,以及局部代谢产物对肌肉血管的舒张也起重要作用。

在运动第三阶段的平衡期,心血管活动达到相对的稳定状态,这一阶段,随着运动强度的升高,除上述调节机制继续起作用外,循环和呼吸的调节机制对变时性功能的调节作用更为明显,此时心率储备的升高决定于代谢储备百分数的增高,决定于耗氧量的多少。

在运动的持续期,代谢率的提高已使体温逐渐升高,随运动的延续心率会进一步缓慢升高,并逐渐达到预测最大心率。

在心率储备的百分数逐渐增高的过程中,初期是每搏量与心率两个因素的共同作用,进入中期心率达110～120bpm时,每搏量的增加将被心率的进一步增快而抵消,因此这一因素在心输出量进一步增加中不起作用,每搏量甚至可能相对下降。

此后,
心率的持续增加,保证了心输出量的不断增加,当心率达到预测最大心率的80%以上后,心率的增加将逐渐饱和,心输出量相应也不再增加。

机体运动停止后,心率从运动时的高水平急剧回降,这一过程中迷走神经活性的恢复是心率下降的主要决定因素,而且这一机制独立于年龄和运动强度。

运动员的迷走神经张力相对高,因此运动后心率恢复较快,而心力衰竭患者的交感神经处于长期激活状态,因此运动后心率恢复迟缓。

注射阿托品阻断迷走神经后,停止运动后心率可以完全不恢复。

运动达峰时的心率与运动停止后1、2、3min 时心率的差值称为心率恢复值,该值的中位数为30bpm ,心率恢复值≤18bpm 时为异常,提示迷走神经的活性降低,是预测死亡的独立危险因素。

老年人、妇女和服用β受体阻滞剂者心率恢复值下降。

除自主神经,特别是迷走神经的活性恢复对运动后心率调整外,肌肉的传入冲动减少或停止也能迅速引起运动后心率的回降。

又因体液因素、肾上腺素、乳酸等在血液中的清除速度较慢,故在运动后心率恢复的第二阶段,心率以较慢的速度继续回降。

一般情况下,轻到中等度的运动后,心率在几分钟内即可恢复到运动前水平。

运动时和运动停止后正常心率变化曲线见图1。

应当指出,心脏的变时性功能是否正常不仅与运动时心率能否达到最大预测心率值相关,也与心率变化曲线的形态相关。

图1.变时性正常者运动时心率变化曲线的示意图
4.变时性功能的检测方法
变时性功能最重要的检测方法是运动试验,其能检测各种级别运动量的变时性功能,除能做出“定性”判断外,还可以做定量分析。

除运动试验外,还可应用动态心电图检测对受检者变时性功能做一般性评估。

⑴运动试验:运动负荷试验是一种冠心病无创性检查,观察心脏负荷增加的情况下能否诱发心肌
缺血的症状(心绞痛)和缺血的心电图表现(ST 段下移),目前国内尚未将运动试验用于检测心脏的变时性功能。

1)运动的形式:多种形式的运动试验可用于变时性功能的检测。

在北美,用于变时性功能检测最多的仍然是活动平板运动试验,大部分受检者在2min 左右达到稳态心率,并在15～20min 内完成整个检测。

检测中如果允许受试者在运动时抓住前面的扶杆或旁边的扶手时,在运动的相同阶段要比没有支持下完成试验的摄氧量和心率降低,负荷量还可能被错误地高估。

在欧洲,更常用自行车测力计的运动试验,其优点是心电图记录的干扰小,缺点是负荷量容易出现“跳跃”式增加,无充分的“温醒”过程。

应用自行车测力计试验时受检者运动后心率常能达到最大预测心率的65%～70%。

显然,在做变时性评价时踏车试验不如活动平板运动试验。

此外,医师还可选用一些非正式的运动试验,如原地步行、原地下蹲、反复爬楼梯等。

这些简易的运动试验尚缺少统一的判定标准,缺少心电监护,不能连续打印资料等。

2)检测时的运动方案:有多种方案可用于检测变时性功能,医生可根据病人的年龄、性别、平素有否体育锻炼等情况选择不同的方案。

目前很多研究者设计了专用于评价变时性功能的运动试验方案,例如Blackburn 提出的CAEP (chronotropic assess -ment exercise protocol )方案。

这一检测方案可以得到静息和极量运动之间不同心率的多个数据点,能够分析静息、次极量、极量运动时的反应,有利于全面评价变时性功能。

德国慕尼黑的学者Lehmann 提出的方案更适用于评价有基础心脏病或躯体缺陷患者的变时性功能。

⑵动态心电图监测:24小时动态心电图可用于变时性功能的一般性评价,通过全天的平均心率、最小均值及最大心率等,并结合病人的年龄、性别、
运动训练情况做出初步判断。

但是动态心电图记录的运动和活动属于轻～中等量的活动,常常达不到
亚极量的运动水平。

此外,动态心电图的24小时检测期间患者运动的形式和强度不易标准化,因此会出现较高的假阳性或假阴性。

有研究者进行了运动试验和动态心电图评估变时性功能的对比研究,发现动态心电图的评价有一定比例的误判。

因此,动态心电图只能做为变时性功能的初步评估手段,而不宜做为常规方法推广应用。

但是否可将动态心电
图检测与一定的运动形式相结合,创立一种新的变时性功能的检测方法,尚需深入思索与研究。

5.正常变时性功能的判定标准
正常变时性功能的判定标准很多,虽然不同的
标准之间存在着较大的差异,但对临床医生都有一定的参考价值。

⑴最大预测心率:Astrand 和Rhyming 在1950s 年代提出,最大的变时性反应与年龄有关,不同年龄的受试者应当达到的最大预测心率值见表1。

其计算公式可简化为:220-年龄(岁)。

当受试者运动后心率达到最大心率的90%以上时,则认为其变时性功能正常。

表1　国内外应用的运动后最大预测心率值
年龄(岁)
20
25303540455055606570美国　预测最大心率197195
9391189187184182180178176 85%最大心率167166164162161160156155153151150
中国　预测最大心率200194188182176171165159153 85%最大心率
170
165
160
155
150
145
140
135
130
⑵变时性指数:应用能否达到最大预测心率的百分数评估变时性功能的方法受到了年龄、静息心率及身体状况等因素的影响。

为此,Wilkoff 提出了应用变时性指数评价心脏变时性功能的方法。

变时性指数考虑了患者的年龄、静息心率和峰值心率的影响,并应用了心率储备和代谢储备间稳定的,斜率几乎为1的线性关系,而进行变时性功能的评定。

心率储备的定义与前述相同,代谢储备定义为能达到的最大运动负荷和静息负荷间的差值。

变时性指数等于心率储备与代谢储备的比值,正常值大约为1,正常值范围为0.8～1.3。

其中,心率储备=(运动后心率—静息心率)/(最大预测心率—静息心率),代谢储备=(运动后代谢值—1)/(极量运动的代谢值—1)。

当变时性指数<0.8时为变时性功能不全,当变时性指数>1.3时为变时性功能过度(图2)。

图2.正常变时性指数范围示意图图中三条曲线均为代谢-变时关系曲线,斜率分别为1.3(左)、1.0(中)和0.8(右)。

斜率为1.0的曲线为标准的正常代谢—变时关系曲线,斜率为1.3和0.8的两条曲线之间代表变时性指数正常值的95%可信区间范围。

当受试者的代谢-变时关系曲线的斜率位于此区时其变时性正常
⑶运动后心率值:当运动后心率值>120bpm ,则可简捷地判定受试者变时性功能正常。

这一判定标准尤其适用于非正式、简易运动试验的结果判定,
或用于24小时动态心电图对变时性功能的判定。

⑷运动后心率增高值:对于非正式运动试验方法的结果进行判定时,有人提出,当运动后心率比运动前提高30bpm 以上时,提示受试者变时性功能正常,但检测中应当达到的运动量缺乏严格的定义。

6.变时性功能检测的评价
⑴变时性功能是心脏重要的功能之一,其不仅与受检者可能存在的多种疾病有关,也和受检者的运动耐量、心功能密切相关。

当某些疾病,如冠心病、病窦综合征患者合并变时性功能不良时,将使原发心脏病的严重程度加重。

因此,及时了解和评价变时性功能有重要的临床意义。

⑵变时性功能结果的判定需将运动后心率达标的情况与心率反应曲线结合考虑,当心率确实达标,而心率的反应曲线异常时,应密切结合临床资料进行判断。

⑶变时性功能测定的结果多数重复性好,少数病例的重复性差,可能与受检者变时性功能发生急剧改变有关,也可能与受检者不同时间的状态不同相关。

⑷经运动试验或动态心电图测定变时性功能的工作在国内几乎为空白。

应当逐步推广,逐步应用。

二、心脏变时性功能不良
1918年,Bousfield 最早描述了运动时心电图改变的现象,10年后Feil 等证明运动不仅可以引起心绞痛,还能引起ST 段的改变。

1955年Master 创用二阶梯运动试验,1956年Bruc e 创用平板运动负荷试验,
用来诱发冠心病患者冠脉供血不足和心肌缺血。

1970s 初期,Ellestad 医生为一名51岁的患者做运动试验,患者曾是运动员,运动耐力良好,运动试验中未诱发ST 段的压低和胸痛,而最大心率只达到110bpm 。

此后不久,患者发生了猝死,尸检证实其前降支和回旋支都有80%的狭窄。

这一事件促使Ellestad 医生回顾分析了过去的2700例患者的运动试验资料,结果发现运动试验时心率升高幅度低的患者比那些诱发了缺血性ST 段压低的患者发生心脏事件的危险更高,Ellestad 称其为“不良性心动过缓”。

1974年,他在撰写论文时,发现1972年Hinkle 已经报道了一组类似病例,Hinkle 把这一临床综合征命名为“持续性相对性心动过缓”(sus -tained relative brady cardia )。

Hinkle 报告了301例患者7年随访的结果,即运动后心率不能达到预测值者,心血管事件明显增多(图3)。

Ellestad 在论文准备寄出前的一分钟,决定把这种现象命名为“变时功能不良”(chro notropic incompetence )。

图3.变时功能不良的冠心病患者预后差本图图示冠心病患者伴变时性正常组与不全组在随访期间冠脉事件的发生率。

变时性不全组冠脉事件(心绞痛、心肌梗死、猝死)的发生率明显增加
随后Rubinstein 发现,自主神经功能不良的病窦综合征患者运动时心率常有递增不良的现象;Eckberg 发现心脏病患者迷走神经的作用下降;并发现变时功妮不良是严重冠心病患者的间接表现。

无疑,这些研究的结果令人着迷,也激发了众多的研究者深入研究变时性不良现象的热情。

1.心脏变时性不良的定义
心脏变时功能不良的概念正在不断扩展。

经典的概念认为,人体运动时或在各种生理和病理因素的作用下,心率不能随着机体代谢需要的增加而增加,并达到一定程度时称为心脏变时功能不全。

此
后,变时性功能不良的经典概念扩展为:从静息到极量运动,只要心率达不到机体的代谢需要都可视为变时性不良。

近几年,随着心脏病学和心脏电生理学的进展
发现,心脏的变时性不良还可表现为变时功能过度(本文暂命名),即心率增快的反应超过了运动时机体的代谢需要,运动后的心率高于预测最大心率,这种过度的变时性反应在临床并非少见。

因此,目前对心脏变时性不良的定义可以概括为:心率对机体代谢的需要发生了不适当性变化称为心脏变时性不良。

2.变时性功能不良的分类
根据上述扩展后的定义,变时性功能不良可进一步分为:①变时性不全,②变时性过度,二者都应视为变时性功能不良或称变时性异常。

我们认为这种分类便于理解,便于记忆,便于应用。

运动时心率变化曲线主要有3种类型。

⑴运动早期变时功能不全型:该型是指运动早期心脏变时性功能不全,该阶段心率的增长明显低于正常,使患者可能发生疲劳,甚至出现呼吸困难。

但经过一定时间的运动热身后,“温醒”的心率逐步可达到预测最大心率值,并能够完成长时间的运动,而且运动停止后心率的下降与正常无异,该型运动的心率曲线示意图见图4。

图4.运动早期变时功能不全型心率曲线
图5.运动后期变时功能不全型的心率曲线
⑵运动后期变时功能不全型:本型是指运动早期变时功能完全正常,但在运动后期出现变时功能不全(图5)。

⑶停止运动后心率速降型:顾名思义,该型是
指运动时变时功能正常,但在停止运动后,代谢需求下降时,心率骤然下降,并在较短的时间内降回到运动前水平(图6)。

如前所述,运动后心率恢复值过高时,提示受试者的迷走神经张力较高。

图6.停止运动后心率速降型曲线
3.变时性功能不良的发病率
因变时性功能不良尚缺乏统一明确的诊断标准,因此普通人群中变时性不良的流行病学研究几乎为零。

文献中对病态窦房结综合征患者变时性不良发生率的研究较多。

Rickards 的资料表明,需要植入永久起搏器的患者中,约55%的人存在变时性功能不良而应植入有变时功能的频率反应式起搏器,相反也有相当数量的病窦患者的变时性功能正常(图7)。

Rosenqvist 的研究认为,如果以运动后心率<120bpm 为变时性不良的判断标准,则病窦患者中平均40%(28%～50%)伴有变时性不良。

而另一项研究中,以运动后心率达不到最大预测心率的80%作为判定标准时,则病窦患者合并变时性功能不良的发生率为58%。

这些研究的结果一致表明,病窦和需要植入起搏器的患者中,变时性功能不良的发生率很高。

可以认为,绝大多数病窦和需要植入起搏器的患者需要植入频率反应式起搏器。

图7.病态窦房结综合征患者伴变时功能正常　A :病窦患者存在严重的窦缓及窦性停搏　B :运动后窦率可达167bpm ,变时功能正常
对心房颤动患者房室结变时性反应的研究表
明,心房颤动患者变时性功能正常者仅为少数,而变时性功能不良的房颤患者中,变时功能过度的发生率远远高于变时性功能不全的发生率。

而冠心病多支病变的患者、心力衰竭的患者、心脏移植的患者,以及服用抗心律失常药物的老年患者中,变时性功能不良的发生率很高。

4.心脏变时性不良的诊断标准
诊断和评价心脏变时性功能不全的标准多而不统一,但大体分成3种。

第一种标准是和预测最大心率值比较。

这一标准认为,预测最大心率值为(220-年龄)bpm ,当运动后最高心率<90%的预测最大心率值时为变时性功能不全(Bruce ,1980年);当运动后最高心率值<75%的预测最大心率值时为明显的变时性功能不全。

也有的作者提出,运动后最高心率<80%的预测最大心率值时为变时性功能
不全。

第二种标准根据运动后达到的最大心率值进行判定。

当运动后最高心率<120bpm 时为变时性功能不全(M cNeer ,1978年),<110bpm 时为明显的变时性功能不全(Simonsen ,1987年),<100bpm 时为严重的变时性功能不全(Sutton ,1990年;Dreifus ,1991年)。

目前认为,动态心电图记录时患者仅有轻到中等量的活动,而运动试验的运动量比较强。

因此,动态心电图检查的患者,按医生的要求进行了一定量的运动后,记录的24小时最高心率<100bpm 时,应考虑患者存在变时性功能不全。

第三种标准根据变时性指数判定,当变时性指数<0.8时为变时性不全。

目前,诊断和评价变时功能过度的标准研究尚少。

运动试验中,运动后的最高心率明显超过预测最高心率值的100%时,则认为受试者存在变时性。