心脏的工程性研究

除代谢系统、神经系统、内分泌系统及免疫系统外，其余生理功能诸如运动、视觉及听觉等等都是颇具“工程性”的，因此20世纪50年代工程学便介入到医学领域，产生了医学工程的边缘学科[1]，该学科内容极广，并随着科技发展而不断扩大。

人体最重要的器官心脏可以说是工程性器官之最，因为它的基本功能比较单一，就像一水泵。本文即从此视角，对心脏的功能作些探讨，以期为临床医务工作者拓宽专业面、提高学术水平，为医学工程科研工作者和用工程方法治疗心脏病的研究者提供理论支持。

1 血液循环系统的工程性思考

生物起源于海洋，可以说陆上动物的祖先是鱼类，大多数鱼的血液流动是单循环的[2]，它的流程可表示为图1。

图1 鱼的血液循环

其中心房、心室构成了一个“泵”，驱动血液在体内流动，此泵要克服鱼鳃和全身血管的阻力，因此心脏的负担是很重的。进化到人后，血液循环看起来复杂得多，但从流程图上看与鱼类并无本质的差别，无非是在鳃（对于人就是肺）与体动脉间多一个“泵”而已，如图2。

图2 人的血液循环

现今把肺后方的称为左心房、左心室，肺前方的称为右心房、右心室，工程上可理解为左泵与右泵。增加左泵的目的无非为分担右泵的负担。从图2不难看出，人的血液循环系统虽比鱼多一个泵，但整个循环依然只有一个圈，因此依然是单循环的。在医学界，传统中将“心→肺→心”的那段称为“肺循环”，“心→体→心”的那段称为“体循环”，于是把人的血液循环称为双循环系统。作者认为这种说法从器官的角度来看似乎是对的，但从工程角度则值得推敲：因为所谓“循环”是指在一个封闭路径中的流动，图2可见，人体的血液依然仅是在一个封闭路径中的流动，因此不能说是双循环；至于所谓的“肺循环”与“体循环”实际上都并不存在一个封闭路径，严格说不能称之为循环。鉴于这种说法沿用已久，无更改必要，本文也仍采用，但对医学工程研究者宜澄清此概念；考虑到循环亦有流通之意，可见若把“体循环”与“肺循环”理解成“体径流动”与“肺径流动”概念上方才正确，关键是要认识到血液循环系统是由两个“路径”串起来的，用工程语言说即“体径流动”与“肺径流动”是串联着的—也即是左泵与右泵是串联着的。后文将看到，明确两个系统串联、并联的概念在解释、理解心脏功能中的重要性。

2 心脏结构与功能的工程性解释

2.1 心房收缩功能的意义

心脏的结构与功能上有诸多奥妙，离开工程视角可说无从解释，例如：图1中可见，鱼类的心室前虽然也有个“心房”，但它只是个腔壁很薄的血液贮存室，并不具有收缩功能[3]，因此谈不上是真正意义上的心房，为什么进化到人，心室前的心房会发展成具有收缩功能了呢？从工程视角就不难回答了。

心脏是脉冲压缩，要求瞬时产生很大的脉冲压力。一般来说这并不难，只要心室有足够的收缩力即可，难的是如何能让心室在舒张的极短时间内就能充满血液，否则无论心室的收缩力有多强，对于一个并不十分充盈的心室仍然提高不了它的射血分数，大自然最巧妙的设计莫过于在心室前有一个具收缩功能的心房。

具体地以左心房与左心室为例，如果心室前没有心房，左心室中的血液只能靠它舒张时的零点几秒内从肺静脉中直接注入，显然是较难充盈的。如今有了一个具收缩功能的心房，情况就不同了，这个心房一方面像鱼类一样起着对来自肺静脉血液的贮存作用，更重要的是心房具有的收缩功能，而且与心室是先后收缩的，心房收缩时，心室在舒张，左心房收缩产生的正压配合左心室舒张产生的相对负压，在一推一拉的作用下，心房中的血液便能很顺利地将心室充满。紧接着（约0.2 s）[4]是心室收缩，由于左心房与左心室中的二尖瓣是单向阀，不能回流，左心室内满满的血液就能在瞬时有力地注入主动脉。可见心脏的这种心房、心室先后收缩的行为正是为了确保泵血效率的最大化，很像工程上的两级压缩。

2.2 为何左泵中的房室瓣是二尖瓣，而右泵中则是三尖瓣？

工程解释如下：

前已指出，体循环与肺循环是串联的，因此通过左泵与右泵的血液流量一定相等，但流速不一定相等，由于体循环所经路程比肺循环的长得多，阻力大得多，因此体循环后进入右泵的流速比肺循环后进入左泵的流速一定要小，文献[5]指出，在右房室瓣处的峰值流速是0.5 m/s，而左房室瓣处的峰值流速则是0.9 m/s。据流体力学，流量=流速×管截面积，为维持相同的流量，右房室的流速小了右房室瓣门的截面积必须比左房室瓣门的截面积要大，面积大了仍用二瓣结构将难以关闭完全，大自然很巧妙地将右房室瓣进化成三瓣结构，这就是左右房室瓣膜不相同的物理原 因。

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