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心不全について私が知るすべてを話すブログ

PVループ(6)

最後に心臓の仕事量に関してです。

心臓は酸素やエネルギーを消費して、血液に対して仕事をして、血液にエネルギーを与えて循環させます。

 

平均血圧と心拍出量をかけた値が心臓が行った仕事として評価されることがありますが、これは外的仕事といって、心臓が仕事をして血液にエネルギーを与えたということになります。実はもう一つ内的仕事といって、心臓自体も抵抗があるので、そこに対して仕事をする必要もあります。PVループで、この外的仕事と内的仕事を表現することができます。

 

まず、PVループのループ自体の面積が外的仕事に相当します。
先に述べたように、外的使途後を求めるのに、平均血圧と1回心拍出量を掛け算しているのは、PVループを長方形と近似して計算していることになります。

横軸は心拍出量なのでそのままですが、縦軸の血圧で、大動脈弁が閉まるときの血圧は平均血圧で近似できるとされていますので、長方形として面積を計算すると、おおよそPVループの断面積と近似することができます。
(収縮期の上の部分と、拡張機能曲線の下の部分を相殺させる感じになります)

 

ただ、心臓の酸素消費量から推測される仕事量は外的仕事量だけではなく、他にもあることは以前からわかっていました。これが先に述べたように内的仕事といって、心臓そのものを動かすためのエネルギーということになります。血液に与えるエネルギーだけではなく、もちろん心臓そのものが動くだけでエネルギーがいります。心臓を含めた生体自体は、かなり効率のいい機関ですが、さすがに心臓が消費するエネルギーが外的エネルギーだけではすみません。
それをどのように表現されるかというと、PVループの収縮特性の直線であるESPVRと拡張特性のEDPVRの交点と等容収縮の直線で囲まれた部分になります。これが内的仕事量といって、心臓そのものが血液にエネルギーを与える以外に消費するエネルギーとなります。

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この内と外を合わせたものが、心臓が行うすべての仕事の結果となります。

 

大きい心臓と小さい心臓では、同じだけの平均血圧で同じだけの心拍出量を出していると、外的エネルギーはほぼ同じですが、容積が大きければ大きいほど内的仕事量が大きくなっていきますので、心臓の負担が多くなるということになります。

仕事の効率で行くとPVループは、左側にあるほうが、良い効率で動けているということになります。

 

PVループ(5)

PVループでは、心筋の拡張性の違いによって同じ左室拡張末期容積でも、拡張末期圧が異なることもわかります。
特に拡張機能がことさら悪い拘束型心筋症ではこれが顕著になります。

正常な拡張特性と高度に障害された拘束型心筋症の拡張機能曲線をイメージするとしたら下のようになります。

これで、同じ拡張末期容積でも、大きく圧が違うことがイメージできます。

心不全のうっ血による症状は、拡張末期圧できまりますので、少しの容積変化で圧が上がりやすいとうっ血の症状が出やすくなります。

 


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Afterload mismatch(後負荷不適合)もイメージしやすくなります。

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拡張機能が悪い心臓に対して、後負荷が急激に上昇すると、カップリングポイントは上の図のように動きます。すると収縮末期容積が大きくなります。

一回心拍出量が変化なければ、心拍出量が維持されたままループは右へ移動します。

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すると大きく拡張末期圧が上がっていることがわかります。

 

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さらに後負荷が増大したとすると、本来なら1回拍出量を維持するために、ループは心拍出量を維持しながら右に移動しますが、あまりにも拡張末期圧が高くなると、それに対して血液を押し込む心房圧を作れなくなります。

心房圧があげれなくなると、本来確保される1回心拍出量よりも少ない心拍出量しか維持できなくなります。

上の図では、実線の分だけ心拍出量を維持したいにもかかわらず、点線分の心拍出量に減少してしまいます。

この現象をAfterload mismatchといいます。

 

時折、血圧が上昇して、Afterload mismatchで肺うっ血が起こったという方がいますが、これは間違いです。後負荷が上がって、拡張末期圧が上がって、肺うっ血が起こるのは、mismatchではなく、不全心にとっては、普通のことだといえます。

血圧が上がっているときに、1回心拍出量が減少する事象をとらえたら、それがAfterload mismatchです。

 

しかし、実際の臨床ではこのような時には、うっ血や肺水腫でかなり息苦しかったりして、結構心拍数が上がっていますので、1回心拍出量が下がっているからといって、afterload mismatchかどうかはわかりません。

そのため、実臨床では、血圧(≒後負荷)が上がっていて、低潅流所見が出現したときに、afterload mismatchであるということが一般的だと思います。

 

 

 

 

 

 

PVループ(4)

PVループを使うと、左室に対して後負荷や収縮性が変化したときに、前負荷を含めた3つの関係がどのように変化するのかを観察することができます。

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ドブタミンやミルリノンを使用すると、心臓と血管に作用して、心臓の収縮性を増強し、血管を拡張させて後負荷を軽減させます。これによって、前負荷が低下し、拡張末期圧が低下することが図から理解することができます。
 
強心薬によっても拡張機能特性は変化しないために、拡張機能曲線(EDPVR)はそのままです。
収縮特性は上がるので、傾きが大きくなります。
血管拡張のため後負荷の下がるので、後負荷の傾きは低下します。
 
収縮特性と後負荷の傾きが変化するので、交点が左方向(X座標が小さい方向)に動きます。つまり、収縮末期容積が低下します。
必要な1回心拍出量が増加しなければ、そのまま拡張末期容積が低下し、拡張末期圧が低下しますので、うっ血の症状も改善します。
 

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収縮特性の大動脈弁が閉じた時の血圧に関しては、平均血圧で近似できるといわれています。
 
強心薬を投与しても、血圧は下がることは少なく、臨床で使用する少量であれば、あまり変わらないということが多いかと思います。
血圧が変わらず(縦軸の変化量)、1回心拍出量(横軸の変化量)が変わらないということは、後負荷を示す直線の傾きが変わらないということになり、後負荷は変わらないということになります。つまり、強心薬投与後の定常状態で、心拍出量と平均血圧の2つが変化なければ、いったん低下した後負荷も理論上は元に戻ったということになります。
強心薬の投与によって、1回心拍出量が増えていれば、傾きは小さくなるので、後負荷は低下するということになります。つまり、1回心拍出量が増えた分だけ後負荷は低下しているということになります。

PVループ(3)

本来PVループは、コンダクタンスカテーテルという特殊なカテーテルを用いて、左室の容積と圧を測定し、図としたものです。
安静時の心室の状態をコンダクタンスカテーテルを用いて測定し、PVループを描きます。そのうえで、強心薬で収縮特性を変化させたり、前負荷を変化させていったりすることで、ループを変化させ、その変化を観察することにより心筋の特性を理解しようとするのがPVループということになります。

例えば、前負荷を変化させて複数のループを描くと大動脈弁が閉まるときの点の変化が直線になることがわかりました。

さらに、強心薬などに反応してその直線の傾きが変化し、それが収縮特性を表現することがわかりました。

また、EDVの等容拡張を示す直線とX軸が交わる点と、ESPVRとPVループの接点を結ぶ交点(Ea)が後負荷の指標となることがわかりました。

また、この図から心臓が動くときのエネルギー消費の中で、内的エネルギーと外的エネルギーを示すこともわかりました。

これがPVループだと思います。

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ただ、ここで私がまずお話ししようとしているのは、この本来の順番とは異なり、PVループを使って心機能を理解するのに、すでにあるPVループをどの順に理解すればいいかということになります。

 

PVループでは、固定した曲線となる拡張特性を示す拡張機能曲線(EDPVR)を意識するとお話ししました。

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次に注目する点は、私がカップリングポイントと呼んでいる心臓の収縮特性の指標であるESPVRと後負荷の指標であるEaという直線の交点になります。

心臓の収縮特性は、直線となります。その直線の傾きが収縮の良さとなります。この収縮特性と後負荷を表すEaという直線の交点をカップリングポイントと私は呼んでいます。

また、この時の容積が収縮末期容積となります。

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スターリングの時代から後負荷を増加させれば収縮末期容積は増加するということが観察されていました。PVループでは、後負荷の指標であるEaの傾きが大きくなると、収縮特性の指標であるESPVRとの交点は右にうごきます。つまり、収縮末期容積は大きくなります。後負荷が大きくなれば、収縮末期容積が大きくなることが説明できるようになっているのです。

 

次に、カップリングポイントから体が求める酸素需要を満たすように、1回心拍出量の分だけX座標が動きます。

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次に、カップリングポイントから下に線を引いていくと、等容拡張期となり、最終的に拡張機能曲線と交わり、この点が僧帽弁が開くタイミングとなります。

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拡張機能曲線に沿って、動いていき、心房機能がなければ、このままその収縮末期の容量に1回心拍出量を加えた拡張末期容積になるまで、曲線上を移動し、そこで、僧帽弁が閉鎖し、等容収縮となります。

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後は、等容収縮が続いて、心内圧が大動脈圧を上回った瞬間に大動脈弁が開放し、収縮期となり、再度収縮末期となり、大動脈弁が閉鎖するというサイクルを繰り返します。
これが心臓の1周期となります。

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PVループ(2)

PVループに関して、どこから注目すればいいのかというと、私は拡張期圧曲線(下図 EDPVR)だと思います。


ほとんどの状況で、この拡張期圧曲線は変化しません。変化しないものから、考えると分かりますと思います。
収縮特性(ESPVR)や他の値は、強心薬の投与や何らかの薬剤介入で変化しますが、拡張期圧曲線はそういった介入でも基本的には変化しません。
逆に変化する時には、心膜炎やなんらかの左室以外の要因ないし、肥大型心筋症などの特殊な疾患が想定されます。

この拡張期圧曲線は、数理的に求めることができますが、そこは省きます。理由は、数式を書くのが大変だからです。

ということで、PVループで、ある左室について考えるときには、まず拡張期圧曲線を固定したものだと考えます。


このEDPVRが横に寝ていればいるほど、拡張機能がいいということになります。
極端な話、これが平行であれば、本来の前負荷である左室拡張末期容積がいくら増えても、拡張末期圧が上がらないため、うっ血の症状は生じません。うっ血の症状が出やすいかどうかは、このEDPVRの傾きによります。HFpEFでは、この傾きが急峻になっており、左室の拡張=容積の増加当たりの圧の上昇が大きくなります。

 

 
 

 

PVループ (1)

圧容積関係(Pressure Volume Loop)は、PVループといわれ、心不全を理解するにに非常に有効な概念です。
スターリング曲線では、心機能を前負荷の代用である右房圧と心拍出量の関係を曲線であらわしました。心臓の収縮性や後負荷などの影響因子に関しては、図の中での曲線の位置や曲率で表現しました。
 
PVループでは、拡張ガイトンのように右左を相対的に評価することはできませんが、左心室の機能をさまざまな影響下でどのように変化するかを詳細に評価することが可能です。
 
PVループは、左室の圧と容積の変化を分析するための図であり、縦軸が左室内圧、横軸が左室容積となります。
 
基本的には、下の図のようになります。
圧と容積の関係ですので、時間の軸はなく、どれだけ時間がかかっているかはこれではわかりません
 
この図では横に移動する時には心臓の内容積が変化する時で、収縮期か拡張期ということになり、僧帽弁か大動脈弁が開いているときになります。
縦方向に移動しているときは、圧のみが変化しているときで、等容収縮期ないし等容拡張期で、両方の弁が閉じている状態になります。
 
つまり下の図で、1の時が僧帽弁が閉じた瞬間で、拡張期の終わりです。拡張期の終わりである1から心臓が圧を作れるだけ収縮しはじめ、かつ両方の弁が閉じているので、容積変化がないまま左室内圧が上昇している状態となります、つまり1-2(b)の間は等容収縮期になります。
2の段階で、左室内圧が大動脈圧を超えて、大動脈弁が開放し、収縮期となります。2-3(c)にかけては左室から大動脈に血液が拍出され、圧は収縮の最高血圧をピークに減少し、大動脈の圧より心内圧が低くなり、大動脈弁が閉じた瞬間が3となります。心筋自体は収縮期の段階で弛緩は始まっており、収縮期の最後の方は、弛緩し始めても圧がある程度あったり、血液自体の慣性などで血液は大動脈へ移動します。
3で大動脈弁が閉じて、どんどん弛緩が進み圧が低下していき、左房よりも低くなった瞬間に僧帽弁は開きます、それが4になります。3-4(d)は等容弛緩期であり、4-1(a)が拡張期となります。
また、ESPVRという3に接している直線が心臓の収縮特性を表しています。傾きが大きくなればなるほど収縮特性のいい心臓というふうになり、傾きが小さく横に寝ていけばいくほど悪い心臓ということになります。一般的には、これで問題ありませんが、いわゆるHFpEF(Heart failure with preserved Ejection Fration)の場合には、全体的に硬くて小さな心臓になりますので、不全心であるが、ESPVRの傾きが大きい心臓ということになるので、HFpEFの時には注意が必要です。
次に、EDPVRというのが、拡張特性を表した曲線になります。これは、心臓にそれなりに特有の曲線であり、一般的な心臓では、これは薬剤など投与によっても変化はしないと考えても差し支えはありません。数式で求めることができますが、数式書くのが大変なので割愛します。
 
 
 
 

starling下降脚についての考察

スターリング曲線では、右房圧を上げれば、右房圧が低い領域ではほぼ直線上に心拍出量は変化しますが、ある程度のところでは、右房圧当たりの心拍出量が変化は徐々に鈍くなっていき、右房圧を一定以上に上げすぎると心拍出量は下がってきます。これをスターリングの下降脚といいます。

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下降脚の原因としては、サルコメアの過伸展で説明する説があります。
サルコメアは、アクチンとミオシンを中心とした心筋の収縮弛緩のメカニズムの中心を成す構造です。サルコメアの両端はZ帯という壁のようなものがあり、Z帯に、アクチンがくっついています。そのアクチンの間にミオシンがあって、アクチンとミオシンが滑り込み構造で心筋は収縮します。例えると、ミオシンが筋肉ムキムキの人で、両サイドにZ帯という壁があって、アクチンという紐が壁から飲んて来ていて、アクチンを引っ張ると壁が引っ張ている人に向かって平行に動くというイメージすです。

両サイドの壁の真ん中にいるミオシンがアクチンを引っ張って両サイドの壁の距離を短くすることで、心筋全体が短縮して収縮するという仕組みです。
壁をスライドさせるのに、サルコメアはバネの特性を持っているため、収縮させる前に、壁であるZ帯の間を離せば離すほど、大きな力が生まれて強く収縮します。これが、フランク・スターリングの法則ですが、引っ張りすぎて、ある一定の長さを超えると、バネとしての特性が失われ、収縮のエネルギーが減退します。伸ばせば伸ばすほど発生する力が大きくなるという特性は失われるとされています。
これがサルコメアに注目したスターリング曲線の下降脚に関する仮説です。


この下降脚の考えが、実臨床でも有効かというと、実は有効で、心膜による心室の拡張の阻害である血行動態学的な心膜炎状態(hemodynamic CP)の時にこの現象がみられます。心膜は主に中皮細胞で構成されていますので、慢性的な経過であれば増殖したり、細胞間の距離を広げることで、広がっていくことはできますが、心不全の急性増悪のように急な心臓の拡大に伴って十分に広がることはできませんので、もともとある余分なスペースが埋まると、心室の拡張は心膜の抵抗を受けることになります。この一時的な血行動態的収縮性心膜炎状態が、臨床的には下降脚に該当し、実臨床でも意味のある曲線ということになります。
Hemodynamic CPの状態かどうかは、右と左の心房圧の比をみると判断できることが多いです。


最後に、私のスターリングの下降脚に関する仮説を追加しておきます。
あくまで、参考程度にみていただきたいのですが、心筋の収縮は、細胞レベルでみると横方向におこります。つまり、心筋をエコーで言うと短軸方向にみたときに、円周の接線方向にそれぞれの細胞のアクチンとミオシンの滑り込み現象が起こって、それによって、心筋が円周方向に引き合い円周が短くなるのと、縦方向(中心方向)に心筋が肥大することが合わさって、左室内腔容積が減少し、その減少した分の血液が駆出されます。心エコーや心臓MRIで心筋の太さが変わるのを観察できますので、これが中心方向への肥大で、円周が変化するのは外周(心筋の心膜外膜側)の変化としてとらえることができます。この時に、左室が小さければ小さいほど、中心方向への肥大は有効になり、また、円周方向への変化も半径が小さいほど有効になります。断面積が大きくなり、円周が大きくなれば、接線の強力である中心方向への力は小さくなります。
心筋線維で考えた場合には、伸ばせば伸ばすほど収縮する力はバネのように大きくなります。ただ、心筋は基本的には円周方向(部位によって異なるものの、心筋は心尖部から心基部に向かうねじれ状になっている)配置されていますので、円として考えなければなりません。
これらを合わせると、伸ばせば伸ばすほど収縮力が上がるということと、円が大きくなればなるほど内腔を狭くする効率が悪くなるということの兼ね合いのようなもので、ある一定の面積を超えると収縮性が低下する可能性があります。
これは仮説ですが。