Организм человека функционирует за счет наличия системы кровообращения и клеточного питания. Сердце как основной орган кровеносной системы способно обеспечивать бесперебойное снабжение тканей энергетическими субстратами и кислородом. Достигается это за счет сердечного цикла, последовательности фаз работы органа, связанной с постоянным чередованием отдыха и нагрузки.
Данное понятие следует рассматривать с нескольких точек зрения. Во-первых, с морфологической, то есть с точки зрения базового описания фаз работы сердца как чередования систолы с диастолой. Во-вторых, с гемодинамической, связанной с расшифровкой емкостных и барометрических характеристик в полостях сердца на каждой стадии систолы и диастолы. В рамках этих точек зрения ниже будет рассмотрено понятие сердечного цикла и составляющих его процессов.
Характеристика работы сердца
Бесперебойная работа сердца от момента его закладки в эмбриогенезе и до гибели организма обеспечивается чередованием систолы с диастолой. Это значит, что орган не работает постоянно. Большую часть времени сердце даже отдыхает, что и позволяет ему обеспечивать нужды организма в течение жизни. Работа одних структур органа происходит в момент отдыха других, что необходимо для обеспечения постоянства кровообращения. В этом контексте уместно рассмотреть цикл сердечных сокращений с морфологической точки зрения.
Основы морфофизиологии сердца
Сердце у млекопитающих животных и человека состоит из двух предсердий, впадающих в вентрикулярные полости (ВП) через атриовентрикулярные (АВ) отверстия с клапанами (АВК). Систола и диастола чередуются, а цикл заканчивается общей кардиальной паузой. Как только из ВП кровь выбросилась в аорту и легочную артерию, давление в них падает. Развивается ретроградный ток из этих сосудов обратно в желудочки, что быстро пресекается раскрытием клапанов. Но в это время предсердное гидростатическое давление выше вентрикулярного, и АВК вынуждены раскрываться. В результате на разнице давления, в момент, когда систола желудочков прошла, а у предсердий не наступила, происходит вентрикулярное наполнение.
Этот период еще называется общей кардиальной паузой, которая длится до момента, пока давление в полостях желудочков (ПЖ) и предсердий (ПП) соответствующей стороны не выровняется. Как только это произошло, для проталкивания оставшейся порции крови в ПЖ наступает систола предсердий. После нее, когда остаток крови выдавлен в вентрикулярные полости, давление в ПП падает. Это вызывает пассивный приток крови: в левое предсердие осуществляется венозный сброс от легочных вен, а в правое – из полых.
Системное представление о кардиальном цикле
Цикл сердечной деятельности начинается с вентрикулярной систолы – выталкивания крови из их полостей вместе с одновременной диастолой предсердий и началом их пассивного наполнения на разности давления в приносящих сосудах, где в этот момент оно выше, чем в предсердиях. После вентрикулярной систолы происходит общая кардиальная пауза – продолжение пассивного атриального наполнения при отрицательном давлении в желудочках.
Из-за более высокого гемодинамического давления в ПП и низкого в ПЖ вместе с продолжением пассивного атриального наполнения происходит открытие АВ-клапанов. Результатом является пассивное вентрикулярное наполнение. Как только давление в предсердных и желудочковых полостях выравнивается, пассивный ток становится невозможным, и прекращается атриальное пополнение, что вызывает их сокращение с целью докачки дополнительной порции в желудочковые полости.
От предсердной систолы существенно вырастает давление в вентрикулярных полостях, провоцируется желудочковая систола – мышечное сокращение его миокарда. Результатом является повышение давления в полостях и закрытие атрио-вентрикулярных соединительнотканных клапанов. За счет сброса в устье аорты и легочного ствола формируется давление на соответствующие клапаны, которые вынуждены открываться в сторону кровотока. Этим завершается сердечный цикл: сердце снова начинает пассивное наполнение предсердий в их диастолу и далее в момент общей кардиальной паузы.
Сердечные паузы
В работе сердца имеется множество эпизодов отдыха: диастола у предсердий и желудочков, а также общая пауза. Их продолжительность можно посчитать, хотя она очень сильно зависит от частоты сердцебиения. При 75 уд/мин время сердечного цикла составит 0,8 секунд. В этот период включена предсердная систола (0,1с) и желудочковое сокращение – 0,3 секунды. Это означает, что предсердия отдыхают примерно 0,7 с, а желудочки – 0,5. Во время отдыха входит и общая пауза (0,5 с).
Около 0,5 секунд сердце пассивно наполняется, а 0,3 секунды – сокращается. У предсердий время расслабления в 3 раза больше, чем в желудочках, хотя ими перекачиваются аналогичные объемы крови. Однако в желудочки они по большей части попадают путем пассивного тока по градиенту давления. Кровь самотеком в момент низкого давления в сердечных полостях попадает в полости, где накапливается для последующего сокращения и изгнания в выносящие сосуды.
Значение периодов расслабления сердца
В полости сердца кровь поступает по отверстиям: в предсердия – по устьям полых и легочных вен, а в желудочки – через АВК. Их пропускная способность ограничена, и фактическое наполнение занимает больше времени, чем ее изгнание по кругам кровообращения. И фазы сердечного цикла именно такие, какие нужны для достаточного наполнения сердца. Чем меньше данные паузы, тем меньше будут наполняться предсердия, тем меньше крови будет направлено в желудочки и, соответственно, по кругам кровообращения.
При увеличении фактической частоты сокращений, что достигается укорочением периода расслабления, наполняемость полостей падает. Этот механизм все же остается эффективным для быстрой мобилизации функциональных резервов организма, но увеличение частоты сокращений дает прирост минутного объема кровообращения лишь до некоторого предела. По достижению высокой частоты сокращений наполняемость полостей из-за предельно короткой диастолы будет существенно падать, как и уровень артериального давления.
Тахиаритмии
Описанный выше механизм – основа снижения физической выносливости у пациента с тахиаритмиями. И если синусовая тахикардия при необходимости позволяет повысить давление и мобилизовать ресурсы организма, то фибрилляция предсердий, наджелудочковая и желудочковая тахикардия, фибрилляция желудочков, а также вентрикулярная тахисистолия при синдроме WPW приводят к падению давления.
Проявление жалоб пациента и тяжести его состояния начинается от дискомфорта и одышки до потери сознания и клинической смерти. Фазы сердечного цикла, рассмотренные выше с точки зрения важности пауз и их укорочения при тахиаритмиях, являются единственным простым объяснением, почему аритмии следует лечить, если они имеют негативный гемодинамический вклад.
Особенности атриальной систолы
Атриальная (предсердная) систола длится около 0,1 с: мышцы предсердий сокращаются одномоментно в соответствии с ритмом, сгенерированным синусовым узлом. Ее важность заключается в докачке примерно 15% крови в полости желудочков. То есть, если систолический объем левого желудочка составляет около 80 мл, то около 68 мл этой порции пассивно наполнило желудочек в атриальную диастолу. И только 12 мл докачивается систолой предсердий, что позволяет повысить уровень давления для того, чтобы закрыть клапаны в период желудочковой систолы.
Фибрилляция предсердий
В условиях фибрилляции предсердий их миокард постоянно находится в состоянии хаотичного сокращения, что не позволяет сформировать цельную атриальную систолу. Из-за этого аритмия вносит негативный гемодинамический вклад – обедняет приток крови в вентрикулярные полости примерно на 15-20%. Их наполнение осуществляется самотеком при общей кардиальной паузе и в период вентрикулярной систолы. Оттого некоторая часть порции крови всегда задерживается в предсердиях и постоянно взбалтывается, многократно увеличивая риск тромбозов в системе кровообращения.
Задержка крови в полостях сердца, а в данном случае в предсердиях, приводит к их постепенному растяжению и обуславливает невозможность удержания ритма при успешной кардиоверсии. Тогда аритмия станет постоянной, что на 20-30% ускоряет развитие кардиальной недостаточности с застоем и гемодинамическими нарушениями по кругам кровообращения.
Фазы желудочковой систолы
При продолжительности сердечного цикла в 0,8 с вентрикулярная систола составит 0,3 – 0,33 секунды с двумя периодами – напряжения (0,08 с) и изгнания (0,25 с). Миокард начинает сокращаться, но его усилий недостаточно для выдавливания крови из вентрикулярной полости. Но создаваемое давление уже позволяет закрыть предсердные клапаны. Фаза изгнания наступает в тот момент, когда систолическое давление в вентрикулярных полостях позволяет вытолкнуть порцию крови.
Фаза напряжения в сердечном цикле делится на период асинхронного и изометрического сокращения. Первый длится около 0,05 с. и является началом цельного сокращения. Развивается асинхронное (беспорядочное) сокращение миоцитов, которое не приводит к нарастанию давления в вентрикулярной полости. Затем после охвата возбуждением всей массы миокарда формируется фаза изометрического сокращения. Его важность заключается в значительном повышении давления в полости желудочков, что позволяет закрыть атрио-вентрикулярные клапаны и приготовиться к выталкиванию крови в легочный ствол и аорту. Его длительность в сердечном цикле составляет 0,03 секунды.
Период изгнания фазы вентрикулярной систолы
Желудочковая систола переходит к изгнанию крови в полости выносящих сосудов. Его длительность составляет четверть секунд, и оно состоит из fast и slow-фазы. Сначала давление в вентрикулярных полостях повышается до максимального систолического, а мышечное сокращение выталкивает из их полости порцию примерно в 70% от фактического объема. Вторая фаза – медленное изгнание (0,13 с.): сердце докачивает в выносящие сосуды остальные 30% систолического объема, однако, это происходит уже при снижении давления, что предшествует желудочковой диастоле и общей кардиальной паузе.
Фазы диастолы желудочков
Желудочковая диастола (0,47 с) включает период расслабления (0,12 секунд) и наполнения (0,25 секунд). Первый делится на протодиастолическую и фазу миокардиального изометрического расслабления. Период наполнения в сердечном цикле составляют две фазы – быстрого (0,08 сек) и медленного (0,17 сек).
В протодиастолическом периоде (0,04 с.), переходном этапе между систолой и диастолой желудочков, давление в вентрикулярных полостях падает, что вызывает закрытие аортального и легочного клапанов. Во второй фазе наступает период нулевого давления в вентрикулярных полостях при одновременно закрытых клапанах.
В период быстрого наполнения мгновенно раскрываются предсердно-желудочковые клапаны, и кровь по градиенту давления затекает в желудочковые полости из предсердий. Полости последних при этом еще постоянно дополняются притоком по приносящим венам, из-за чего при меньшем объеме полостей предсердия все равно перекачивают аналогичные порции крови, как и желудочки. После из-за пикового значения давления в вентрикулярных полостях приток замедляется, наступает медленная фаза. Она закончится атриальным сокращением, которая происходит в желудочковую диастолу.
