心臓の拍動を動かして見る：心拍数シミュレーター

手首に指を二本当ててみる

手首の内側、親指の付け根の下あたりを軽く押さえると、ほぼ一秒に一回、小さな突き上げを感じます。その一つひとつは心臓が一回縮んだときに生まれる圧力の波で、心臓はちょうど約 70 mL の血液を動脈へ押し出したところです。安静時の毎分 75 回の速さなら、これが一日に約 108,000 回起こり、一瞬より長く止まることはありません。

この展示では、拍動そのものが進む順番に心臓を分解していきます。まずは配管にあたる部分、つまり四つの部屋と四つの弁、それをつなぐ太い血管です。次に、拍動のたびに引き金を引く電気信号と、それを記録する心電図の波形です。最後に、拍動の回数を毎分何リットルという量に換算する計算です。

この展示は、健康な心臓が一般にどう働くかを説明するもので、医療上の助言ではありません。ご自分の心臓や脈について気になることがあれば、医師に相談してください。

一つの拍動を分け合う二つのポンプ

大人の心臓は長さ約 12 cm、幅 8 cm、厚さ 6 cm ほどで、だいたいこぶしの大きさです。重さは女性で約 250〜300 g、男性で 300〜350 g です。左右の肺のあいだ、胸骨の裏にあり、幅の広い心底が上に、とがった心尖が左下を向いています。

内部は筋肉の壁で右半分と左半分に分かれていて、それぞれが二段式のポンプになっています。上の部屋である心房は、壁の薄い受け入れ口です。下の部屋である心室が、実際に血液を送り出す仕事をします。

右側が受け持つのは、全身を巡って酸素の多くを渡し終えた血液です。この血液は二本の大静脈から右心房に入ります。上大静脈は頭と腕から、下大静脈はそれより下の体全体からです。続いて右心室が、肺動脈幹を通して肺へ押し上げます。道のりは短く、肺は傷つきやすいので、低い圧力で足ります。

左側は、肺で新しい酸素を受け取って戻ってきた血液を引き受けます。4 本の肺静脈が左心房へ届け、左心室が大動脈を通して全身へ送り出します。体じゅうの臓器に血液を通すにははるかに高い圧力が必要で、そのため左心室の壁は右よりずっと厚くなっています。断面 をオンにすると比べられます。画面の右側で赤い空洞を囲む厚い筋肉の輪が、左心室の壁です。

左右は同じ瞬間に拍動し、毎回同じ量を送ります。もし右心室が一拍ごとに左よりほんの少しでも多く送り出したら、血液は少しずつ肺にたまっていきます。

模型が青と赤を使う理由

教科書は右側を青、左側を赤に塗り分けます。この模型も同じですが、血液が青いことはありません。酸素をいっぱいに積んだヘモグロビンは鮮やかな赤です。組織で酸素の一部を手放すと、もっと暗い赤になります。静脈は皮膚越しに青っぽく見えることがありますが、中の血液は暗い赤です。

つまり模型の青は「酸素が少ない」、赤は「酸素が多い」という意味です。血管の名前は色ではなく流れる向きで決まります。動脈は心臓から離れる向きに、静脈は心臓へ戻る向きに血液を運びます。肺動脈が青く描かれているのはそのためで、生まれたあとで酸素の少ない血液を運ぶ動脈はこれだけです。逆に肺静脈は赤く描かれています。

一方向にだけ開く四つの弁

弁のないポンプでは、血液は行ったり来たりするだけです。心臓には弁が四つあり、どれも流れの向きにしか開きません。

心房とその下の心室のあいだには房室弁があります。右は 3 枚の弁尖をもつ三尖弁、左は 2 枚の弁尖をもつ僧帽弁です。弁尖は腱索という細いひもで、心室の壁にある小さな乳頭筋につながれています。心室が縮むと、血液は心房へ逆流しようとして弁尖をたたきつけるように閉じます。腱索が縁を引き留めるので、弁尖が裏返ることはありません。テントの張り綱に少し似ています。断面表示でスロー再生にすると、心室が満たされるあいだ弁尖が心室側へ垂れ下がり、収縮が始まるとぱっと上がって閉じるのが見えます。

それぞれの出口には半月弁があります。肺動脈幹の入り口にある肺動脈弁と、大動脈の入り口にある大動脈弁です。どちらも杯の形をした弁尖が 3 枚あります。心室が押し出しているあいだは壁に沿って倒れています。押し出しが終わって血液が戻り始めると、血液が弁尖をポケットのように満たし、3 枚が中央で合わさります。

聴診器で聞こえるのは、弁が閉じる音です。I 音、つまり S1 の「ドッ」は、心室が縮み始めるときに三尖弁と僧帽弁が閉じる音です。II 音、つまり S2 の「クン」は、心室がゆるむときに肺動脈弁と大動脈弁が閉じる音です。弁の音 をオンにすると、模型はそれぞれの瞬間に小さく鈍い音を鳴らします。模型のタイミングに合わせて合成した音で、録音ではありません。

S1 の直後には、すべての弁が閉じている短い時間があります。心室はもう縮み始めていますが、中の圧力がまだ動脈を上回っていないので、血液は動きません。S2 の直後、心室がゆるむあいだにも、逆向きに同じことが起こります。この二つの時期は等容性収縮期と等容性弛緩期と呼ばれ、表示にその名前が出ます。

拍動はどこから始まるか

心筋は、縮めという神経の命令を待ちません。右心房の壁の、上大静脈が入ってくるあたりに特殊な細胞の小さな集まりがあり、プラスの電荷が少しずつ入り込んで、しきい値に達すると興奮します。これが洞房結節、つまり洞結節で、放っておけば毎分約 100 回興奮します。脳から来る神経はおもにブレーキとして働くので、安静時の心臓はそれより遅く拍動します。

刺激伝導系のほかの部分もリズムをつくれますが、下へ行くほど遅くなります。洞結節がなければ、房室結節が毎分 40〜60 回で心臓を動かし続けます。ヒス束は 30〜40 回、プルキンエ線維はわずか 15〜20 回です。いちばん速い細胞がペースを決め、健康な心臓ではそれが洞結節です。

電気信号 と スロー再生 をオンにすると、その流れを追えます。興奮は洞結節を出て左右の心房に広がり、興奮した部分から順に黄色く光ります。信号は始まってから約 50 ms で房室結節に届きます。バッハマン束という別の束が、信号をまっすぐ左心房へ運びます。心房は信号が広がり始めてから約 25 ms で縮み始め、その収縮は約 100 ms 続きます。

信号が房室結節で待たされる理由

心房と心室のあいだには、電気を通さない丈夫な結合組織の輪があります。そこを通り抜けられる唯一の道が、右心房の底にある房室結節です。その細胞は小さく、信号をゆっくりとしか伝えないので、通過に約 100 ms かかります。模型では、房室結節が信号を引き留めているあいだ点滅するのが見えます。

この遅れには意味があります。心室が縮み始める前に、心房が最後の分の血液を心室へ押し込む時間ができるのです。安静時には、房室弁が開いているあいだに心室の 70〜80 パーセントがひとりでに満たされます。心房の収縮は「心房キック」と呼ばれることもあり、残りの 20〜30 パーセントを加えます。

いったん止まったあと、信号は速く進みます。ヒス束を下って左右の心室のあいだの壁に入り、左脚と右脚に分かれて、約 25 ms で心尖に達します。心尖からはプルキンエ線維が心室の壁の内側に沿って信号を上へ運び、約 75 ms 後には心室の筋肉全体が興奮し終えています。信号が心尖から始まるので、収縮も心尖から始まって上の弁のほうへ進みます。閉じた端から歯みがきのチューブを絞り出すのに少し似ています。

模型と心電図を見比べる

心電図は、この電気活動の波が皮膚の上に生むごく小さな電圧を記録したものです。表示の波形は模型と同じタイミングで描いているので、一つひとつの山が、心臓で見える何かに対応しています。

• 小さな P 波 は心房の興奮です。
• その後の平らな部分は、房室結節での待ち時間です。P 波の始まりから QRS 波の始まりまでの時間を PR 間隔といい、ふつうは 120〜200 ms です。模型では毎分 75 回のとき 175 ms です。
• 高く細い QRS 波 は心室の興奮です。ふつうは 120 ms 未満で、たいてい 60〜100 ms です。このあいだに心房はもとに戻りますが、その信号は QRS 波に隠れて見えません。
• 丸みのある T 波 は、心室が次の拍動に備えてもとに戻る過程です。

波形の下の S1 と S2 の印は心音を示します。S1 は R 波の頂点の直後、心室が縮み始めるときに来ます。S2 は T 波が消えていくころに来ます。電気信号 をオンにしたまま スロー再生 にして、黄色い光と波形と弁を一緒に見てみてください。

QRS 波の始まりから T 波の終わりまでの時間を QT 間隔といい、心拍が速くなるほど短くなります。毎分 75 回のとき模型の QT 間隔は 362 ms で、ふつうの範囲である 400〜440 ms 未満に収まっています。

心拍出量を計算する

心拍出量は、それぞれの心室が一分間に送り出す血液の量です。

心拍出量 = 心拍数 × 一回拍出量

一回拍出量は、一つの心室が一回の拍動で送り出す量です。満たされ終わったときの量(拡張末期容積)と、収縮し終わったときに残る量(収縮末期容積)の差にあたります。模型では拍動のたびに心室に 55 mL が残るので、一回拍出量が 70 mL なら、満杯のときは 125 mL 入っています。

安静時は、75 回 × 70 mL = 5,250 mL、つまり毎分 5.25 L です。安静時の正常範囲は毎分約 4〜8 L です。一拍ごとに送り出す割合は 125 mL のうち 70 mL で 56 パーセントになり、ふつうの範囲である 55〜70 パーセントに入ります。一日では、毎分 5.25 L が心室ひとつあたり約 7,560 L になります。

激しい運動では、健康な若い大人の心拍数は約 150 回に達し、一回ごとの収縮が強くなるので一回拍出量も約 130 mL まで増えることがあります。二つのスライダーをいちばん上まで動かすと、表示は 150 × 130 mL = 毎分 19.5 L になります。

速く打てば打つほどよいわけではありません。模型は心拍数が上がると拍動の各段階を短くしますが、短くなり方は均等ではありません。毎分 75 回から 150 回にすると、心室の収縮期は 270 ms から 191 ms に縮む一方、S2 から次の収縮までの時間は 530 ms から 209 ms に減ります。いちばん削られるのはゆるんでいる時間で、それは心室が血液で満たされる時間でもあります。このため本物の心臓では、心拍数が高くなると一回拍出量が減り始めます。心拍出量は毎分約 120 回までは増え、120〜160 回のあいだはほぼ横ばいで、それを超えると減っていきます。

教科書の数字は、一見すると模型と違って見えるかもしれません。OpenStax は 0.8 s の一拍を、約 100 ms の心房収縮期、270 ms の心室収縮期、430 ms の心室拡張期に分けています。模型の 530 ms のゆるんでいる時間には 100 ms の心房収縮が含まれます。心房が縮むのは、心室がまだゆるんでいるあいだだからです。

試せる二十の場面

模型の下のバーには二十の場面があります。それぞれが心拍数、一回拍出量、拍動の起点を設定し、バーの下の一行が数字の出どころを示します。場面は三つのグループに分かれます。

一つ目のグループは安静時の正常範囲の中にとどまり、二つの要素が互いに補い合うようすを示します。毎分 60 回、一回 67 mL の心臓は毎分約 4.0 L を送り出し、これが安静時の正常範囲の下限です。毎分 100 回、一回 80 mL なら 8.0 L に達し、これが上限です。同じおよそ 5 L は、一回量の大きいゆっくりした心臓からも、一回量の小さい速い心臓からも得られます。

二つ目のグループは、医師が安静時の心拍数につける名前から来ています。安静時に毎分 100 回を超えると頻脈、60 回を下回ると徐脈です。ほとんどの人は約 50 回より上なら症状がなく、鍛えた持久系の選手の中には安静時に 30〜40 回の人もいます。OpenStax は自転車選手ミゲル・インドゥラインの毎分 28 回を紹介しています。これらの出典には心拍数しかないので、模型は一回拍出量を 70 mL のままにし、下の表では星印をつけています。鍛えた選手の心臓は平均よりかなり大きいことがあるので、選手の場合、実際の心拍出量は模型が示すほど低くはありません。

三つ目のグループは、刺激伝導系の上のほうを一段ずつ止めていきます。洞結節が働かないと、房室結節が毎分 40〜60 回で引き継ぎます。電気信号 をオンにすると、洞結節が暗いままで、心電図から P 波が消えるのがわかります。心房がもう上から先に興奮しなくなるからです。房室結節より下では、心拍数はヒス束で 30〜40 回、右脚・左脚で 20〜30 回、プルキンエ線維で 15〜20 回まで下がります。この心拍数では心拍出量は毎分 2 L を下回り、これほど遅い心臓では体に長く血液を行き渡らせることはできません。

* 出典には心拍数しかないため、一回拍出量は 70 mL のままにしています。

切りのよい数字で計算してみる

模型は一分間に 75 回、一回 70 mL から始まります。切りのよい数字のほうが追いやすいので、心拍数を 70、一回拍出量も 70 に合わせて、計算を読み出し欄と照らし合わせてください。

• 一分間: 70 回 × 70 mL = 4,900 mL、つまり 4.9 L です。読み出し欄の心拍出量がこの値です。
• 一時間: 4.9 L × 60 = 294 L です。
• 一日: 4.9 L × 1,440 分 = 7,056 L を一つの心室が送り出し、拍動は 70 × 1,440 = 100,800 回です。
• 一年: 100,800 × 365 で約 3680万回です。
• 80 年: 約 29億回、血液は約 2億600万 L です(7,056 × 365 × 80 = 206,035,200、うるう日は無視)。

これは一分間に 70 回で安定して打ち続けるという仮定の上に立つ平均です。実際の拍動数は睡眠、運動、気分で変わるので、この数字は桁を示すだけで、あなた自身の心臓が実際にした仕事を表すものではありません。

積が同じでも拍動が同じとは限りません。98 回 × 50 mL と 49 回 × 100 mL も一分間に 4.9 L です。両方を試すと心拍出量は変わらず、前者は小さな拍動を素早く、後者は大きな拍動をゆっくり打ちます。

激しい運動では同じ計算が 150 回 × 130 mL = 19,500 mL、つまり一分間に 19.5 L となり、安静時の 4.9 L の約 4 倍です。どちらの要素も二倍になる必要はありません。拍動数は二倍を少し超え、一回拍出量は二倍近くまで増え、二つの増加が掛け合わされるからです。

血圧の数字の意味

模型が描くのは血流で、圧力ではありません。それでも圧力は拍動のたびに生まれるもので、血圧計に出る二つの数字は、ここで見ている周期から直接決まります。120/80 は「120 の 80」と読みます。前の数字の収縮期血圧は、心室が血液を押し出している間に大きな動脈にかかる最も高い圧力です。後ろの数字の拡張期血圧は、次の拍動の直前、心室がゆるんで大動脈弁が閉じているときの最も低い圧力です。

単位の mm Hg は水銀柱ミリメートルで、その高さの水銀柱を支える圧力です。1 mm Hg は約 133 パスカルなので、120 mm Hg は約 16 kPa です。二つの数字の差が脈圧で、ここでは 120 − 80 = 40 mm Hg です。一拍全体の平均の圧力である平均動脈圧は、拡張期血圧に脈圧の 3 分の 1 を足して見積もれます。80 + 40 ÷ 3 で約 93 mm Hg です。

圧力は、心臓が一分間に送る血液の量と、血管が血流に逆らう強さの二つで決まります。全身の抵抗に向き合う左心室の壁が厚いのはそのためです。

ガイドラインによって線を引く場所は同じではありません。大韓高血圧学会の 2022 年の指針は、診察室で測った血圧が 140/90 mm Hg 以上を高血圧とし、130 から 139 の 80 から 89 を高血圧前症と呼びます。同じ数値でも国によって違う名前になることがあります。診断は一つの数字ではなく繰り返し測った値に基づき、その数字が一人ひとりにとって何を意味するかは医師が判断することです。

心電図の方眼から一分間の拍動数まで

心電図は普通、方眼紙に毎秒 25 mm の速さで記録します。すると幅 1 mm の小さな一目盛りが 0.04 秒(40 ms)、5 mm の大きな一目盛り(小さな 5 目盛り)が 0.2 秒(200 ms)にあたります。大きな 5 目盛りで一秒です。

この方眼を使うと、模型の波形を測れます。一分間に 75 回なら、R の頂点から次の R の頂点までは 60 ÷ 75 = 0.8 秒(800 ms)で、小さな目盛り 20 個、大きな目盛り 4 個です。リズムが一定なら、拍動数は 300 を R の頂点どうしの間の大きな目盛りの数で割った値です。300 ÷ 4 = 75 です。一分間に 100 回なら大きな目盛りは 3 個、60 回なら 5 個です。

各間隔も同じ方眼にのります。模型の PR 間隔 175 ms は小さな目盛り約 4.4 個で、ふつうの範囲 120 から 200 ms(小さな目盛り 3 から 5 個)の中です。正常な QRS は 120 ms 未満で、小さな目盛り 3 個に満たない長さです。一分間に 75 回のときの模型の QT 362 ms は、小さな目盛り約 9 個です。この換算は実際の記録紙の話です。模型は波形を自分の目盛りで描くので、画面に定規を当てずに、読み出し欄のミリ秒を読んでください。

電気信号が広がる順番が、波形の描かれる順番です。洞結節、両方の心房(P 波)、房室結節(平らな PR 部分)、ヒス束とその枝、心尖、そして心室の壁を上へ向かうプルキンエ線維(QRS)です。電気信号とスロー再生をオンにして、結節から最後に光る筋肉まで追ってみてください。

数字で見る心臓病と、胸骨圧迫

世界保健機関(WHO)は、心血管疾患を世界の死因の第 1 位としています。2022 年にこの病気で亡くなった人は 1980万人と推定され、全死亡の約 32 % で、そのうち 85 % が心臓発作と脳卒中によるものでした。

韓国統計庁によると、2023 年の韓国の死亡者は 352,511 人でした。人口 10 万人あたりの死亡率は、がんが 166.7 人で第 1 位、心臓病が 64.8 人で第 2 位、肺炎が 57.5 人でした。韓国の順位では別に数える脳血管疾患は 47.3 人で、WHO はこれを心血管疾患の合計に含めます。出典によって合計が違うときは、それぞれが何を数えているかを確かめます。

よく混同される言葉が二つあります。心筋梗塞(心臓発作)では、心臓の筋肉の一部へ行く血流がふさがれ、その部分が酸素不足になります。心停止では、電気的な異常のために心臓が突然ポンプを止めます。この展示の伝導系がおかしくなった場合にあたります。米国立心肺血液研究所は、心筋梗塞が心停止につながることはあるが、両者は同じではないと説明しています。

心臓が止まったときは、救急の助けが来るまで、胸骨圧迫が体の外からポンプの仕事を代わります。MedlinePlus と米国赤十字は、大人の場合は一分間に 100 から 120 回、深さは約 2 インチ(5 cm)とし、押す合間に胸を完全に戻すよう案内しています。心拍数を 110 にして弁の音をオンにすると、そのテンポが聞こえます。約 0.55 秒に一回です。これは心肺蘇生法の講習ではありません。MedlinePlus は、文章で読むことと実習は違うと明言し、学ぶには認定講習がよいとしています。緊急のときは、まず地域の緊急番号に電話します(韓国は 119、米国は 911)。

よくある勘違い

• 「心臓は左にある」 心臓は胸の中央、左右の肺のあいだにあります。左に傾いているのは心尖だけで、拍動がいちばん感じやすいのはそこです。
• 「安静時にゆっくり打つ心臓は弱い」 心拍出量は拍動数 × 一回拍出量です。訓練した選手が一分間に 40 回でも、一回の拍出量が 70 mL より多ければ十分な血液を送れます。模型の選手の場面に星印が付いているのはこのためです。
• 「血圧と拍動数は同じもの」 拍動数は一分間に打つ回数で、血圧は血液が動脈の壁を押す力です。速く打っても血圧は低いことがあり、ゆっくり打っても高いことがあります。
• 「心電図は心臓のポンプの働きを示す」 波形が示すのは、筋肉がいつ興奮するかです。一回拍出量にあたる数字がないので、波形だけでは心拍出量は分かりません。

画面で試してみる

1. 心拍数を 70、一回拍出量を 70 に合わせます。読み出し欄の心拍出量を、上で計算した一分間 4.9 L と比べます。
2. 98 回で 50 mL、続けて 49 回で 100 mL を試します。心拍出量は一分間 4.9 L のままで、拍動の様子だけが変わります。
3. 二つのスライダーを最大の 150 と 130 にして、一分間 19.5 L を読み取ります。
4. 電気信号とスロー再生をオンにします。房室結節が信号を止めているあいだ、心電図が P 波と QRS の間で平らなままであるのを見ます。
5. 拍動数 50 と 100 を順に選び、R の頂点どうしの間の大きな目盛りを数えます。6 個と 3 個です。
6. 心拍数を 110 にして弁の音をオンにし、拍に合わせて叩いてみます。胸骨圧迫を習うときのテンポです。

模型が省いていること

• 配置を平たくしています。 実際の胸の中では右心室が左心室の前にあり、左心房は後ろにあり、肺動脈幹は大動脈の前を横切ります。模型は部屋を一つの平面に近づけ、一回の切断で四つの部屋と房室弁、大動脈弁が見えるようにしています。それでも肺動脈弁は断面より手前にあるので、中を見る で探してください。
• 色は約束ごとです。 青と赤は、酸素の少ない血液と多い血液を表します。本物の血液は暗い赤か鮮やかな赤です。
• 形はなめらかです。 本物の心室の内側には筋肉の盛り上がり(肉柱)が並び、右心室は三日月のように左心室を包み、壁は収縮するときに厚くなります。模型は各部屋を中心に向かって均等に縮めているだけです。
• 心電図は描いた曲線です。 教科書の間隔に合わせてなめらかな山を並べたもので、ある一つの誘導で見たときの形にあたります。記録ではなく、本物の波形は人によって違います。
• 時間の伸び縮みは決まった式によります。 QT 間隔は Fridericia の式で心拍数に合わせて補正し、機械的な各時期は平方根の規則で調整しています。どちらも近似です。
• 伝導路は単純化しています。 三本の結節間路、バッハマン束、プルキンエ線維網は数本の線で描いています。本物のプルキンエ線維網は、心室の内膜の下に張りめぐらされた密な網です。
• 補充調律でも QRS 波は正常のままです。 刺激伝導系の下のほうがペースを決めると、本物の QRS 波は形が変わることがあり、心房が下から興奮することもあります。模型は P 波を消し、その点から下の伝導系を光らせるだけで、拍動のほかの部分は変えていません。
• 音は合成です。 弁が閉じる瞬間を示しますが、聴診器で聞こえる音を再現するものではありません。

短い歴史

刺激伝導系の各部分は、一つずつ見つかっていきました。1839 年、ヤン・エヴァンゲリスタ・プルキンエは心臓の内膜の下にあるゼラチン状の線維の網を記載しましたが、それが何のためのものかはわかっていませんでした。1893 年、ヴィルヘルム・ヒス・ジュニアが心房から心室へ渡る筋肉の束を見つけました。1906 年、マールブルクのルートヴィヒ・アショフの研究室にいた田原淳が房室結節を記載し、それがヒス束とその枝を通ってプルキンエ線維まで続いていることを示しました。

同じ年の夏、医学生のマーティン・フラックは、ケント州の借りた小さな家で、アーサー・キースのためにモグラの心臓の切片を調べていました。彼は上大静脈が右心房に合流する場所に小さな構造を見つけます。キースとフラックは 1907 年、これを心臓のリズムが始まる場所、つまり洞結節として発表しました。

1902 年、ウィレム・アイントホーフェンは自分で設計した装置を使い、体の表面から心臓の電気活動を記録しました。彼は心電図のしくみを発見した功績で、1924 年にノーベル生理学・医学賞を受けました。