Как бьётся сердце

Положите два пальца на запястье

Слегка надавите на внутреннюю сторону запястья под большим пальцем, и вы почувствуете небольшой толчок примерно раз в секунду. Каждый толчок это волна давления от одного сокращения сердца, которое только что вытолкнуло около 70 mL крови в артерии. При частоте покоя 75 ударов в минуту это происходит примерно 108 000 раз в сутки, и сердце никогда не останавливается дольше чем на долю секунды.

Эта экспозиция разбирает сердце в том порядке, в каком идёт само сокращение. Сначала трубопровод: четыре камеры, четыре клапана и крупные сосуды, которые их соединяют. Затем электрический сигнал, запускающий каждое сокращение, и кривая ЭКГ, которая его записывает. И наконец, арифметика, превращающая удары в литры в минуту.

Здесь рассказано, как в целом работает здоровое сердце. Это не медицинская консультация. Если что-то в работе сердца или в пульсе вас беспокоит, обратитесь к врачу.

Два насоса, один удар

Сердце взрослого человека имеет длину около 12 cm, ширину 8 cm и толщину 6 cm, то есть примерно с кулак. У женщин оно весит около 250–300 g, у мужчин 300–350 g. Оно лежит между лёгкими, за грудиной: широкое основание сверху, заострённая верхушка наклонена влево.

Внутри мышечная перегородка делит его на правую и левую половины, и каждая половина представляет собой двухступенчатый насос. Верхняя камера, предсердие, служит тонкостенной приёмной. Нижняя камера, желудочек, выполняет основную работу по перекачке.

Правая сторона занимается кровью, которая обошла всё тело и отдала значительную часть кислорода. Она поступает в правое предсердие по двум полым венам: верхней от головы и рук и нижней от всего, что ниже. Затем правый желудочек проталкивает её вверх по лёгочному стволу к лёгким. Путь короткий, а лёгкие нежные, поэтому давления нужно немного.

Левая сторона принимает кровь, вернувшуюся из лёгких со свежим кислородом. Четыре лёгочные вены доставляют её в левое предсердие, а левый желудочек отправляет её по аорте во всё тело. Чтобы прогнать кровь через каждый орган, нужно гораздо большее давление, и поэтому стенка левого желудочка намного толще правой. Включите Разрез пополам и сравните: толстое мышечное кольцо вокруг красной полости справа на экране и есть стенка левого желудочка.

Обе стороны сокращаются в один и тот же момент и каждый раз перекачивают одинаковый объём. Если бы правый желудочек за удар выбрасывал хоть немного больше левого, кровь постепенно скапливалась бы в лёгких.

Почему в модели синий и красный

В учебниках правую сторону красят синим, а левую красным, и модель делает так же, но кровь никогда не бывает синей. Гемоглобин, полностью нагруженный кислородом, ярко-красный. Отдав часть кислорода тканям, он становится темнее. Сквозь кожу вены могут казаться синеватыми, но кровь в них тёмно-красная.

Поэтому в модели синий означает «бедная кислородом», а красный «богатая кислородом». Названия сосудов зависят от направления, а не от цвета. Артерии несут кровь от сердца, вены несут её обратно. Поэтому лёгочные артерии показаны синими: после рождения это единственные артерии, по которым течёт бедная кислородом кровь. А лёгочные вены показаны красными.

Четыре клапана, открывающиеся в одну сторону

Насос без клапанов просто гонял бы кровь туда и обратно. В сердце четыре клапана, и каждый открывается только по направлению тока.

Между каждым предсердием и его желудочком стоит атриовентрикулярный клапан: справа трёхстворчатый, с тремя створками, слева митральный, с двумя. Створки привязаны тонкими нитями, сухожильными хордами, к небольшим сосочковым мышцам на стенке желудочка. Когда желудочек сокращается, кровь пытается хлынуть назад в предсердие и захлопывает створки. Хорды удерживают края, чтобы створки не вывернулись наизнанку, примерно как растяжки палатки. В разрезе замедление позволяет увидеть, как створки опускаются в желудочек, пока он наполняется, и резко поднимаются, когда он начинает сокращаться.

На каждом выходе стоит полулунный клапан: клапан лёгочного ствола в начале лёгочного ствола и аортальный клапан в начале аорты. У каждого три створки в форме чашечек. Пока желудочек выталкивает кровь, они прижаты к стенке. Когда толчок заканчивается и кровь начинает стекать обратно, она наполняет створки, как кармашки, и они смыкаются посередине.

Закрытие клапанов и слышно в стетоскоп. Первый тон сердца, S1 или первое «тук», это закрытие трёхстворчатого и митрального клапанов, когда желудочки начинают сокращаться. Второй, S2 или второе «тук», это закрытие клапанов лёгочного ствола и аорты, когда желудочки расслабляются. Включите Звуки клапанов, и модель в каждый такой момент издаст негромкий глухой удар. Это синтезированный звук по времени модели, а не запись.

Сразу после S1 есть короткий промежуток, когда закрыты все клапаны. Желудочки уже сжимаются, но давление в них ещё не превысило давление в артериях, поэтому ничего не движется. То же самое происходит в обратном порядке сразу после S2, пока желудочки расслабляются. Эти два момента называются изоволюмическим сокращением и изоволюмическим расслаблением, и их названия появляются на панели.

Где начинается каждое сокращение

Сердечная мышца не ждёт приказа от нерва. Небольшой участок особых клеток в стенке правого предсердия, рядом с впадением верхней полой вены, медленно пропускает внутрь положительный заряд, пока не достигнет порога и не сработает. Этот участок называется синоатриальным, или синусовым, узлом, и, предоставленный сам себе, он срабатывал бы около 100 раз в минуту. Нервы от мозга в основном работают как тормоз, поэтому в покое сердце бьётся медленнее.

Другие части проводящей системы тоже могут задавать ритм, но каждая следующая медленнее предыдущей. Без синусового узла атриовентрикулярный узел поддерживал бы ритм 40–60 ударов в минуту. Пучок Гиса справился бы с 30–40, а волокна Пуркинье только с 15–20. Темп задаёт самая быстрая клетка, и в здоровом сердце это синусовый узел.

Включите Электрический сигнал и Замедление, чтобы проследить за ним. Импульс выходит из синусового узла и расходится по обоим предсердиям, и каждый участок загорается жёлтым, когда возбуждается. Сигнал доходит до атриовентрикулярного узла примерно через 50 ms после начала. Отдельный тяж, пучок Бахмана, проводит его прямо в левое предсердие. Предсердия начинают сокращаться примерно через 25 ms после начала распространения сигнала, и их сокращение длится около 100 ms.

Почему сигнал ждёт в атриовентрикулярном узле

Между предсердиями и желудочками лежит кольцо плотной соединительной ткани, которая не проводит электричество. Единственный проход через него это атриовентрикулярный (АВ) узел в нижней части правого предсердия. Его клетки мелкие и передают сигнал медленно, так что на переход уходит около 100 ms. В модели видно, как АВ-узел мерцает, пока удерживает сигнал.

Эта задержка важна. Она даёт предсердиям время дотолкнуть последнюю порцию крови в желудочки, прежде чем те начнут сокращаться. В покое желудочек на 70–80 процентов наполняется сам, пока открыты АВ-клапаны. Сокращение предсердий, которое иногда называют «предсердным толчком», добавляет оставшиеся 20–30 процентов.

После паузы сигнал идёт быстро. Он спускается по пучку Гиса в перегородку между желудочками, делится на левую и правую ножки и примерно за 25 ms достигает верхушки. От верхушки волокна Пуркинье ведут его вверх по внутренней поверхности стенок желудочков, и примерно через 75 ms вся мышца желудочков возбуждена. Поскольку сигнал начинается у верхушки, там же начинается и сокращение и движется к клапанам наверху, примерно как выдавливание тюбика зубной пасты с закрытого конца.

Читаем ЭКГ рядом с моделью

Электрокардиограмма записывает крошечные напряжения, которые эта волна электрической активности создаёт на коже. Кривая на панели построена по тем же временам, что и модель, поэтому каждый её изгиб совпадает с тем, что видно на сердце.

• Маленький зубец P означает возбуждение предсердий.
• Ровный участок после него это пауза в АВ-узле. Время от начала P до начала QRS, интервал PR, в норме составляет 120–200 ms. В модели при 75 ударах в минуту он равен 175 ms.
• Высокий узкий комплекс QRS означает возбуждение желудочков. В норме он короче 120 ms, обычно 60–100. Предсердия в это время восстанавливаются, и их сигнал скрыт под QRS.
• Округлый зубец T означает восстановление желудочков перед следующим сокращением.

Отметки S1 и S2 под кривой показывают тоны сердца. S1 приходится сразу после зубца R, когда желудочки начинают сокращаться. S2 звучит, когда зубец T затухает. Включите Замедление вместе с Электрическим сигналом и следите одновременно за жёлтым свечением, кривой и клапанами.

Время от начала QRS до конца T, интервал QT, укорачивается, когда сердце ускоряется. При 75 ударах в минуту QT модели равен 362 ms, что укладывается в обычный диапазон: меньше 400–440 ms.

Считаем минутный объём

Минутный объём сердца (сердечный выброс) это объём крови, который каждый желудочек перекачивает за минуту:

минутный объём = частота сердцебиения × ударный объём

Ударный объём это то, что один желудочек выбрасывает за одно сокращение, то есть разница между его наполнением в конце наполнения (конечный диастолический объём) и тем, что остаётся в конце сокращения (конечный систолический объём). В модели после каждого сокращения в желудочке остаётся 55 mL, так что при ударном объёме 70 mL полный желудочек вмещает 125 mL.

В покое: 75 ударов × 70 mL = 5250 mL, или 5,25 L в минуту. Нормальный диапазон в покое составляет примерно от 4 до 8 L в минуту. Доля, выбрасываемая за удар, 70 из 125 mL, равна 56 процентам и укладывается в обычный диапазон 55–70 процентов. За сутки 5,25 L в минуту дают около 7560 L от каждого желудочка.

При тяжёлой нагрузке частота у здорового молодого взрослого может дойти примерно до 150, а ударный объём вырасти примерно до 130 mL, потому что каждое сокращение становится сильнее. Сдвиньте оба ползунка до упора, и панель покажет 150 × 130 mL = 19,5 L в минуту.

У пользы от учащения есть предел. Модель укорачивает каждую фазу сокращения с ростом частоты, но неодинаково. При переходе от 75 к 150 ударам в минуту систола желудочков сокращается с от 270 до 191 ms, а время от S2 до следующего сокращения падает с от 530 до 209 ms. Больше всего теряет фаза расслабления, а это как раз то время, за которое желудочки наполняются. Поэтому в настоящем сердце при высокой частоте ударный объём начинает снижаться. Минутный объём растёт примерно до 120 ударов в минуту, между 120 и 160 остаётся почти постоянным, а выше падает.

Учебные цифры на первый взгляд могут расходиться с цифрами модели. OpenStax делит сокращение длительностью 0,8 s примерно на 100 ms систолы предсердий, 270 ms систолы желудочков и 430 ms диастолы желудочков. В 530 ms расслабления в модели входят 100 ms сокращения предсердий, потому что оно происходит, пока желудочки ещё расслаблены.

Двадцать ситуаций, которые можно попробовать

На панели внизу модели двадцать ситуаций. Каждая задаёт частоту сердцебиения, ударный объём и место, откуда начинается сокращение, а строка под панелью сообщает, откуда взяты числа. Они делятся на три группы.

Первая группа не выходит за пределы нормы в покое и показывает, как два фактора уравновешивают друг друга. Сердце, бьющееся 60 раз в минуту по 67 mL, даёт около 4,0 L в минуту, это нижняя граница нормы в покое. Сердце, бьющееся 100 раз по 80 mL, доходит до 8,0 L, это верхняя граница. Те же примерно 5 L можно получить и от медленного сердца с большим ударным объёмом, и от быстрого с малым.

Вторая группа взята из названий, которые врачи дают частоте покоя. Частоту в покое выше 100 ударов в минуту называют тахикардией, а ниже 60 называют брадикардией. Пока частота выше примерно 50, у большинства людей симптомов ещё нет, а у некоторых тренированных спортсменов на выносливость частота покоя 30–40. OpenStax приводит 28 в минуту для велогонщика Мигеля Индурайна. Эти источники дают только частоту, поэтому модель оставляет ударный объём 70 mL; такие строки ниже отмечены звёздочкой. Сердце тренированного спортсмена может быть заметно больше среднего, поэтому у спортсмена реальный выброс не так мал, как показывает модель.

Третья группа шаг за шагом отключает верх проводящей системы. Когда синусовый узел заблокирован, ритм перехватывает АВ-узел с частотой 40–60 ударов в минуту. Включите Электрический сигнал, и вы увидите, что синусовый узел остаётся тёмным, а зубец P исчезает с ЭКГ, потому что предсердия больше не возбуждаются первыми сверху. Ниже АВ-узла частота падает до 30–40 у пучка Гиса, 20–30 у его ножек и 15–20 у волокон Пуркинье. При такой частоте выброс опускается ниже 2 L в минуту, и столь медленное сердце не может долго снабжать тело.

* Источник даёт только частоту; ударный объём оставлен равным 70 mL.

Расчёт на круглых числах

Модель стартует с 75 ударов в минуту и 70 mL за удар. За круглыми числами проще следить, поэтому поставьте Частоту сердцебиения на 70 и Ударный объём тоже на 70 и сверьте расчёт с показаниями на панели.

• За минуту: 70 ударов × 70 mL = 4900 mL, то есть 4,9 L. Это минутный объём, который показывает панель.
• За час: 4,9 L × 60 = 294 L.
• За сутки: 4,9 L × 1440 минут = 7056 L от каждого желудочка, за 70 × 1440 = 100 800 ударов.
• За год: 100 800 × 365 это около 36,8 млн ударов.
• За 80 лет: около 2,9 млрд ударов и около 206 млн L (7056 × 365 × 80 = 206 035 200), високосные дни не учтены.

Это средние значения, построенные на одном допущении: ровные 70 ударов в минуту. Сон, нагрузка и настроение меняют настоящую частоту, поэтому цифры дают порядок величины, а не то, что сделало ваше собственное сердце.

Одинаковое произведение не значит одинаковый удар. 98 ударов × 50 mL и 49 ударов × 100 mL тоже дают 4,9 L в минуту. Попробуйте оба варианта: минутный объём остаётся тем же, но первое сердце работает частыми маленькими толчками, а второе редкими большими.

При тяжёлой нагрузке тот же расчёт даёт 150 ударов × 130 mL = 19 500 mL, то есть 19,5 L в минуту, примерно в четыре раза больше, чем 4,9 L в покое. Ни один из множителей не обязан удваиваться. Частота растёт чуть больше чем вдвое, ударный объём почти вдвое, и оба прироста перемножаются.

Что означают цифры давления

Модель рисует поток, а не давление, но давление это то, что создаёт каждый удар, и две цифры на манжете берутся прямо из цикла, который вы видите. Значение 120/80 читают «120 на 80». Первая цифра, систолическое давление, это самое высокое давление в крупных артериях, оно достигается, пока желудочки выталкивают кровь. Вторая, диастолическое давление, самое низкое, перед следующим ударом, когда желудочки расслаблены, а аортальный клапан закрыт.

Единица mm Hg это миллиметр ртутного столба: давление, которое удерживает ртутный столб такой высоты в миллиметрах. Один mm Hg равен примерно 133 паскалям, так что 120 mm Hg это около 16 kPa. Разность двух цифр называется пульсовым давлением, здесь 120 − 80 = 40 mm Hg. Среднее давление за весь удар, среднее артериальное давление, приближённо равно диастолическому плюс треть пульсового: 80 + 40 ÷ 3, около 93 mm Hg.

Давление зависит сразу от двух вещей: сколько крови сердце отправляет за минуту и насколько сильно ей сопротивляются сосуды. Поэтому левый желудочек, который преодолевает сопротивление всего тела, имеет толстую стенку.

Рекомендации проводят границы не в одних и тех же местах. Корейское общество гипертонии в рекомендациях 2022 года относит к гипертонии давление от 140/90 mm Hg, измеренное в кабинете врача, а значения от 130 до 139 при диастолическом от 80 до 89 называет предгипертонией. Одно и то же значение может получить в двух странах два разных названия. Диагноз опирается на повторные измерения, а не на одну цифру, и решать, что цифра значит для конкретного человека, должен врач.

От клеток ЭКГ-бумаги к ударам в минуту

ЭКГ обычно печатают на клетчатой бумаге, которая движется со скоростью 25 mm в секунду. Тогда маленькая клетка шириной 1 mm соответствует 0,04 s (40 ms), а большая клетка в 5 mm, то есть пять маленьких, соответствует 0,2 s (200 ms). Пять больших клеток составляют одну секунду.

С такой сеткой кривую модели легко измерить. При 75 ударах в минуту время от одного зубца R до следующего равно 60 ÷ 75 = 0,8 s, то есть 800 ms, 20 маленьких или 4 большие клетки. При ровном ритме частота равна 300, делённому на число больших клеток между двумя зубцами R: 300 ÷ 4 = 75. При 100 ударах в минуту больших клеток 3, при 60 их 5.

Интервалы укладываются в ту же сетку. Интервал PR модели в 175 ms это около 4,4 маленькой клетки, внутри обычных от 120 до 200 ms, то есть от 3 до 5 маленьких клеток. Нормальный комплекс QRS короче 120 ms, меньше 3 маленьких клеток. Интервал QT модели, 362 ms при 75 ударах в минуту, это около 9 маленьких клеток. Эти пересчёты верны для настоящей бумаги. Модель рисует кривую в своём масштабе, поэтому читайте миллисекунды на панели и не прикладывайте линейку к экрану.

Порядок, в котором бежит волна, совпадает с порядком, в котором рисуется кривая: синусовый узел, оба предсердия (зубец P), атриовентрикулярный узел (ровный участок PR), пучок Гиса и его ножки, верхушка и затем волокна Пуркинье вверх по стенкам желудочков (комплекс QRS). Включите Электрический сигнал и Замедление и проследите за ним от узла до последнего светящегося участка мышцы.

Болезни сердца в цифрах и непрямой массаж

Всемирная организация здравоохранения называет сердечно-сосудистые болезни ведущей причиной смерти в мире. По оценке, в 2022 году от них умерли 19,8 млн человек, около 32 % всех смертей, и 85 % из них пришлись на инфаркт и инсульт.

Статистическое управление Кореи сообщило о 352 511 смертях в Корее в 2023 году. Рак занял первое место с 166,7 смерти на 100 000 человек, болезни сердца второе с 64,8, перед пневмонией с 57,5. Цереброваскулярные болезни, которые в корейском рейтинге считаются отдельно, а ВОЗ включает в сердечно-сосудистый итог, добавили ещё 47,3. Когда два источника дают разные итоги, проверьте, что именно считает каждый.

Два термина часто путают. При инфаркте миокарда кровоток к части сердечной мышцы перекрыт, и эта часть не получает кислорода. При остановке сердца оно внезапно перестаёт качать из-за электрического сбоя, что в этой экспозиции соответствует поломке проводящей системы. Национальный институт сердца, лёгких и крови США отмечает, что инфаркт может привести к остановке сердца, но это не одно и то же.

Когда сердце остановилось, непрямой массаж выполняет работу насоса снаружи, пока не придёт неотложная помощь. MedlinePlus и Американский Красный Крест называют для взрослых темп от 100 до 120 надавливаний в минуту на глубину около 2 дюймов (5 cm), давая грудной клетке полностью вернуться между нажатиями. Поставьте Частоту сердцебиения на 110 и включите Звуки клапанов, чтобы услышать этот темп: один удар примерно каждые 0,55 s. Это не курс реанимации. MedlinePlus прямо говорит, что чтение о сердечно-лёгочной реанимации не заменяет практики, а учиться лучше на аккредитованном курсе. В экстренном случае сначала позвоните по местному номеру экстренной помощи (119 в Корее, 911 в США).

Распространённые заблуждения

• «Сердце находится слева.» Оно лежит посередине грудной клетки, между лёгкими. Влево наклонена только верхушка, и именно там удар легче всего почувствовать.
• «Медленное сердце в покое слабое.» Минутный объём равен частоте × ударный объём. Тренированный спортсмен с частотой 40 ударов в минуту может перекачивать достаточно крови, если каждый удар больше 70 mL, поэтому ситуация со спортсменом в модели отмечена звёздочкой.
• «Давление и частота сердцебиения это одно и то же.» Частота считает удары в минуту. Давление это сила, с которой кровь давит на стенку артерии. У быстрого сердца давление может быть низким, а у медленного высоким.
• «ЭКГ показывает, насколько хорошо сердце качает.» Кривая показывает, когда запускается мышца. В ней нет числа для ударного объёма, поэтому по ней одной минутный объём не найти.

Попробуйте на экране

1. Поставьте Частоту сердцебиения на 70 и Ударный объём на 70. Сравните минутный объём на панели с рассчитанными выше 4,9 L в минуту.
2. Попробуйте 98 ударов по 50 mL, затем 49 ударов по 100 mL. Минутный объём остаётся 4,9 L в минуту, а вид удара меняется.
3. Выставьте оба ползунка на максимум, 150 и 130, и прочитайте 19,5 L в минуту.
4. Включите Электрический сигнал и Замедление. Посмотрите, как атриовентрикулярный узел удерживает сигнал, пока ЭКГ остаётся ровной между зубцом P и комплексом QRS.
5. Выберите по очереди частоты 50 и 100 ударов и сосчитайте большие клетки между зубцами R: 6 и 3.
6. Поставьте Частоту сердцебиения на 110 при включённых Звуках клапанов и отбивайте такт рукой. В таком темпе учат непрямому массажу.

Чего нет в модели

• Расположение уплощено. В настоящей грудной клетке правый желудочек лежит впереди левого, левое предсердие сзади, а лёгочный ствол перекрещивается с аортой спереди. Модель сближает камеры в одной плоскости, чтобы один разрез показал все четыре камеры, АВ-клапаны и аортальный клапан. Клапан лёгочного ствола всё равно остаётся перед разрезом; чтобы его найти, включите Заглянуть внутрь.
• Цвета условны. Синий и красный обозначают бедную и богатую кислородом кровь. Настоящая кровь тёмно-красная или ярко-красная.
• Формы гладкие. Настоящие желудочки изнутри покрыты мышечными валиками, правый желудочек огибает левый полумесяцем, а стенки при сокращении утолщаются. Модель равномерно сжимает каждую камеру вокруг её центра.
• ЭКГ нарисована. Кривая собрана из плавных волн, расставленных по учебным интервалам, как их показало бы одно отведение. Это не запись, и у разных людей кривые различаются.
• Время растягивается по правилу. Интервал QT пересчитывается для частоты по формуле Фридериция, механические фазы по правилу квадратного корня. Оба способа приближённые.
• Проводящие пути упрощены. Три межузловых пути, пучок Бахмана и сеть Пуркинье нарисованы несколькими линиями. Настоящая сеть Пуркинье представляет собой густое сплетение под внутренней оболочкой желудочков.
• При замещающих ритмах QRS остаётся нормальным. Когда ритм задаёт нижележащая часть проводящей системы, настоящий QRS может выглядеть иначе, а предсердия могут возбуждаться снизу. Модель лишь убирает зубец P, подсвечивает систему от этой точки вниз и оставляет остальное сокращение прежним.
• Звуки синтезированы. Они отмечают моменты закрытия клапанов, но не воспроизводят то, что слышно в стетоскоп.

Немного истории

Части проводящей системы открывали по одной. В 1839 году Ян Эвангелиста Пуркинье описал сеть студенистых волокон под внутренней оболочкой сердца, не зная, для чего она нужна. В 1893 году Вильгельм Гис-младший нашёл мышечный пучок, идущий от предсердий к желудочкам. В 1906 году Сунао Тавара, работавший в лаборатории Людвига Ашоффа в Марбурге, описал атриовентрикулярный узел и показал, что он продолжается через пучок и его ножки до волокон Пуркинье.

Тем же летом студент-медик Мартин Флэк в снятом домике в графстве Кент изучал для Артура Кита срезы сердца крота. Он нашёл небольшое образование там, где верхняя полая вена впадает в правое предсердие. Кит и Флэк опубликовали его в 1907 году как место, где начинается ритм сердца: синусовый узел.

В 1902 году Виллем Эйнтховен записал электрическую активность сердца с поверхности тела прибором собственной конструкции. В 1924 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие механизма электрокардиограммы.