生理學｜循環生理

(1) 心室肌細胞的動作電位

心室肌細胞的靜止膜電位約 −90 mV，主要由內向整流鉀通道維持，接近鉀離子的平衡電位。它的動作電位屬於「快反應」，可分為 5 期：

高原期（plateau phase）使心室動作電位長達約 0.25～0.3 秒，比骨骼肌長得多。這段期間心肌處於有效不反應期（effective refractory period），而不反應期幾乎涵蓋整個收縮期，所以心肌不會發生收縮加成（summation），也不會出現強直收縮（tetanus），保證每次收縮後一定有舒張與充血。

(2) 興奮收縮耦聯：鈣離子誘發鈣釋放

• 動作電位沿橫小管（transverse tubule）傳入，打開 L 型鈣通道（二氫吡啶受體），少量 Ca²⁺ 由細胞外流入。
• 這些 Ca²⁺ 刺激肌漿網（sarcoplasmic reticulum，亦稱肌內質網）上的 ryanodine 受體，引發鈣離子誘發鈣釋放（calcium-induced calcium release, CICR）。
• 胞質 Ca²⁺ 大部分來自肌漿網，由細胞外流入的量少於肌漿網釋出的量；Ca²⁺ 與旋轉肌鈣蛋白 C 結合後，肌動蛋白與肌球蛋白產生橫橋循環。
• 舒張時，Ca²⁺ 由肌漿網鈣幫浦回收，並經細胞膜 Na⁺／Ca²⁺ 交換器排出。

骨骼肌的肌漿網由電壓感應器以機械方式直接打開；心肌則需要細胞外鈣作為「引信」（骨骼肌見肌肉生理單元）。

(3) 節律細胞與傳導系統

竇房結（sinoatrial node, SA node）細胞沒有穩定的靜止膜電位。第 4 期由 funny current（If，Na⁺ 為主的內流）與 T 型鈣通道造成緩慢自發去極化，到達閾值（約 −40 mV）後，第 0 期靠 L 型鈣通道的 Ca²⁺ 內流去極化，因此上升較慢，屬於「慢反應」動作電位。竇房結的自發頻率最高，所以是正常的節律點。

衝動傳導順序：竇房結 → 心房肌 → 房室結（atrioventricular node, AV node）→ 房室束（bundle of His）→ 左右束支 → 浦金氏纖維（Purkinje fiber）→ 心室肌。房室結傳導最慢，造成約 0.1 秒的延遲，讓心房先收縮完、心室再收縮；浦金氏纖維傳導最快，使心室幾乎同步收縮。

(4) 自律神經對心臟的作用

心肌持續有氧代謝，最主要的能量來源是脂肪酸氧化，其次才是葡萄糖、乳酸與酮體。

(5) 心電圖（electrocardiogram, ECG）

• P 波：心房去極化。
• QRS 波：心室去極化，正常小於 0.12 秒；心房再極化被掩蓋在此。
• T 波：心室再極化。
• PR 間期：心房開始去極化到心室開始去極化，正常 0.12～0.20 秒，主要反映房室結延遲；延長表示房室傳導阻滯。
• ST 段：相當於心室高原期，此時心室全部去極化。

① 由心電圖計算心跳

標準紙速 25 mm/s 時，一小格（1 mm）＝0.04 秒，一大格（5 小格）＝0.2 秒。心律規則時，心跳（次/分）＝300 ÷ R-R 間的大格數＝1500 ÷ R-R 間的小格數。例如 R-R 間隔 4 大格，心跳約 75 次/分；間隔 20 小格亦同。

(1) 心動週期的分期

1. 心房收縮：補足心室最後一部分充血，之後心室容積達舒張末期容積（end-diastolic volume, EDV）。
2. 等容收縮期：心室開始收縮，室內壓超過心房壓，房室瓣關閉；動脈瓣尚未開啟，容積不變。
3. 射血期：室內壓超過動脈壓，半月瓣開啟，血液射出。
4. 等容舒張期：心室舒張，室內壓低於動脈壓，半月瓣關閉；房室瓣仍關閉。
5. 心室充血期：室內壓低於心房壓，房室瓣開啟，先快速充血、後緩慢充血。

(2) 心音

(3) 心輸出量與 Frank–Starling 定律

心輸出量（cardiac output）＝心跳速率 × 心搏量，安靜成人約每分鐘 5 公升。正常情況下左、右心室的輸出量相等。心搏量（stroke volume）＝EDV − 收縮末期容積，受三個因素影響：

• 前負荷：靜脈回流愈多、EDV 愈大，心肌纖維被拉長，收縮力隨之增強，這就是星林–藍迪定律（Frank–Starling law），讓心臟「回多少、打多少」。
• 心肌收縮力：交感神經、腎上腺素使收縮力增加，與心肌初長度無關。
• 後負荷：動脈壓愈高，射血阻力愈大，心搏量下降。

(1) 血流、壓力差與阻力

血流量（Q）＝血管兩端壓力差（ΔP）÷ 阻力（R）。依泊瑞葉定律（Poiseuille's law），阻力 R＝8ηL／πr⁴，與血液黏滯度（η）及血管長度（L）成正比，與半徑的 4 次方成反比。

• 壓力差不變時，半徑加倍→阻力變成 1/16→血流量變成 16 倍；半徑減半→血流量只剩 1/16。
• 人體調節阻力最主要的手段是改變小動脈（arteriole）的半徑，小動脈因此稱為阻力血管。
• 決定單一血管血流的是壓力差、半徑、黏滯度與長度；心跳速率不在公式中，影響最小。

(2) 動脈血壓的計算

脈搏壓（pulse pressure）＝收縮壓 − 舒張壓。心動週期中舒張期較長，所以平均動脈壓（mean arterial pressure, MAP）≈ 舒張壓 ＋ 1/3 脈搏壓。例如血壓 130/85 mmHg：脈搏壓 45 mmHg，平均動脈壓約 85＋15＝100 mmHg。平均動脈壓也約等於心輸出量 × 總周邊阻力。

(3) 血管順應性與脈搏波

順應性（compliance）是血管容積隨壓力改變的程度。動脈愈硬、順應性愈低，同樣的心搏量造成的脈搏壓愈大，脈搏波傳導速度（pulse wave velocity）也愈快，老化、粥狀動脈硬化與高血壓都屬於這種情況。反之，低血壓時動脈管壁承受的張力較小，管壁相對柔軟，脈搏壓幅度與脈搏波傳導速度都會降低。靜脈順應性遠大於動脈，是容納大部分血量的容量血管。

(1) 壓力感受器反射（baroreceptor reflex）

• 感受器：頸動脈竇（carotid sinus）與主動脈弓的牽張感受器。
• 傳入神經：頸動脈竇經舌咽神經（第 IX 對腦神經）；主動脈弓經迷走神經（第 X 對）。
• 整合中樞：延腦的孤立徑核與心血管中樞。
• 效應：血壓上升→感受器放電增加→迷走神經活性上升、交感神經活性下降→心跳變慢、收縮力下降、血管舒張→血壓回降；血壓下降時反向。

此反射屬於快速、短期調節；長期血壓主要靠腎臟調節體液量。

(2) 激素調節

(3) 血管內皮因子

• 舒張血管：一氧化氮（nitric oxide, NO）、前列腺環素（prostacyclin, PGI₂）；緩激肽（bradykinin）經促進 NO 釋放而擴張血管。
• 收縮血管：內皮素-1（endothelin-1），是目前已知最強的內生性血管收縮物質之一，也參與血管受傷後的收縮。

(4) 局部代謝調節（主動性充血）

組織代謝增加時，O₂ 下降，CO₂、H⁺、K⁺、腺苷（adenosine）累積，使小動脈舒張、微血管前括約肌放鬆，開放的微血管數量增加、血流量上升，稱為主動性（代謝性）充血。運動中的骨骼肌與心肌最明顯。

(5) 心衰竭的代償與休克

心衰竭時心輸出量下降，身體會啟動交感神經與腎素–血管收縮素–醛固酮系統，腎小管對鈉與水的再吸收增加，血容量上升以維持充血；同時心房壓力上升，ANP 與心室分泌的腦利鈉尿胜肽（brain natriuretic peptide, BNP）都增加，而不是受到抑制。這些代償短期有利，長期卻加重水腫與心臟負擔。

(1) 史達林力（Starling forces）

水分進出微血管由四種壓力決定：微血管靜水壓（Pc）與組織間液膠體滲透壓（πif）推動液體向外；組織間液靜水壓（Pif，正值時）與血漿膠體滲透壓（πc）把液體拉回；Pif 若為負值，反而有利於過濾。

淨過濾壓＝（Pc − Pif）−（πc − πif），結果為正表示過濾（流出微血管），為負表示再吸收（流入微血管）。例如 Pc 30、Pif −2、πc 25、πif 5 mmHg：（30＋2）−（25−5）＝＋12 mmHg，屬於過濾。

• 微血管動脈端靜水壓較高，以過濾為主；靜脈端靜水壓下降，以再吸收為主。過濾略多於再吸收，多出的液體由淋巴管帶回。
• 組織間液的蛋白質濃度遠低於血漿，所以其膠體滲透壓比血漿小；靜水壓也比血漿小。葡萄糖與電解質可自由通過微血管壁，兩邊濃度幾乎相同。
• 血漿膠體滲透壓主要由白蛋白（albumin）提供。
• 腎絲球微血管靜水壓特別高，整段幾乎都在過濾（細節見泌尿生理與酸鹼平衡單元）。

(2) 水腫的生理機轉

(3) 淋巴循環的功能

• 回收微血管漏出的組織液與蛋白質，維持血漿與組織液間的液體平衡。
• 小腸乳糜管吸收脂肪（乳糜微粒）送入血液。
• 淋巴液流經淋巴結時，清除細菌、異物及漏出的紅血球等，並活化免疫反應。
• 鉀離子等小分子可直接回到微血管，不是淋巴的主要回收對象。

(1) 血液組成與血漿蛋白

血液約 55% 為血漿、45% 為血球。血漿蛋白多由肝臟合成：白蛋白含量最多，負責膠體滲透壓與運輸；球蛋白包括運輸蛋白與抗體；纖維蛋白原參與凝血。血清＝血漿去除纖維蛋白原及凝血過程中消耗的凝血因子。

(2) 造血與血球壽命

所有血球都來自骨髓的造血幹細胞（hematopoietic stem cell）。成人造血在扁平骨與長骨近端的紅骨髓。紅血球、顆粒球、單核球、血小板與 B 細胞都在骨髓成熟，但 T 淋巴球需移到胸腺才完成成熟。

(3) 紅血球生成素（erythropoietin, EPO）

EPO 主要由腎臟（腎皮質管周間質細胞）合成，少量來自肝臟。缺氧時分泌增加，作用於紅骨髓，促進紅血球前驅細胞增生與成熟。高山居民、慢性肺病者紅血球增多；慢性腎衰竭病人則因 EPO 不足而貧血。

(4) 血紅素與一氧化碳

每個血紅素（hemoglobin）有 4 個含 Fe²⁺ 的血基質，可結合 4 分子 O₂。一氧化碳中毒與氧解離曲線見呼吸生理單元。

(5) 鐵代謝

• 食物中的鐵只有約 10% 被吸收，主要在十二指腸，以 Fe²⁺ 形式經二價金屬運輸蛋白（divalent metal transporter 1, DMT1）與 H⁺ 共同運輸進入上皮細胞，屬於次級主動運輸，不是單純的輔助擴散。
• 鐵在細胞內與鐵蛋白（ferritin）結合儲存，部分以血鐵質（hemosiderin）形式儲存；血中由運鐵蛋白（transferrin）攜帶。
• 人體沒有主動排鐵的調節管道，鐵恆定主要靠控制腸道吸收；肝臟分泌的鐵調素（hepcidin）可抑制吸收。
• 衰老紅血球的鐵大多被巨噬細胞回收再利用。

(6) 維生素 B12 與惡性貧血

維生素 B12 必須與胃壁細胞分泌的內在因子（intrinsic factor）結合，才能在迴腸末端被吸收。惡性貧血（pernicious anemia）是自體免疫破壞壁細胞或內在因子，造成維生素 B12 缺乏，出現巨母紅血球性貧血與神經症狀，須終身注射 B12；胃全切除者也會因缺乏內在因子而發生同樣的 B12 缺乏。葉酸缺乏同樣造成巨母紅血球性貧血，但不伴隨神經病變。

(7) 脾臟與血型

脾臟紅髓過濾血液，清除衰老紅血球、血小板與病原體，並儲存部分血小板；白髓含淋巴球，負責血源性抗原的免疫反應。ABO 血型由紅血球表面 A、B 抗原決定，血漿中含相對應的天然抗體；O 型紅血球無 A、B 抗原，AB 型血漿無抗 A、抗 B 抗體。Rh 陰性母親已被 Rh 陽性胎兒血球致敏後，再次懷 Rh 陽性胎兒時可能引發新生兒溶血症。

(1) 止血三步驟

1. 血管收縮：受傷的血管平滑肌收縮，內皮素、血栓素 A₂（thromboxane A₂）與血清素加強收縮，減少出血。
2. 血小板栓子（初級止血）：內皮下膠原暴露，血小板經類血友病因子（von Willebrand factor, vWF）與醣蛋白 Ib 黏著於膠原；活化後釋出 ADP、血栓素 A₂，再經醣蛋白 IIb/IIIa 與纖維蛋白原彼此聚集。
3. 凝血（次級止血）：凝血因子連鎖活化形成纖維蛋白網，加固血小板栓子。

(2) 凝血路徑

• 外在路徑：受傷組織釋出組織因子（tissue factor），與第 VII 因子結合後活化第 X 因子，是體內啟動凝血的主要途徑。
• 內在路徑：由第 XII 因子接觸帶負電表面開始，經第 XI、IX、VIII 因子活化第 X 因子。
• 共同路徑：第 Xa 因子＋第 Va 因子把凝血酶原轉成凝血酶（thrombin），凝血酶將纖維蛋白原轉成纖維蛋白，再由第 XIII 因子交聯穩定。
• 多個步驟需要 Ca²⁺；第 II、VII、IX、X 因子及蛋白質 C、S 的合成需要維生素 K。

(3) 抗凝血機轉