background image

 

Lect. 1 

Cardiovascular system 

 

Introduction to the CVS

 (Physiologic anatomy, Heart valves and sounds).                  

Objectives: 

1.  Explain the functions of the heart. 
2.  Describe the flow of blood through the heart. 
3.  Explain the functions of the heart valves. 
4.  Explain the mechanism of the heart sounds. 

The heart 

The  heart  is  a  muscular  organ  enclosed  in  a  fibrous  sac  (the  pericardium).The 
pericardial sac contains watery fluid that acts as a lubricant as the heart moves within 
the  sac.  The  wall  of  the  heart  is  composed  of  cardiac  muscle  cells,  termed  the 
myocardium. The inner surface of the wall is lined by a thin layer of endothelial cell; 
the endothelium. The heart is actually two separate pumps; a right heart which pumps 
blood through the pulmonary artery into the lung, and a left heart which pumps blood 
through the  aorta  into the  peripheral  organ. Each of  these  two pumps  is  consists  of 
two  chambers,  an  atrium  and  a  ventricle,  separated  by  atrioventricular  valve  (left; 
mitral valve and right; tricuspid valve). Blood exists from the right ventricle through 
the pulmonary valve to the pulmonary trunk, and from the left ventricle through the 
aortic valve into the aorta.  

Pulmonary and Systemic Circulations 

Blood  whose  oxygen  content  has  become  partially  depleted  and  carbon  dioxide 
content has increased as a result of tissue metabolism returns to the right atrium. This 
blood  then  enters  the  ventricle,  which  pumps  it  into  the  pulmonary  trunk  and 
pulmonary  arteries.  The  pulmonary  arteries  branch  to  transport  blood  to  the  lungs, 
where gas exchange occurs between the lung capillaries and the alveoli of the lungs. 
Oxygen diffuses from the air to the capillary blood; while carbon dioxide diffuses in 
the  opposite  direction.  The  blood  that  returns  to  the  left  atrium  by  way  of  the  pul-
monary  veins  is  therefore  enriched  in  oxygen  and  partially  depleted  of  carbon 
dioxide. The blood that is ejected from the right ventricle to the lungs and back to the 
left atrium completes one circuit: called the pulmonary circulation.  
Oxygen-rich  blood  in  the  left  atrium  enters  the  left  ventricle  and  is  pumped  into  a 
very large, elastic artery; the aorta. The aorta ascends for a short distance, makes a U-
turn,  and  then  descends  through  the  thoracic  and  abdominal  cavities.  Arterial 
branches from the aorta supply oxygen-rich blood to all of the organ systems and are 
thus  part  of  the  systemic  circulation.  As  a  result  of  cellular  respiration,  the  oxygen 
concentration is lower and the carbon  dioxide concentration is higher in the  tissues 
than in the capillary blood. Blood that drains into the systemic veins is thus partially 
depleted of oxygen and increased in carbon dioxide content. These veins empty into 
two  large  veins;  the  superior  and  inferior  venae  cavae  that  return  the  oxygen-poor 
blood  to  the  right  atrium.  This  completes  the  systemic  circulation;  from  the  heart 
(left ventricle), through the organ systems, and back to the heart (right atrium).  


background image

 

 
Physiology of cardiac muscle 

The heart is composed of three major types of cardiac muscle. 
1- The atrial muscle.           
2- The ventricular muscle.  
3-  Specialized  excitatory  and  conductive  muscle  fibers;  an  excitatory  system  of  the 

heart  that  helps  spread  of  the  impulse  (action  potential)  rapidly  throughout  the 
heart. 

 
Physiologic anatomy of cardiac muscle 
Cardiac  muscle  cells  (myocytes)  are  striated  as  they  have  typical  myofibrils 
containing  thin  actin  and  thick  myosin  filaments,  similar  to  those  found  in  skeletal 
muscle, which slide along each other during the process of contraction.  
Unlike skeletal muscle (no gap junction), adjacent myocardial cells are joined end to 
end at structures called intercalated discs, which are cell membranes that have very 
low electrical resistance. Within the intercalated discs, there are electrical synapses or 
gap junctions, these gap junctions are protein channels that allow  ions to flow from 
the cytoplasm of one cell directly into the next cell and, therefore action potentials to 
move with ease from one cardiac myocyte to another. That is, when one of these cells 
becomes excited, the action potential spreads rapidly throughout the intercalated discs 
and gap junctions to stimulate the neighbor cell, so the myocardium act almost as if it 
is a single cell; a syncytium, i.e., the cardiac muscle contracts or behaves as a single 
functional unit (syncytium property).  
 

Innervations of the heart 

The  heart  receives  a  rich  supply  of  sympathetic  and  parasympathetic  nerve  fibers. 
The parasympathetic contained in the vagus nerves release acetylcholine which acts 
on  the  muscarinic  receptors.  The  sympathetic  postganglionic  fibers  release 
norepinephrine  (noradrenaline)  which  acts  on  beta  one  (β

1

)  adrenergic  receptors 

distributed  on  cardiac  muscle.  The  circulating  epinephrine  hormone  from  adrenal 
medulla also combines with the same receptors (β

1 

receptors). 

 

Blood supply of the heart 

The myocardial cells receive their blood supply through arteries that branch from the 
aorta, named coronary arteries. 
Coronary veins drain into a single large vein, the coronary sinus, which drain into the 
right atrium. 
 
 
 
 
 

 


background image

 

 
 
 
The function of the heart valves 

The  atrioventricular  valves  (AV  valves)  are  composed  of  thin  membranous  cusps 
(fibrous  flaps  of  tissue  covered  with  endothelium),  which  hangdown  in  the 
ventricular cavities during diastole. After atrial contraction and just before ventricular 
contraction, the AV valves begin to close and the leaflets (cusps) come together by 
mean of backflow of the blood in the ventricles towards the atria.  
The AV valves include:  

  The  mitral  valve;  the  left  AV  valve;  bicuspid  valve,  which  consists  of  two 

cusps (anterior and posterior), located between left atrium and left ventricle.  

  The tricuspid valve; the right AV valve, which consists of three cusps, located 

between right atrium and right ventricle. 

The function of AV valves is to prevent backflow (prevent regurgitation; leakage) of 
blood into the atria during ventricular contraction. Normally they allow blood to flow 
from the atrium to the ventricle but prevent backward flow from the ventricle to the 
atria. The atrioventricular valves contain and supported by papillary muscles. 
 
The aortic and pulmonary valves each consist of three semilunar cusps that resemble 
pockets  projecting  into  the  lumen  of  aorta  and  pulmonary  trunk.  They  contain  no 
papillary  muscle.  During  diastole  the  cusps  of  these  valves  become  closely 
approximated  to  prevent  regurgitation  of  blood  from  aorta  and  pulmonary  arteries 
into the ventricles. During systole the cusps are open towards arterial wall, leaving a 
wide opening for ejection of blood from the ventricles. In other words, the pulmonary 
and aortic valves allow blood to flow into the arteries during ventricular contraction 
(systole) but prevent blood from moving in the opposite direction during ventricular 
relaxation (diastole). 
 
*All valves close and open passively. That is, they close when a backward pressure 

gradient  pushes  blood  backward, and  they  open  when  a  forward  pressure  gradient 
forces blood in the forward direction. 

*There are no valves at entrance of superior, inferior vena cava and pulmonary veins 

into the atria. What prevents the backflow of blood from the atria toward the veins is 
the  compression  of  these  veins  by  the  atrial  contraction.  However  little  blood  is 
ejected  back  into  veins,  this  represents  the  venous  pulse  seen  in  the  neck  veins 
(jugular veins) when the atria contracting. 


background image

 

 

 
 
Function of papillary muscles 

The AV valves (mitral and tricuspid) are supported by papillary muscles that attach to 
the flaps  of  these valves  by  the  chordae tendineae.The  papillary  muscles  originated 
from the ventricular walls and  contract at  the same time when the ventricular  walls 
contract, but these muscles do not help the valves to close or open. Instead, they pull 
the  flaps  of  the  valves  inward,  toward  the  ventricles  to  prevent  too  much  further 
bulging of the flaps (cusps) backward toward the atria during ventricular contraction, 
to  prevent  leakage  of  blood  into  the  atria  (keep  the  valve  flaps  tightly  closed).  In 
other words, contractions of papillary muscles prevent evertion of the flaps of the AV 
valves  into  the  atria  which  could  be  induced  by  high  pressure  produced  by 
contraction of the ventricles.  
 

 

 

Figure: Mitral (two cusps) and Aortic (three cusps) valves. 

 
 


background image

 

 
Heart Sounds 

When  the  stethoscope  is  placed  on  the  chest  wall  over  the  heart,  two  sounds  are 
normally heard during each cardiac cycle (1st & 2nd heart sounds). Heart sounds are 
associated with closure of the valves with their associated vibration of the flaps of the 
valves and the surrounding blood under the influence of the sudden pressure changes 
that develop across the valve. That is, heart sound does not produced by the opening 
of the valve because this opening is a slow developing process that makes no noise. 
1-The first heart sound (S

1

): is caused by closure of the AV valves when ventricles 

contract at systole. The vibration is soft, low-pitched lub. 

2-The  second  heart  sound  (S

2

):  is  caused  by  closure  of  the  aortic  and  pulmonary 

valves when the ventricles relax at the beginning of diastole. The vibration is loud, 
high-pitched dup. It is rapid sound because these valves close rapidly and continue 
for only a short period i.e., rapid, short and of higher pitch dup. 

3-The third heart sound (S

3

): is caused by rapid filling of the ventricles, by blood that 

flow  with  a  rumbling  motion  into  the  almost  filled  ventricles;  at  the  middle  one 
third  (1/3)  of  diastole  i.e.,  it  is  caused  by  the  vibrations  of  the  ventricular  walls 
during the period of rapid ventricular filling that follows the opening of AV valves. 
It is a low-pitched sound and can be heard after the S

2

. It is heard in normal heart; 

in children and in adult during exercise. It is also heard in anemia, and AV valve 
regurgitation. 

4-The  fourth  heart  sound  (S

4

):  it  is  an  atrial  sound  when  the  atria  contract  (at  late 

diastole). It is a vibration sound (similar to that of S

3

) associated with the flow of 

blood  into  the  ventricle.  It  is  not  heard  in  normal  hearts  but  occurs  during 
ventricular overload as in severe anemia, Thyroitoxicosis (hyperthyroidism)  or in 
reduced ventricular compliance and in hypertension.  If present, it is heard before 
S

1

. (S

4

, S

1

, S

2

, S

3

).    

 

Heart murmurs 

They  are  abnormal  sounds,  can  be  produced  by  blood  flowing  rapidly  in  the  usual 
direction  but  through  an  abnormally  narrowed  valve  (stenosis),  by  blood  flowing 
backward  through  a  damaged,  leaky  valve  (incompetent,  regurgitant  valve)  or  by 
blood  flowing  between  the  two  atria  or  two  ventricles  through  a  small  hole:  ASD 
(atrial septal defect), VSD (ventricular septal defect). 
 ………………………………………………………………………………………… 
*Pitch = the audible range of frequencies (cycles/sec). 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

 

Lect.2                                      

Properties of the cardiac muscle 

In addition, to the syncytium property, the cardiac muscle has the property of: 

  Automaticity and rhythmicity (Autorhythmicity). 

  Excitability and conductivity. 

  Contractility 

Autorhythmicity, Excitability and conductivity: 

 
Electrical activity of the heart 
(action potential): 
Objectives: 

1.  Describe action potentials in cardiac muscle cells. 
2.  Explain how the SA node functions as the pacemaker. 

Specialized excitatory and conductive system of the heart: consists of: 
1. Sinus node "SA" node: also called sinoatrial node, located in the right atrium. It is 

concerned  with  the  generation  of  rhythmical  impulse;  it  is  the  pacemaker  of  the 
heart  that  initiates  each  heart  beat.  This  automatic  nature  of  the  heart  beat  is 
referred to as automaticity. 

2. Internodal pathways conduct the impulse generated in SA node to the AV node. 
3. The AV node (atrioventricular node), located near the right AV valve at the lower 

end  of  the  interatrial  septum,  in  the  posterior  septal  wall  of  the  right  atrium.  At 
which impulse from the atria is delayed before passing into the ventricles. 

4. The AV bundle (bundle of His) conducts the impulse from the atria into ventricles. 
5. The left and right bundles of purkinje fibers, which conduct the cardiac impulse to 

all parts of the ventricles. The purkinje fibers distribute the electrical excitation to 
the myocytes of the ventricles. 

 

 

Figure: organization of the AV node. 


background image

 

 

Figure: The cardiac conduction system. 

 
The SA node as the pacemaker of the heart:
 (

Automaticity & rhythmicity) 

Automaticity  is  the  property  of  self-excitation  (i.e.  the  ability  of  spontaneously 
generating action potentials independent of any extrinsic stimuli) while rhythmicity is 
the regular generation of these action potentials. In other words, the cardiac impulse 
normally  arises  in  the  SA  node,  which  has  the  capability  of  originating  action 
potentials and functioning as pacemaker. This action potential then spreads from the 
SA node throughout the atria and then into and throughout the ventricles. 
The contractile cardiac muscle cells don't normally generate action potentials but they 
can do in certain pathological conditions.  This mean that all parts of the conduction 
system  are  able  to  generate  a  cardiac  impulse;  (autorhythmicity),  but  the  normal 
primary pacemaker is the SA node, while the AV node is a secondary pacemaker and 
the Purkinje system is a tertiary (or latent) pacemaker. The AV node acts  only if the 
SA  node  is  damaged  or  blocked,  while  the  tertiary  pacemaker  takes  over  only  if 
impulse conduction via the AV node is completely blocked. 
The SA node discharges at an intrinsic rhythmical rate of  100-110 times per minute 
(sinus  rhythm).  Under  abnormal  condition;  the  AV  nodal  fibers  can  exhibit 
rhythmical discharge and contraction at a rate of 40 to 60 times/minute. While those 
of purkinje fibers discharge at a rate between 15 and 40 times/minute. 
Autorhythmicity is a myogenic property independent of cardiac innervation. This is 
evidenced by the following: 

  Completely denervated heart continues beating rhythmically. 

  Hearts  removed  from  the  body  and  placed  in  suitable  solutions  continue 

beating for relatively long periods. 

  The  transplanted  heart  (denervated  heart)  has  no  nerve  supply  but  they  beat 

regularly. 

Self-excitation of SA node: 


background image

 

What causes the SA node to fire spontaneously? 
Although the SA node discharges at an intrinsic rhythmical rate of 100-110 times per 
minute but the pulse rate averages 70 or 80 times per minute, this is because of the 
effect  of  vagal  tone.  SA  node  does  not  have  a  stable  resting  membrane  potential 
which starts at about – 60 mV. This is due to the inherent leakiness of the SA nodal 
fibers to Na

ions that causes this self-excitation (Na

+

 influx). in other words, because 

of the high Na

+

 ions concentration in the ECF as well as the negative electrical charge 

inside the resting sinus nodal fibers, the positive Na

+

 ions outside the fibers tend to 

leak  to  the  inside,  rising  the  membrane  potential  up  to  a  threshed  to  fire  an  action 
potential. 

Atrioventricular node (AV node): 

The conductive system is organized, so that cardiac impulse will not travel from the 
atria  into  ventricles  too  rapidly.  There  is  a  delay  of  transmission  of  the  cardiac 
impulse  in  the  AV  node  to  allow  time  for  the  atria  to  empty  their  blood  into  the 
ventricles before ventricular contraction begins.  

Cardiac action potentials: 

Action potential of SA node 

The  resting  membrane  potential  of  SA  node  is  of  -55  to  -60  mV  (millivolts).  The 
cause of this reduced negativity "less negative" is that the cell membrane of the sinus 
fibers are naturally leaky to sodium ions "Na

+

 influx". Therefore; Na

+

 influx causes    

a rising membrane potential "gradual depolarization" which when reaches a threshold 
voltage at about - 40 mV, the fast calcium and sodium channels opened, leading to    
a  rapid  entry  of  both  Ca

+2

  and  Na

ions  causing  the  action  potential  to  about  0  mV 

(zero), to be followed by repolarization which is induced by K

+

 efflux out of the fiber 

because  of  the  opening  of  K

+

  channels.  This  repolarization  carries  the  resting 

membrane  potential  down  to  about  -55  to  -60  mV  at  the  termination  of  action 
potential. 
 

 

 

Figure: Action potentials of the SA node. 

 


background image

 

 
Action potential of ventricular cardiac muscle fiber 

The membrane potential of cardiac ventricular muscle fiber cells is about -90 mV; the 
interior  of  the  cell  is  electrically  negative  with  respect  to  the  exterior  due  to 
disposition; distribution of ions mainly Na

+

, K

+

 and Ca

+2

 ions across its membrane. 

The  action  potential  (AP)  is  an  electrical  signal  or  impulse  produced  by  ionic 
redistribution that the potential changes into positive inside the cell  (depolarization), 
to  be  followed  by  restoration  of  the  ions;  returning  back  to  the  resting  potential 
(repolarization).  Stimulation  of  cardiac  muscle  cells  by  SA  produces  a  propagated 
action potential, that is responsible for muscle contraction i.e., excitation-contraction 
coupling.  In other words, stimulation of cardiac muscle cells specifically those of the 
ventricles  is  performed  by  the  propagated  AP  of  the  SA  node  from  which  the 
electrical impulses originating and propagated over the heart. According to the figure 
(a), the propagated AP of the SA node depolarized the ventricular muscle fiber cells 
rapidly with an  overshoot  (phase  0), followed  by a  plateau at  around zero  potential 
level (phase 2). This plateau is unique for the heart muscle; and is followed by phase 
3 and 4; as final repolarization i.e., for the potential to return to baseline. 
 
Ionic basis of the action potential of the cardiac ventricular muscle fiber cell: 
The  action  potential  of  cardiac  ventricular  muscle  fiber  cell  includes  the  following 
phases (a):  
 

  Phase  0  (upstroke):  initial  rapid  depolarization  with  an  overshoot  to  about   

+20 mV are due to opening of the voltage-gated Na

+

 channels with rapid Na

+

 

influx. 

  Phase 1 (partial repolarization): initial rapid repolarization is due to K

+

 efflux 

(K

+

 outflow) followed the closure of Na

+

 channels when the voltage reaches at 

nearly +20 mV. 

  Phase  2  (plateau):  subsequent  prolonged  plateau  is  due  to  slower  and 

prolonged  opening  of  the  voltage-gated  Ca

+2

  channels  with  Ca

+2

  influx,  Ca

+2

 

enter through these channels prolong depolarization of the membrane. 

  Phase  3  (rapid  repolarization):  final  repolarization  is  due  to  opening  of  the 

voltage-gated  K

+

  channels  at  zero  voltage  with  rapid  K

+

  outflow  (K

efflux)  

followed  the  closure  of  Ca

+2

  channels  and,  this  restores  the  membrane  to  its 

resting potential. 

  Phase  4  (complete  repolarization):  The  membrane  potential  goes  back  to  the 

resting level (-90 mV) i.e., restoration of the resting potential. This is achieved 
by the Na

+

-K

pump that works to move the excess  K

+

 in and the excess Na

+

 

out.  

 
 

 


background image

 

10 

 

 

Figure (a): The action potential of the ventricular muscle fiber. 

       

 

Figure: Rhythmical action potentials from a purkinje and ventricular muscle fibers. 

 

 

Figure: Rhythmical discharge of SA nodal fiber, compared with action potential of 

ventricular muscle fiber. 


background image

 

11 

 
 
Refractory period: 

  Absolute refractory period (ARP), it is the interval during which no  action 

potential can be produced, regardless of the stimulus intensity i.e., no stimulus 
however strong, can produce a propagated action potential. It lasts the upstroke 
plus plateau and initial repolarization till mid-repolarization at about -50 to -60 
mV. It means that the cardiac muscle can not be exited during the whole period 
of  systole  and  early  part  of  diastole.  This  period  prevents  waves  summation 
and tetanus. 

  Relative  refractory  period  (RRP),  it  is  the  interval  during  which  a  second 

action potential can be produced but at higher stimulus intensity i.e., the heart 
responds  only  to  stronger  stimuli.  It  lasts  from  the  end  of  ARP 
(midrepolarization) and ends shortly before complete repolarization i.e., it lasts 
for a short period during diastole. 

 
 

 

Figure:  Relationship  between  membrane  potential  changes  and  contraction  in              

a ventricular muscle cell. The refractory period lasts almost as long as the 
contraction.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

12 

 
 
 

Lect. 3 

Con. on Properties of the cardiac muscle: 

 

Contractility 

Objectives: 

1.  Describe the major properties of cardiac muscle. 
2.  Discuss Frank-Starling law. 
3.  Describe how an action potential causes contraction (cardiac excitation-

contraction coupling).   

 
Contractility is the ability of the cardiac muscle to contract. 
The  effect  of  various  factors  on  contractility  is  called  inotropism;  a  positive  (+ve) 
inotropic  effect  means  an  increase  in  myocardial  contractility,  whereas  a  negative     
(-ve) inotropic effect means a decrease in myocardial contractility.   
 

Excitation-Contraction coupling in the heart muscle: 

As in skeletal muscles, the depolarization wave reaching via the T tubules causes the 
opening of Ca

+2

 channels in the sarcoplasmic reticulum adjacent to the T-tubules. The 

released Ca

+2

 from the cisternae of the sarcoplasmic reticulum (activator Ca

+2

; aCa

+2

binds  to  troponin  C,  leading  to  cross  bridge  formation  between  actin  and  myosin, 
which results in contraction.  
In  cardiac  muscle,  the  amount  of  this  activator  Ca

+2

  is  often  insufficient  to  initiate 

contraction, but it can be increased indirectly by the following mechanism: 
The depolarization wave in the T-tubules opens the long-lasting Ca

+2

 channels in the 

T-tubule  membrane,  and  sarcolemma,  Ca

+2

  diffuses  from  the  ECF  through  these 

channels into the cardiac muscle fibre cell causing a small increase in the cytosolic 
(fluid  of  the  cytoplasm)  calcium  concentration  in  the  region  of  the  T-tubules  and 
adjacent sarcoplasmic reticulum. This Ca

+2

 is called depolarizing Ca

+2

, and although 

its amount is normally very small, yet it is important because it acts as a signal for the 
release  of  large  amount  of  activator  Ca

+2

  from  the  cisternae  of  sarcoplasmic 

reticulum, it is mainly this cytosolic Ca

+2

 that causes the contraction, i.e. once Ca

+2

 is 

in  the  cytoplasm,  it  binds  to  troponin  and  stimulates  contraction.  As  a  result, 
myocardial  cells  contract  when  they  are  depolarized.  The  force  of  contraction  is 
directly proportional to the amount of cytosolic Ca

+2

.  

Contraction ends when the cytosolic Ca

+2

 concentration restored to its original level. 

In other  words, relaxation  of the  cardiac muscle  occurs as  a result  of release  of  the 
actin-myosin combination, this is achieved by decreasing the intracellular Ca

+2

 to its 

pre- contraction level, which occurs by:  
1- Active re uptake of Ca

+2

 into the sarcoplasmic reticulum by Ca

+2

 pump (primary 

active transport of Ca

+2

). 


background image

 

13 

2- Active pumping of excess Ca

+2

 outside the fibres by Na

+

- Ca

+2

 exchanger carrier 

protein (secondary active transport ; counter transport). 

 
The  heart  normally  cannot  be  stimulated  again  until  after  it  has  relaxed  from  its 
previous  contraction  because  myocardial  cells  have  long  refractory  periods  that 
correspond  the  long  duration  of  their  action  potentials.  Summation  of  contractions 
and tetanus are thus prevented, and the myocardium must relax at each contraction to 
ensure the rhythmic pumping action of the heart. 
                                                                
                                                                             
                                                                                      

 

Figure: (2) = slow calcium channel, dCa

+2

 = depolarizing calcium, (3) = Ca

+2

-pump 

(active transport), (4) = Na

+

-Ca

+2

 Exchanger, aCa

+2

 = activator calcium. 

 

 
Factors that affect cardiac contractility:  

  Mechanical 

  Cardiac  

  Extra cardiac 

 
Mechanical factors:  

  Preload (venous return) 

  Afterload  


background image

 

 

 
 
The preload: 

The preload is the load that determines the initial length of the resting muscle before 
contraction.  The  level  of  the  preload  is  represented  by  the  end-diastolic  volume 
(EDV) i.e., by the venous return (VR). It affects the tension developed in the muscle. 
When  the  venous  return  (EDV),  increases,  the  strength  of  ventricular  contraction 
increases too, leading to an increase in the stroke volume (Frank-Starling law).  
 
Frank-Starling's law of the heart 
This law describes the length-tension relationship in muscles; it states that the force 
of  contraction  of  the  ventricles  depends  on  the  initial  length  of  ventricular  muscle 
fibers. In such a way, that the force of myocardial contraction is directly proportional 
to  the  initial  length  of  the  cardiac  muscle  fibres  (i.e.  to  the  preload  (VR)  or  EDV). 
This  means  that  the  greater  the  degree  of  stretching  of  the  myocardium  before 
contraction, the  greater the  force  of  contraction. In  other words,  Frank-Starling  law 
reflects the relationship between ventricular end-diastolic volume (EDV) and stroke 
volume; when the blood returns to the heart during the filling phase, this blood will 
distend  the  ventricles  so  the  ventricles  will  produce  more  powerful  contraction  to 
pump the increased volume of the blood.  
The Significance of Frank-Starling's law 
The Starling's law allows autoregulation of myocardial contractility (regulation of the 
contractility by changing the length of the muscle fibers), in the following conditions: 
(1)  In  normal  hearts.  Starling's  law  allows  changes  in  the  right  ventricular 

output  to  match  changes  in  the  venous  return  (VR),  and  maintains  equal 
outputs  from  both  ventricles.  For  example,  if  the  systemic  VR  increases,  
the  EDV  of  the  right  ventricle  increases,  leading  to  a  forceful  contraction 
that  increases  its  output  to  match  the  increased  VR.  At  the  same  time,  the 
increased  right  ventricular  output  increases  the  pulmonary  VR  to  the  left 
ventricle,  which  also  increases  its  EDV,  resulting  in  an  increase  of  its  output, 
which balances the increased right ventricular output. 

 (2)  In  denervated  hearts  (e.g.  transplanted  hearts);  autoregulation  of  myocardial 

contractility becomes the main mechanism. 

(3)    In  cases  of  rise  of  the  arterial  blood  pressure:  the  stroke  volume  of  the  left 

ventricle would decrease. However, the retained blood in the left ventricle plus 
blood  returning  to  it  from  the  left  atrium  during  the  next  diastole  increase  the 
EDV. This leads to a forceful contraction, thus the accumulated blood in the left 
ventricle will be ejected in spite of the increased arterial blood pressure. 

 

The Afterload: 

The afterload is the load that the muscle faces when it begins to contract. In the intact 
heart, the afterload is produced by the aortic impedance which is determined by:  


background image

 

  The aortic pressure (arterial systolic blood pressure).  

  The arterial wall rigidity (arteriosclerosis).  

  Blood viscosity (polycythemia).  

Cardiac factors:  

  The myocardial mass.  

  The heart rate.  

The myocardial mass: 
 A  significant  injury  or  loss  of  the  functioning  ventricular  muscle  (e.g.  due  to 
ischemia or necrosis) decreases the force of myocardial contractility. This also occurs 
in cases of heart failure.  
The heart rate: 
The  force  of  cardiac  contractility  is  affected  by  the  frequency  of  stimulation.  An 
increase  in  the  frequency  of  stimulation  (i.e.  shortening  the  intervals  between  the 
stimuli) causes a proportional increase in the force of contraction.  
Accordingly, tachycardia causes a +ve inotropic effect while bradycardia exerts a -ve 
inotropic action. The +ve inotropic effect in tachycardia is due to the increase in the 
number  of  depolarization  (which  increases  the  intracellular  Ca

+2

  content  and  its 

availability to the contractile proteins (troponin C)). 
 
Extra cardiac factors: 
These factors affect the cardiac inotropic state and they include the following: 

  Neural  

  Physical 

  Chemical 

 
 
 
 

 
 


background image

 

Neural factors: 
Sympathetic stimulation and noradrenaline exert a +ve inotropic effect by increasing;  

  Cyclic-AMP in the cardiac muscle fibres (which leads to activation of the Ca

+2

 

channels and more Ca

+2

 influx from the ECF).  

  The heart rate.  

Conversely,  parasympathetic  stimulation  and  acetylcholine  exert  a  -ve  inotropic 
effect (by opposite mechanism) but on the atrial muscle only (since the vagi nerves 
don't supply the ventricles). 
Physical factors: 
A  moderate  rise  of  the  body  temperature  strengthens  cardiac  contractility  (by 
increasing the Ca

+2

 influx and ATP formation in the muscle) while an excessive rise 

of  the  body  temperature  (e.g.  in  fever)  exhausts  the  metabolic  substrates  in  the 
cardiac  muscle  and  decreases  its  contractility.  Hypothermia  also  decreases  cardiac 
contractility. 
Chemical factors: 
(A) Hormones:  

Catecholamines  (epinephrine,  norepinephrine  and  dopamine),  glucagon  and  the 
thyroid hormones; all exert a +ve inotropic effect. 

(B) Blood gases:  

Moderate  hypoxia  (O

2

  lack)  and  hypercapnia  (CO

2

  excess)  increase  the  cardiac 

contractility, whereas severe hypoxia and hypercapnia directly depress the cardiac 
muscle and decrease its contractility. 

(C) H 

+

 ion concentration (pH):  

An increase of the blood [H

+

] i.e. drop of the blood pH (acidosis) produces a -ve 

inotropic effect,  whereas   a  decrease  of the  blood  [H

+

] i.e.  rise  of the  blood  pH 

(alkalosis) produces a + ve inotropic effect.  

 
(D) Inorganic ions: 

  Sodium:  Hypernatraemia  favors  Na

+

  influx  and  Ca

+2 

efflux  by  the  

Na

+

-Ca

+2

  exchanger  carrier,  thus  it  has  a  -ve  inotropic  effect.  On  the  other 

hand, hyponatraemia exerts a +ve inotropic effect by an opposite mechanism. 

  Potassium: Hyperkalaemia has a -ve inotropic effect (weakens the myocardial 

contractility; flaccidity) and may stop the heart in diastole. This is because the 
excess K

+

 in the ECF decreases the resting membrane potential (more positive 

resting  membrane  potential;  closer  to  the  threshold))  in  the  cardiac  muscle 
fibers, so the amplitude of the action potential is reduced leading to less influx 
of  the  depolarizing  Ca

+2

  and  in  turn  less  release  of  activator  Ca

+2

  from  the 

sarcoplasmic  reticulum.  In  addition,  Hyperkalaemia  increases  excitation  and 
decreases  conduction  leading  to  ectopics  and  dilated,  flaccid  heart.  On  the 
other  hand,  hypokalaemia  produces  a  +ve  inotropic  effect  by  an  opposite 
mechanism. 

  Calcium:  Hypercalcaemia  exerts  a  +ve  inotropic  effect  as  a  result  of  more 

cytosolic Ca

+2

. Whereas hypocalcaemia has a little (or no) -ve inotropic effect, 

since lowering of the serum Ca

+2

 level causes fatal tetany before affecting the 


background image

 

heart. However, hypocalcaemia causes cardiac flaccidity like Hyperkalaemia.  

 
(E) Toxins: 

Several toxins (e.g. certain snake venoms and the toxin released by the diphtheria 
microorganisms) produce a-ve inotropic effect (mostly by a direct action on the 
contractile mechanism of the cardiac muscle). 

(F) Drugs: 

  Cardiac  glycosides  (e.g.  digitalis;  Digoxin):  These  drugs  inhibit  the  Na

+

-K

+

 

ATPase in the sarcolemma of the cardiac muscle fibres, so the intracellular Na

+

 

concentration increases. This decrease the Na

+

 influx, thus Ca

+2

 efflux through 

the  Na

+

-Ca

+2

  exchanger  is  also  decreased.  Accordingly, the  intracellular  Ca

+2

 

concentration  increases,  producing  a  +ve  inotropic  effect.  Digitalis  also 
increases the slow Ca

+2

 influx during the action potential. 

  Xanthines (e.g., caffeine  and theophylline;  bronchodilator): They  exert a  +ve 

inotropic effect.  

  Ouinidine,  barbiturates,  procainamide  (and  other  anesthetic  drugs)  as  well  as 

Ca

+2

 blocker drugs all have a -ve inotropic effect by decreasing Ca

+2

 influx into 

the cardiac muscle fibres. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

Lect. 4 

The Cardiac cycle 

Objectives: 

1.  Describe the pressure profiles in the left atrium, left ventricle and the aorta for 

a single cardiac cycle. 

2. 

Explain the origin and indicate the positions of the 1st and 2nd heart sounds

3.  Draw the profile of pressure changes in the

 

external jugular vein, labeling the 

three component waves. 

4.  Draw a classical ECG waveform on the time-base schedule. 

 
The cardiac events that occur from the beginning of one heartbeat to the beginning of 
the  next  are  called  the  cardiac  cycle.  Each  cycle  is  initiated  by  spontaneous 
generation of an action potential in the sinus node which travels rapidly through both 
atria and then through the A-V bundle into the ventricles. 
Because of this special arrangement of the conducting system from the atria into the 
ventricles,  there  is  a  delay  of  more  than  0.1  second  during  passage  of  the  cardiac 
impulse from the atria into the ventricles. This allows the atria to contract, pumping 
blood into  the  ventricles before  the  strong  ventricular contraction  begins.  Thus,  the 
atria  act  as  primer  pumps  for  the  ventricles,  and  the  ventricles  in  turn  provide  the 
major source of power for moving blood through the body’s vascular system. 
In  a  normal  heart,  cardiac  activity  is  repeated  in  a  regular  cycle.  At  a  normal  heart 
rate of about 72 beats/minute; for the atria, the cycle lasts for about 0.15 second  in 
systole and  0.65  second in  diastole. For the  ventricles,  the duration  of  each  cardiac 
cycle lasts about 0.8 second. If the heart rate increases, the diastole decreases, which 
means that the heart beating very fast may not remain relaxed long enough to allow 
complete filling of the ventricles before the next contraction. 
For the ventricles, the two major phases of the cardiac cycle are: 

  The diastole; a period of ventricular relaxation in which the ventricles fill with 

blood and it last for about 0.5 second. 

  The  systole;  a  period  of  ventricular  contraction  and  blood  ejection,  lasting   

about 0.3 second.  

Phases of the cardiac cycle: 

The  cardiac  cycle  starts  by  atrial  systole  followed  by  ventricular  systole  then  by 
diastole of the whole heart.  

Atrial systole (atria as a pump): 

It  is  the  first  phase  of  cardiac  cycle.  Blood  normally  flows  continually  (passively) 
from the veins into the atria and about 75% of the blood in the atria flow directly into 
the  ventricles  even  before  the  atrial  contraction.  Then,  atrial  contraction  usually 
causes an additional 25% filling of the ventricles. So the heart can continue to operate 
satisfactorily under most condition without this extra 25%, yet this 25% is needed in 
case of exercise. 
 
 


background image

 

Pressure changes in the atria during cardiac cycle 
During atrial contraction; right atrial pressure raises 4 to 6 mmHg, while the left atrial 
pressure raises 7 to 8 mmHg. In the atrial pressure curve, there are 3 major pressure 
elevations called the 

a

c

 and 

v

 atrial pressure waves: 

 

a

 wave is caused by atrial contraction. 

 

wave is caused by bulging of the tricuspid valve into the right atrium during 

ventricular contraction because of increasing pressure in the ventricles.  

 

v

  wave  result  from  slow  flow  of  blood  into  the  right  atrium  from  the  veins 

while the AV valve are closed during ventricular contraction. So the 

v

 wave is 

due to atrial filling. 

 

 

Figure: Atrial pressure curve. 

 
Clinical importance of atrial waves 
Venous pulsations occur only in large veins near the heart like the jugular veins in the 
neck  (the  jugular  venous  pulsations).  The  jugular  venous  pulse  reflects  changes  in 
right atrial pressure (the central venous pressure), i.e. the pressure changes within the 
right atrium are communicated to the neck jugular veins. To make the jugular venous 
pulsations  visible  in  the  neck, the  person  has  to  be  supine  with  his  back  at  a  slight 
angle to the horizontal (45 degree). In this position, the 

a

 and 

v 

waves can be seen in 

the jugular veins when the neck is carefully examined. When the venous pressure is 
raised as in heart failure  disease, the jugular veins  become more prominent and  the 
pulsation can be observed in the neck. 

  x-descent  is  caused  by  pulling  the  AV  ring  down  during  ventricular  systole; 

drop in right atrial pressure. 

  y-descent is caused by the opening of the AV valve and the escape of the blood 

from the atrium into the ventricle; drop in right atrial pressure. 

 

 

Figure: Normal jugular venous sphygmogram. 

 

 


background image

 

 

Figure: The position to examine normal jugular venous pulsation. JL = upper level            

where jugular pulsations appear (jugular level). SA = sternal angle level. 

 
 
Ventricular cardiac cycle 

The ventricular cardiac cycle consists of three phases: 

  Phase one: Ventricular filling.  

  Phase two: Ventricular systole.  

  Phase three: Isovolumic, isometric relaxation.  

 

Ventricular filling 

During  ventricular  systole,  the  accumulated  large  amounts  of  blood  in  the  atria 
because of the closed AV valves push the AV valves open and allow blood to flow 
rapidly into the  ventricles. During  atrial contraction, an additional  amount of  blood 
flows into the ventricles represent 25% of the filling of the ventricles. 
 

 

Figure: Ventricular pressure curve. 

 

 
 
 
 


background image

 

Ventricular systole:  

Subdivided into two phases: 

  Isovolumic, isometric contraction (isovolumetric contraction). 

  Ventricular ejection. 

 

Isovolumetric contraction 

It is ventricular contraction but without blood ejection (no emptying) just to close the 
AV valves and to open semilunar valves by the rise in intraventricular pressure (from 
0 to 80 mmHg in the left ventricle). It is the isovolumetric contraction, which means 
only  the  tension  is  increasing  in  the  ventricular  muscle  without  shortening  of  the 
muscle and with no change in blood volume. 
 

Ventricular ejection 

The  blood  ejected  from  the  ventricles  into  pulmonary  trunk  and  aorta  when  the 
ventricular pressure rises and forces the semilunar valves open. 
Left ventricular pressure rises above 80 mmHg. 
Right ventricular pressure rises above 8 mmHg. 

 

Figure: Ventricular volume curve. 

 

Isovolumetric relaxation

:  

Isovolumic, isometric relaxation; following ventricular systole, ventricular relaxation 
begins suddenly and ventricular pressure falls. The blood in the aorta and pulmonary 
trunk  backflows  toward  the  heart  closing  the  semilunar  valves.  For  another  0.03  to 
0.06  second,  the  ventricular  muscle  continues  to  relax,  even  though  the  ventricular 
volume does not change giving rise to the period of isovolumic relaxation in which 
the  intraventricular  pressure  falls  rapidly  back  to  their  low  diastolic  levels. 
Meanwhile, the atria have been filling with blood. When the pressure exerted by the 
blood on the atrial side of AV valves exceeds that in the ventricles, AV valves forced 
open  and  the  ventricular  filling  phase  begins  again  for  a  new  cycle  of  ventricular 
pumping. 
 

 
 
 
 
 


background image

 

Aortic pressure curve: 

When the left ventricle contracts, the intraventricular pressure rises rapidly until the 
aortic  valve  opens.  So  blood  immediately  flows  out  of  the  ventricle  into  the  aorta, 
causes the wall of this artery to stretch and the pressure rise. Then, at the end of the 
systole,  after  the  left  ventricle  stops  ejecting  blood  and  the  aortic  valve  closes,  the 
elastic recoil of the arteries maintains a high pressure even during diastole (diastolic 
pressure = 80 mmHg).The systolic pressure inside the aorta is equal to 120 mmHg. 
Incisura:  is  caused  by  a  short  period  of  backward  flow  of  blood  from  the  ventricle 
immediately  before  closure  of  the  valve  followed  then  by  sudden  cessation  of  the 
backflow. 

 

 

Figure: Aortic pressure curve. 

 
Relationship of the ECG to the cardiac cycle (Timing): 
The  ECG  (electrocardiogram)  shows  the  P,  QRS  and  T  waves.  They  are  electrical 
voltages generated by the heart and recorded by the ECG: 

  P-wave is caused by atrial depolarization; this is followed by atrial contraction, 

which causes a slight rise in the atrial pressure curve after the P wave. 

  About 0.16 second after the onset of the P wave, the QRS waves appear as a 

result of electrical depolarization of the ventricles, which initiates contraction 
of the ventricles and causes the ventricular pressure to begin rising, as shown 
in the figure. Therefore, the QRS complex begins slightly before the onset of 
ventricular systole. 

  T-wave  represents  ventricular  repolarization  at  which  the  ventricles  begin  to 

relax.  Therefore,  the  T  wave  occurs  slightly  before  the  end  of  ventricular 
contraction. 

Relationship of the Heart Sounds to Heart Pumping 
When listening to the heart with a stethoscope, one does not hear the opening of the 
valves  because  this  is  a  relatively  slow  process  that  normally  makes  no  noise. 
However, when the valves close, the cusps of the valves and the surrounding  blood 
vibrate under the influence of sudden pressure changes, giving off sound that travels 
in  all  directions  through  the  chest.  When  the  ventricles  contract,  one  first  hears  a 
sound  caused  by  closure  of  the  A-V  valves.  The  vibration  is  low  in  pitch  and 
relatively  long-lasting  and  is  known  as  the  first  heart  sound.  When  the  aortic  and 
pulmonary  valves  close  at  the  end  of  systole,  one  hears  a  rapid  snap  because  these 
valves  close  rapidly,  and  the  surroundings  vibrate  for  a  short  period.  This  sound  is 
called the second heart sound.  


background image

 

 
 
 
 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

Lect. 5 

Electrical potential of the heart 

 
The electrocardiogram (ECG): 
Objectives: 

1.  Draw an ECG classical waveform and label each component (P, QRS, T). 
2.  Draw diagrams indicating the 6 standarad limb leads (I,II,III,aVR,aVL,aVF). 

 
The  ECG  is  the  recording  of  the  electrical  potential  of  the  heart  that  extend  to  the 
body  surface.  By  placing  the  electrodes  of  an  ECG  instrument  on  the  skin  surface, 
you can record the waves of depolarization and repolarization that are generated by 
the cardiac muscle. The apparatus used is called the electrocardiograph; it is formed 
basically of a sensitive galvanometer and an amplifier.  
A standard ECG consists of 12 leads:  

  3 Bipolar standard limb leads (I, II, III). 

  3 unipolar limb leads (aVR, aVL, aVF). 

  6 unipolar chest leads. 

Bipolar standard limb leads (I, II, III): 

These leads record the differences between the potentials in 2 limbs, by applying 
electrodes  usually  at  the  wrist  and  ankle.  The  3  standard  bipolar  limb  leads 
include: 

  Lead  I:  This  records  the  difference  between  the  potential  in  the  left  arm  

(LA) and that in the right arm (RA).  

  Lead  11:  This  records  the  difference  between  the  potential  in  the  right  arm 

(RA) and that in the left leg (LL).  

  Lead  III:  This  records  the  difference  between  the  potential  in  the  left 

leg (LL) and that in the left arm (LA).  

Einthoven's triangle: This is an equilateral triangle, the sides of which represent the 3 
bipolar standard limb leads while the heart lies at its centre. 
 
 

 


background image

 

10 

 
 
Unipolar limb leads (aVR, aVL, aVF):  
These measure the absolute (actual) potential at a certain point. This is carried out by 
applying one electrode from the electrocardiograph to the desired point (it is active, 
+ve or exploring electrode) while the other electrode represents a common reference 
point inside the instrument; it is the -ve electrode (0 potential) i.e. the unipolar leads 
measure the potential differences between active electrodes and zero potential. 
They are augmented unipolar limb leads that have magnified amplitudes by about  50 
% without any change in their configuration, so they are called aVR, aVL and aVF (a 
= augmented).  
 

 

 
 
Unipolar chest leads: 
Unipolar leads (precordial or chest leads) record the absolute potential at 6 standard 
points on the anterior chest wall designated as V1 to V6, the locations of which are as 
follows:  

  V1: At the right margin of the sternum in the 4th right intercostal space. 

  V2: At the left margin of the sternum in the 4th left intercostal space. 

  V3: Midway between V2 and V4. 

  V4: At the left midclavicular line in the 5th intercostal space. 

  V5: At the left anterior axillary line in the 5th intercostal space. 

  V6: At the left midaxillary line in the 5th intercostal space. 

 

The precordial leads look at the heart in a horizontal plane from the front & left sides. 
Leads V1 & V2 look at the right ventricle and reflect its activity, V3 & V4 look at the 
interventricular septum and reflect its activity, while leads V5 & V6 look at the left 
ventricle and reflect its activity. 
 
Connections of the electrocardiograph:  


background image

 

11 

By  specific  electrodes,  the  electrocardiograph  is  connected  to  the  4  limbs  and  the 
chest  at  the  same  time.  The  right  leg  connection  is  used  to  "earth"  the  subject  (to 
minimize interference currents). It is arranged so that an upward (+ ve) deflection is 
produced  when  a  depolarization  wave  is  moving  toward  the  exploring  electrode  or     
a repolarization wave is moving away from it, and vice versa.  

 

 
 


background image

 

12 

Calibration of the electrocardiograph: 
The electrocardiograph is calibrated so that a change of 1 mV upward or downward 
produces a deflection  of 10 mm amplitude (10 small squares; 2 large squares), thus 
each  mm  between  the  horizontal  lines  (voltage  calibration  lines)  equals  0.1  mV.  In 
other  words,  the  thin  horizontal  lines  calibrated  at  1  mm  interval  and  the  thick 
horizontal  lines  at  5  mm  intervals.  The  vertical  lines  are  time  calibration  lines  in 
which duration of each mm (small square) equals 0.04 second, each inch (2.5cm) is 1 
second, divided into 5 large squares, each large square (5 small squares)  represents 
0.20 second. 
 
Calculation of heart rate from ECG paper: 
If  the  heart  rhythm  is  regular,  the  heart  rate  (HR)  ran  be  counted  by  dividing  the 
number of large squares between two consecutive R waves into 300 or small squares 
into 1500. If the rhythm is irregular, one can multiply the number of complexes in 6 
seconds by 10.  
 
Speed: 
It is the speed at which the chart paper moves. The standard speed is 25 mm/sec. The 
importance of  another  speed  (50 mm/sec)  is  in  case  of tachycardia  (e.g.  HR  of  180 
beat/min), to obtain a proper ECG. 
 
Sensitivity:  
It means mm deflection for 1 mV (range; 5-10-20). The higher the sensitivity of the 
instrument,  the  more  the  deflection  and  vise  versa.  The  standard  sensitivity  is           
10 mm/mV (2 large squares), in cardiomegally you must reduce the sensitivity. 
 
ECG waves: 
ECG (Electrocardiograph) is an indirect recording of electrical potential of the heart. 
Normal ECG consists of the following waves: 

  P  wave  caused  by  the  depolarization  process  of  the  atria;  i.e.,  correspond  to 

atrial depolarization just before contraction (i.e., not atrial contraction). 

  QRS complex of waves caused by the depolarization process of the ventricles; 

again before ventricular contraction (i.e., not ventricular contraction). 

  T  wave  caused  by  the  repolarization  of  the  ventricles;  the  ventricles  recover 

from the state of depolarization. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

13 

 

Duration and intervals: 

  P wave, duration; 0.07-0.14 seconds and not higher than 3 mm. 

  PR  interval,  This  is  measured  from  the  beginning  of  the  P  wave  to  the 

beginning of the QRS complex; to the onset of the Q wave if there is one and 
to the onset of the R wave if there is no Q wave. This interval corresponds to 
the time taken for the impulse to travel from the sinus node to the ventricular 
muscle. It ranges normally between 0.12- 0.21 seconds. Abnormal PR interval 
is either long as in first degree heart block or short as in WPW syndrome. 

  QRS  complex,  duration;  0.06  –  0.10  seconds.  Abnormal  wide  QRS  indicate 

bundle branch block. 

  T wave, duration; 0.25 -0.35 seconds and not taller than 10 mm in chest leads. 

  QT  interval,  it  represents  the  total  time  from  the  onset  of  ventricular 

depolarization to the completion of repolarization. It indicates the duration of 
ventricular systole i.e. contraction of the ventricle lasts  from the beginning of 
the Q wave to the end of the T wave. Normally it is about 0.35 seconds; range 
0.28 – 0.44 seconds.  

 

 


background image

 

14 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

15 

 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

16 

Lect.6 

 
Electrical axis and cardiac vector 

Objectives: 

1.  State the relationship between the direction of cardiac vector with the direction 

(-ve, +ve) and amplitude of an ECG waves. 

2.  Draw diagram indicting the axes of limb leads.  

 
Cardiac vector: 

The cardiac vector is the net result of the directions of the spread of depolarization 
waves  from  the  SA  node  through  the  atria,  AV  node,  interventricular  septum, 
ventricles, and to the apex of the heart, the last part of the heart to be depolarized is 
the base of the heart. 
Vector that occurs during depolarization of the ventricles 
When the cardiac impulse enters the ventricles through the AV bundle, the first part 
of the ventricles to become depolarized is the left endocardial surface of the septum, 
then  this  depolarization  spreads  rapidly  to  involve  both  endocardial  surfaces  of  the 
septum, the  endocardial  surface  of  the  two  ventricles  and  finally  it  spreads  through 
the  ventricular  muscle  to  the  outside  of  the  heart  and  thereafter,  the  heart  vector 
points toward the base of the left ventricle.  
 
 
 
 
 

 

 

                    Figure: Vectors that occur during depolarization of the ventricles. 
 
 
 
 
 


background image

 

17 

 

Figure:  Gensis  of  the  QRS  complex.  The  first  phase,  directed  from  left  to  right 
across the septum, produce Q wave in V6 and an  R wave in V1. The second phase, 
due to depolarization of the left ventricle from endocardium to epicardium, results in 
a tall  R wave  in  V6 and  a deep  S wave in  V1. Phase  3, depolarization of  the  basal 
parts of  ventricles producing a terminal S wave in V6 and a terminal R wave in V1. 
 
 
Electrical axis of the ventricular QRS: 
In  relation  to  the  bipolar  limb  leads  (I,  II,  III),  the  cardiac  vector  or  axis  can  be 
calculated. The relationship among the six limbs leads, i.e., the axis of each standard 
bipolar and unipolar limb leads can be presented in the following diagram: 
 

 

 
 


background image

 

18 

The mean electrical axis of the ventricular QRS 
The average direction of the depolarization waves in all ventricular muscle fibres is 
called the mean electric axis of the ventricles or mean ORS axis or vector. 
Depolarization  in  cardiac  muscle  fibres  can  be  represented  by  an  arrow  pointing  to 
the + ve direction. This arrow is called a vector.  
In  normal  heart,  the  direction  of  the  cardiac  vectors  of  the  ventricles  is  normally 
toward the apex of the heart. In other words, the direction of the electrical potential is 
from the base of the ventricles toward the apex..  
The  mean  ORS axis    has  a  magnitude  &  direction,  and  is  related  to  the  anatomical 
axis  of  the  heart.  The  normal  electric  axis  is  directed  downwards  and  to  the  left 
between - 30 and +110 (average + 60). Clinically, the electrical axis of the heart  is 
determined from the standard bipolar limb leads; lead I and lead III as follows: 

  First, record the maximum potential (that of QRS wave; R wave) and polarity 

(+ve or –ve), to determine the maximum potential, you might need to subtract 
the area of the negative wave from the area of the positive wave.  This means 
that  the  net  QRS  deflection  in  each  lead  is  calculated  by  subtracting  the 
amplitude of the largest -ve wave in the QRS from that of the R wave.  

  Second,  a  distance  equal  to  the  net  deflection  in  each  lead  is  drawn  as  an 

arrow on the corresponding axis of the bipolar limb lead (clock), starting from 
its zero  potential point and pointing to the resulting polarities (+ve or -ve). 

  Third, draws perpendicular lines form both ends of the arrows; th apices of the 

two net potentials of lead I and III, the point of intersection of these two lines 
represents the mean electrical axis or the mean QRS vector of the ventricles. 

In a normal heart, the average direction of the vector of the heart during spread of the 
depolarization  waves  through  the  ventricles;  the  mean  QRS  vector,  is  about  +59 
degrees, as shown in the following figures: 
 

 

 

Figure: Determination of projected vectors in leads I, II, and III where vector A 

represent the instantaneous potential in the ventricles. 

 


background image

 

19 

 

Figure: The mean electrical axis of the heart (59 degree) plotted 

From lead I and lead III. 

 

 
The cardiac vector affects the configuration of the ECG  waves in the various leads. 
The  normal  direction  of  the  mean  QRS  vector  is  downwards  and  to  the  left  and  is 
generally between –30 and +110 degrees. 
 

 

                                     

 


background image

 

20 

 

Axis deviation:  

Axis deviation occurs if the electric axis of the heart is beyond the normal range and 
it may  be  to  the  right  or  to  the  left.  QRS axis  further  right  that  of  +110  constitutes 
Right  axis  deviation  (RAD),  QRS  axis  left  that  of  –30  constitutes  Left  axis 
deviation
 (LAD).  
 
Right axis deviation 
This  normally  occurs  in  vertical  hearts  (e.g.  in  tall  slender  subjects),  but 
pathologically, it is common in right ventricular hypertrophy and right bundle branch 
block. In this case, the projection of the mean QRS axis is toward the -ve pole in lead 
I and toward the +ve pole in lead III, so in ECG, there are deep -ve waves (S waves) 
in lead I and high +ve waves (R waves) in lead III, as shown in the following figure. 
 
 
 

 

Figure: Right axis deviation and a slightly prolonged QRS complex. 

                                                                                 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

21 

Left axis deviation                                                 
This normally occurs in horizontal hearts (e.g. in short obese subjects and pregnant 
women)  but  pathologically,  it  is  common  in  left  ventricular  hypertrophy  and  left 
bundle branch block. In this case, the projection of the mean QRS axis is toward the 
+ve pole in lead I and toward the -ve pole in lead III, so in ECG there are high +ve 
waves (R waves) in lead I and deep -ve waves (S waves) in lead III. 
 
 
 
  
 

 

Figure:  Example  of  left  axis  deviation.     

Figure:  left  axis  deviation  caused  by       
left bundle branch block. Note also the 
greatly prolonged QRS complex. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

22 

 
Lect. 7 

 
Cardiac arrhythmia 

Objectives: 

1.  List the types of arrhythmias. 
2.  Identify on ECG: ectopic beats, atrial & ventricular fibrillation, heart block. 

 
The  causes  of  the  cardiac  arrhythmias  are  usually  one  or  a  combination  of  the 
following abnormalities in the rhythmicity-conduction system of the heart: 
1- Abnormal rhythmicity of the pacemaker. 
2- Shift of the pacemaker from the sinus node to other parts of the heart. 
3- Blocks at different points in the transmission of the impulse through the heart. 
4- Abnormal pathways of impulse transmission through the heart. 
5- Spontaneous generation of abnormal impulses in almost any part of the heart. 
 
Types of arrhythmias 
1- Abnormal sinus rhythms. 
2- Conduction block. 
3- Premature Contractions. 
4- Paroxysmal tachycardia. 
 
1-Abnormal sinus rhythms: 

  Sinus Tachycardia. 

  Sinus Bradycardia. 

  Sinus Arrhythmia. 

 
Tachycardia 
The term "tachycardia" means fast heart rate, usually defined as faster than 100 beats 
per  minute.  The  electrocardiogram  is  normal  except  that  the  rate  of  heartbeat  is 
increased. The general causes of tachycardia are: 

  increased body temperature,  

  Stimulation of the heart by the sympathetic nerves.  

 
 

 

 


background image

 

23 

Sinus tachycardia, HR = 150 (300/2) 

 
Bradycardia 
The term "bradycardia" means a slow heart rate, usually defined as less than 60 beats 
per minute. Examples: 

  Bradycardia in Athletes.  

  Vagal Stimulation. In patients with carotid sinus syndrome; arteriosclerosis of 

the carotid sinus causes excessive sensitivity of the baroreceptors located in the 
arterial wall; as a result, mild pressure on the neck elicits a strong baroreceptor 
reflex, causing intense vagal stimulation of the heart and extreme bradycardia. 
Sometimes this reflex is so powerful that it stops the heart. 

 

 
 

 

Sinus bradycardia of 40 beats per minute. 

(300/7.5 = 40) 

 
Sinus Arrhythmia 
The  heart  rate  is  increased  during  inspiration  and  decreased  during  expiration.  The 
ECG  is  normal  except  that  the  number  of  the  cycles  varies  with  the  two  phases  of 
respiration. It is a common normal finding in young adults and children. 
 
 

 

                          Sinus arrhythmia, acceleration of sinus rate during inspiration                

and slowing during expiration. 

 
2-Conduction block: 

  Sinoatrial Block. 

  Atrioventricular Block (Heart Block). 

1.  First Degree Heart Block. 
2.  Second Degree Heart Block.  


background image

 

24 

3.  Third Degree Heart Block. 

 
Sinoatrial Block 
The  impulse  from  the  sinus  node  is  blocked  before  it  enters  the  atrial  muscle. 
There is sudden cessation of P- wave with standstill of the atrium (missed beat). 
 
 

 

Sinoatrial nodal block (missed beat). 

 
 
Atrioventricular Block (Heart Block) 
Impulses pass from the atria into the ventricles is through the A-V bundle (the bundle 
of His). Conditions that can either decrease or block the impulse through this bundle 
are: 

  Ischemia of the A-V node or A-V bundle fibers by coronary insufficiency.  

  Compression of the A-V bundle by scar tissue or by calcification. 

  Inflammation  of  the  A-V  node  or  A-V  bundle,  which  can  results  frequently 

from different types of myocarditis, such as occur in diphtheria and rheumatic 
fever. 

  Extreme  stimulation  of  the  heart  by  the  vagus  nerves  blocks  impulse 

conduction  through  the  A-V  node.  Such  vagal  excitation  occasionally  results 
from  strong  stimulation  of  the  baroreceptors  in  people  with  the  carotid  sinus 
syndrome.  

 
First Degree Heart Block 
(Prolonged P-R interval) 
The normal time between the beginning of the P wave and the beginning of the QRS 
complex is 0.12 – 0.21 second, when the heart is beating at a normal rate. This P-R 
interval  usually  decreases  in  length  with  faster  heartbeat  and  increases  with  slower 
heartbeat. When the P-R interval increases above a value of about 0.21 second in a 
heart beating at normal rate, the P-R interval is said to be prolonged and the patient is 
said  to  have  first  degree  incomplete  heart  block  (in  acute  rheumatic  fever).  The 
following  Figure  shows  an  electrocardiogram  with  a  prolonged  P-R  interval.  Thus, 
first  degree  heart  block  is  defined  as  a  delay  of  conduction  from  the  atria  to  the 
ventricles but not actual blockage of conduction.  
 
 


background image

 

25 

 

First-degree heart block, prolonged P-R interval. 

 
Second Degree Heart Block
  
The atria beat at a faster rate than the ventricles, and there are dropped beats of the 
ventricles. This condition is called second degree incomplete heart block, as shown in 
the following figures; a progressive prolongation of the P-R intervals as well as one 
dropped beat as a result of failure of conduction from the atria to the ventricles. 
At  times,  every  other  beat  of  the  ventricles  is  dropped,  so  that  a  "2:1  rhythm" 
develops  in  the  heart,  with  the  atria  beating  twice  for  every  single  beat  of  the 
ventricles. Sometimes other rhythms such as 3:2 or 3:1 also develop
 

 

 

Second-degree heart block, progressive PR prolongation failure of   

P-wave conduction to the ventricle (missed ventricular beat).  

 
 
 

 

Second-degree heart block, with missed ventricular beat. 

 
 
Third Degree Heart Block
 (Complete heart block) 
Complete block of the impulse from the atria into the ventricles. The P waves become 
dissociated from the QRS-T complexes. As shown, the rate of ventricular beat is less 
than  40  per  minute.  Furthermore,  there  is  no  relation  between  the  rhythm  of  the  P 
waves  and  that  of  the  QRS-T  complexes  because  the  ventricles  have  escaped  from 
control by the atria, and they are beating at their own natural rate. 
 


background image

 

26 

 

Complete heart block. P-waves are dissociated  

from the QRS complexes. 

3-Premature Contractions: 
A  premature  contraction  is  a  contraction  of  the  heart  before  the  time  that  normal 
contraction  would  have  been  expected.  This  condition  is  also  called  extrasystole, 
premature beat, or ectopic beat. Most premature contractions result from ectopic foci 
in the heart, which emit abnormal impulses at odd times. The possible causes:  

  Local areas of ischemia.  

  Small calcified plaques at different points in the heart, which press against the 

adjacent cardiac muscle so that some of the fibers are irritated. 

  Toxic irritation  of  the  A-V  node,  Purkinje  system,  or  myocardium  caused  by 

drugs, nicotine, or caffeine. Mechanical initiation of premature contractions is 
also frequent during cardiac catheterization.  

 
Premature Atrial Contractions 
The following figure shows a single premature atrial contraction, The P-wave of this 
beat occurs too soon in the heart cycle, and the P-R interval is shortened, indicating 
that the ectopic origin of the beat is near the A-V node. Also, the interval between the 
premature  contraction  and  the  next  succeeding  contraction  is  slightly  prolonged, 
which  is  called          a  compensatory  pause.  One  of  the  reasons  for  this  is  that  the 
premature  contraction  originated  in  the  atrium  some  distance  from  the  sinus  node, 
and the impulse had to travel through a considerable amount of atrial muscle before it 
discharged  the  sinus  node.  Consequently,  the  sinus  node  discharged  late  in  the 
premature  cycle,  and  this  made  the  succeeding  sinus  node  to  be  discharged  late. 
Premature atrial contractions occur: 

  In healthy people.  

  In athletes.  

  Mild toxic conditions resulting from; excess smoking, lack of sleep, ingestion 

of too much coffee, alcoholism, and the use of various drugs. 

 
 
 
 


background image

 

27 

 

Atrial premature beat. 

 
 
 
 
 
Premature Ventricular Contractions 
The electrocardiogram of the following figure shows a series of premature ventricular 
contractions  (PVCs)  alternating  with  normal  contractions.  PVCs  cause  specific 
effects in the electrocardiogram, as follows: 

  The QRS complex is usually prolonged.  

  The QRS complex has a high voltage. 

  The T wave has a potential polarity opposite to that of the QRS complex.  

Some  PVCs  result  from  factors  such  as  cigarettes,  coffee,  lack  of  sleep,  and 
emotional  irritability. Other  PVCs  originate  from  infracted  or  ischemic  areas  of  the 
heart. 
  

 

Ventricular ectopic beats, broad QRS complex. 

 
4-Paroxysmal tachycardia: 
Abnormalities in any portion of the heart, including the atria, the Purkinje system, or 
the  ventricles,  can  cause  rapid  rhythmical  discharge  of  impulses  that  spread  in  all 
directions  throughout  the  heart.  The  term  "paroxysmal"  means  that  the  heart  rate 
usually  becomes  rapid  in  paroxysms,  with  the  paroxysms  beginning  suddenly  and 
lasting  for  a  few  seconds,  a  few  minutes,  a  few  hours,  or  much  longer.  Then  the 
paroxysms  usually  end  suddenly  as  they  begun,  with  the  pacemaker  of  the  heart 
shifting back to the sinus node.  
Paroxysmal tachycardia: 

  Supraventricular arrhythmias: 

1.  Atrial tachycardia;  
     a- Supraventricular tachycardia (SVT). 
     b- Atrial fibrillation (AF). 
     c- Atrial flutter. 


background image

 

28 

2.  Junctional tachycardias (AV nodal paroxysmal tachycardia).  

  Ventricular paroxysmal tachycardia. 

a-  Ventricular tachycardia (VT). 
b-  Ventricular fibrillation (VF). 

 
Supraventricular arrhythmias: 
Atrial tachycardias (arising from atrial myocardium) or junctional tachycardias (AV 
node  tachycardia),  both  of  which  are  called  Supraventricular  tachycardias,  usually 
occurs in young, otherwise healthy people.  
They are originated above the bifurcation of bundle of His. The unique characteristics 
of these arrhythmias are:  
1- Narrow QRS.  
2- P-wave either visible, irregular in shape and with shorter duration or invisible.  
3- Variable PR interval due to variable rate of conduction at AV node. 
Atrial tachycardias: 
a- paroxysmal Supraventricular tachycardia (SVT) 
As shown in the following record, there is a sudden increase in the rate of heartbeat 
from about 95 to about 150 beats per minute. It can be seen that an inverted P-wave 
occurs before each of the QRS-T complexes during the paroxysm of rapid heartbeat, 
and this    P-wave is partially superimposed on the normal T wave of the preceding 
beat. This indicates that the origin of this paroxysmal tachycardia is in the atrium, but 
because the P-wave is abnormal, the origin is not near the sinus node. 
 

 

 

 

Supraventricular tachycardia, no P wave (missed) or obscured. 

 

b- Atrial fibrillation 
A  frequent  cause  of  atrial  fibrillation  is  atrial  enlargement  resulting  from  heart 
valve  lesions,  or  from  ventricular  failure  with  excess  damming  of  blood  in  the 
atria.  The  dilated  atrial  walls  predispose  to  atrial  fibrillation,  which  is  irregular 
irregularity of the rhythm with no or obscured P-wave. 

 


background image

 

29 

 

Atrial fibrillation, no P wave or obscurred. 

 

 

Atrial fibrillation; irregular rhythm (irregular irregularity). 

 

 

Atrial fibrillation; Fine, high frequency, and very low voltage P- wave. 

 
 
 
c- Atrial Flutter 
In Atrial flutter, the electrical signal travels as a single large wave front always in one 
direction  around  and  around  the  atrial  muscle  mass.  As  shown  in  the  following 
Figure,  this  wave  travels  from  top  to  bottom  to  top  around  the  openings  of  the 
superior and inferior venae cavae. Atrial Flutter causes a rapid rate of contraction of 
the atria, usually between 200 and 350 beats per minute. But not all can stimulate the 
ventricles, therefore, there are usually two to three beats of the atria for every single 
beat of the ventricles. 
In  the  Atrial  flutter  ECG  trace,  the  P  waves  are  strong  (saw-teeth  appearance),  the  
QRS-T complex follows an  atrial P wave only  once for every two  to three beats  of 
the atria, giving a 2:1 and a 3: 1 rhythm. 

 

 

Pathways of impulses in atrial flutter and atrial fibrillation. 


background image

 

30 

 
 

 

Atrial flutter; saw-teeth appearance of the P-wave. 

 
 

 
 
 
 
 
 
Junctional tachycardias
 (AV nodal paroxysmal tachycardia)  
Paroxysmal tachycardia often results from an aberrant rhythm that involves the AV 
node. This usually causes normal QRST complexes but missing or obscured P-waves. 

 

 

 
 
Ventricular Paroxysmal Tachycardia (VT): 
The electrocardiogram of ventricular paroxysmal tachycardia has the appearance of a 
series of ventricular premature beats occurring one after another without any normal 
beats  inbetween.  Ventricular  tachycardia  frequently  initiates  the  lethal  condition  of 
ventricular fibrillation because of rapid stimulation of the ventricular muscle. 
  

 

Ventricular paroxysmal tachycardia. 

 
 
 


background image

 

31 

a- Ventricular tachycardia (VT) 
VT  refers  to  a  rhythm  originating  from  a  ventricular  ectopic  focus  at  a  rate  greater 
than  100  beats  per  minute.  The  ECG  shows  a  wide-complex  tachycardia  with  no 
associated P-wave. 

 

 

Ventricular tachycardia, regular wide QRS tachycardia  

at a rate of 170 / min. 

 
 
 
 
 
b- Ventricular fibrillation (VF) 
Ventricular  fibrillation  results  from  cardiac  impulses  that  have  gone  here  and  there 
within the  ventricular  muscle  mass.  Stimulating first,  one  portion  of  the  ventricular 
muscle, then another portion, then another, and eventually feeding back onto itself to 
re-excite the  same  ventricular muscle  over  and over. Multiple  factors can  spark  the 
beginning of ventricular fibrillation: 
(1) Sudden electrical shock of the heart. 
(2) Ischemia of the heart muscle, of its specialized conducting system, or both.  
 
 

 

 

Ventricular fibrillation. 

 
 
 

 
 
 
 
 


background image

 

32 

Lect. 8 

Cardiac output 

Objectives: 

1.  Define cardiac output, heart rate, and stroke volume. 
2.  Describe how heart rate and stroke volume interact to control cardiac output. 
3.  state the influence of venous return on cardiac output. 
4.  Define the terms preload, and afterload. 

Cardiac  output  is  the  amount  of  blood  pumped  by  each  ventricle  per  minute, 
expressed in liters/minute. Normally, it is about 5 liters per minute. 
The cardiac output (CO) is determined through multiplying the heart rate (HR) by the 
stroke volume (SV). 

CO = HR X SV 

Heart rate = the number of heart beats/minute (aveage; 72 beat/minute). 
Stroke volume  = the volume of blood ejected by each ventricle with each beat. 
If the HR = 72 beats/min., and the SV is of 70 ml; 
Cardiac output = 72 X 70 = 5.04 Liters. 
As the cardiovascular system is a closed system, cardiac output of the left ventricle 
equals to the cardiac output of the right ventricle i.e., the two sides of the heart have 
the same output per minute. It is also the volume of blood flowing through either the 
systemic or  pulmonary  circulation per  minute. In other  words, cardiac output  is  the 
quantity  of  blood  pumped  into  the  aorta  each  minute  by  the  heart.  This  is  also  the 
quantity of blood that flows through the circulation. 
cardiac output= arterial blood flow = pulmonary blood flow.  
Cardiac  output  varies  widely  with  the  level  of  activity  of  the  body.  Therefore,  the 
level  of  body  metabolism,  exercise,  age  and  size  of  the  body  influence  the  cardiac 
output.  For  young,  healthy  men,  the  resting  cardiac  output  averages  about  5.6 
liter/min., for young women, this value is 10-20% less, but it is not constant. It might 
be  increased  even  up  to  30  liters/min.,  depending  on  the  activity  of  the  body. 
Therefore,  cardiac  output  is  a  variable  parameter  usually  it  is  not  less  than                  
5  liter/min.,  at  rest  to  supply  the  body  with  oxygen  and  to  maintain  normal  BMR 
(basal  metabolic  rate).  The  highest  cardiac  output  recorded  is  48  liters/min.,  in  the 
Roadrunners (Hyperdynamic circulation which mean the same blood volume; 5 liters 
circulating at a higher speed). Blood volume is about 5 - 6 liters. So the heart pumps 
the whole blood in one minute. 

 
Control of cardiac output: 

The cardiac output is controlled (either increased or decreased or maintained) by the 
following factors. 

  Venous return (preload). 

  Heart rate (HR) 

  Myocardial contractility. 

  Cardiac compliance. 

  Afterload. 

 


background image

 

33 

 
Venous return: 

The venous return (VR) is the amount of the blood flowing from the tissues into the 
veins and then into the right or left atrium each minute. So in steady state, they are 
equal (CO = VR)  because what is pumped out from the left ventricle equals to what 
returned  to  the  right  side  of  the  heart.  In  other  words,  It  is  the  quantity  of  blood 
flowing  from  the  veins  into  the  right  atrium  each  minute.  It  represents  the  preload. 
The venous return and CO must be equal to each other.  
 
The CO is controlled by venous return through the following mechanisms:  
 

  Frank-Starling law; the heart pumps automatically whatever amount of blood 

flows into the right atrium from the veins. This law states that when increased 
quantities  of  blood  flow  into  the  heart,  this  stretches  the  walls  of  the  heart 
chambers.  As  a  result  of  the  stretch,  the  cardiac  muscle  contracts  with 
increased force to empty the expanded chambers i.e. the extra blood that flows 
into the  heart (VR)  is automatically  pumped without  delay into  the aorta  and 
flows again through the circulation. 

 

  The  effect  of  the  venous  return  on  the  heart  rate  by  mean  of  stretching  the 

heart. Stretch of the SA node in the wall of the right atrium has a direct effect 
on the rhythmicity of the SA node itself to increase heart rate 10 – 15% .  

 

  Another  factor,  the  stretched  right  atrim  initiates  a  nervous  reflex  called  the 

Bainbridge  reflex,  passing  first  to  the  medullary  vasomotor  center  and  then 
back to the heart by sympathetic nerves, to increase the heart rate. The increase 
in the heart rate then helps to pump the extra blood. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

34 

 
 
 
 
Decrease in Cardiac Output Caused by Decreased Venous Return. 
 
 
Anything that interferes with venous return also can lead to decreased cardiac output. 
Some of these factors are the following: 
1. Decreased blood volume.  

Resulting most often from hemorrhage. Loss of blood decreases the filling of the 
vascular system to such a low level that there is not enough blood in the peripheral 
vessels to create peripheral vascular pressures high enough to push the blood back 
to the heart. 

 
2. Acute venous dilation.  

In case of sudden and acute vasodilatation especially the peripheral veins involved. 
This  results  most  often  when  the  sympathetic  nervous  system  suddenly  becomes 
inactive.  For  instance,  fainting  often  results  from  sudden  loss  of  sympathetic 
nervous  system  activity,  which  causes  the  peripheral  vessels,  (veins),  to  dilate 
markedly.  This  decreases  the  filling  pressure  of  the  vascular  system  because  the 
blood  volume  can  no  longer  create  adequate  pressure  in  the  flaccid  peripheral 
blood vessels. As a result, the blood “pools” in the vessels and does not return to 
the heart. 

 
3. Obstruction of the large veins. 

When the large veins leading into the heart become obstructed, so that the blood in 
the  peripheral  vessels  cannot  flow  back  into  the  heart.  Consequently, the  cardiac 
output falls markedly. 

 
4. Decreased tissue mass, especially decreased skeletal muscle mass.  

With  normal  aging  or  with  prolonged  periods  of  physical  inactivity,  there  is 
usually a reduction in the size of the skeletal muscles. This, in turn, decreases the 
total  oxygen  consumption  and  blood  flow  needs  of  the  muscles,  resulting  in 
decreases in skeletal muscle blood flow and cardiac output. 

 
* Regardless of the cause of low cardiac output, if the cardiac output falls below that 
level  required  for  adequate  nutrition  of  the  tissues,  the  person  is  said  to  suffer 
circulatory shock. This condition can be lethal within a few minutes to a few hours.  
 

 
 
 
 
 


background image

 

35 

 
 
 
 
 
 
Heart rate and cardiac output:   

 
In resting state, (the venous return is constant), changes in heart rate between 100-200 
beats/min.,  not  affect  CO  markedly.  However,  high  heart  rate  (more  than  200 
beats/minute)  in  patient  with  ventricular  tachycardia  (VT)  or  supraventricular 
tachycardia (SVT) may affect CO to be insufficient to maintain the nutritional needs 
of  the  body  because  such  increase  in  heart  rate  will  reduces  the  duration  of 
ventricular  diastole  and  so  reduce  the  time  available  for  ventricular  filling  that  will 
reduce the stroke volume. On the other hand, slow heart rate may also reduce CO, as 
in complete heart block disease (HR < 40 beats/minute).  
 
In exercise, (the venous return is increased), cardiac output is increased to meet the 
body need  by increasing  in both  heart rate  and stroke  volume, the  increase in  heart 
rate is through sympathetic stimulation as the  exercise is a stressful situation, while 
the increase in stroke volume is through the increase in venous return by the action of 
skeletal muscles that squeezed and pumped the blood toward the heart, and through 
the increased myocardial contractility. 
So, the heart rate is effective in increasing the CO if the venous return is increased, 
otherwise the stroke volume will be decreased and so the decreased  CO.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

36 

Lect. 9 
 
Con. On cardiac output … 

Stroke Volume 

Objectives: 

1.  Describe how a change in preload, afterload, and myocardial contractility will 

affect cardiac performance. 

Stroke volume (SV) is defined as the amount of blood pumped out by each ventricle 
per beat. It is about 70 ml/beat at rest but may increase to 150 ml/beat with exercise. 
The  stroke  volume  equals  to  the  amount  of  blood  present  in  the  ventricle  when 
systole  starts  just  before  the  initiation  of  ventricular  contraction.  However,  the 
ventricles  don’t  completely  empty  themselves  of  blood  during  contraction  (2/3  of 
blood is ejected, 1/3 is left there) therefore, a more forceful contraction can produce 
an increase in stroke volume.  
Substruction  of  end-systolic  volume  (ESV)  from  end-diastolic  volume  (EDV) 
produce stroke volume (SV). 

SV = EDV - ESV. 

EDV:  the  ventricular  blood  volume  at  the  end  of  the  diastole;  normally                     

EDV = 110  to 120 ml. 

ESV: the ventricular blood volume at the end of the systole; normaly  ESV = 40 ml. 
* Strok volume = 70  to  80 ml. 

Regulation of Stroke Volume 

The stroke volume is regulated by three variables:  

  The end-diastolic volume (EDV).  

  Sympathetic  nervous  system  input  to  the  ventricles  (myocardial  contractility; 

strength of ventricular contraction).  

  The total peripheral resistance.  

 
The  end-diastolic  volume  is  the  amount  of  blood  in  the  ventricles  immediately 

before they begin to contract (preload). The stroke volume is directly proportional to 
the  preload;  an  increase  in  EDV  results  in  an  increase  in  stroke  volume.  This 
relationship  is  known  as  the  Frank-Starling  law.  In  other  words,  the  ventricle 
contracts  more  forcefully  during  systole  when  it  has  been  filled  to  a  grater  degree 
during distole. 

 
The  stroke  volume  is  also  directly  proportional  to  the  myocardial  contractility 

which  is  influenced  by  cardiac  sympathetic  nerves  (norepinephrine)  and  circulating 
epinephrine secreted from adrenal medulla. Thus, when the ventricles contract more 
forcefully  as  a  result  of  sympathetic  nerve  stimulation  or  epinephrine  which  is 
independend of a change in end-diastolic ventricular  volume, they pump more blood 
(increased stroke volume). 

 
 
 


background image

 

37 

The total peripheral resistance which is the impedance to blood flow in the arteries 

(aortic impedance). The pressure in the arterial system before the ventricle contracts 
is,  in  turn,  a  function  of  the  total  peripheral  resistance.  The  higher  the  peripheral 
resistance,  the  higher  the  pressure.  Thus,  an  increased  arterial  pressure  tends  to 
reduce stroke volume. The total peripheral resistance thus presents an impedance to 
the ejection of blood from the ventricle, or an afterload imposed on the ventricle after 
contraction. This means that the stroke volume is inversely proportional to the total 
peripheral resistance; the greater the peripheral resistance, the lower the SV.  

 
Ejection Fraction (EF%): 

The  proportion  of  the  end-diastolic  volume  that  is  ejected  against  a  given  afterload 
depends on the strength of ventricular contraction. Normally, contraction strength is 
sufficient to eject 70 to 80 ml of blood out of a total end-diastolic volume of 110 to 
120 ml (2/3 of blood is ejected). The ejection fraction is thus about 65%.  
In  other  words,  the  ejection  fraction  is  the  ratio  of  stroke  volume  to  end-diastolic 
volume  (EDV)  and  it  reflects  the  ventricular  contractility,  expressed  as  percentage, 
normally it averages at rest  65% (again, about 2/3 of the EDV is ejected). 
Increased ventricular contractility causes an increase in ejection fraction. 
EF% = SV / EDV X 100.   
EF% = 80/120 X 100 = 2/3 %.     (more than 55% considered as normal). 
In heart failure, the EF is reduced;  < 50%. 
EF can be measured by Echocardiogram (Echo) that can measure the EDV, ESV and 
so the SV. 

 
Myocardial contractility: 

It is defined as the strength of contraction at any given EDV. 
Myocardial contractility exerts a major influence on stroke volume and in turn on the 
cardiac output. It is reduced in heart failure. 
It is measured by Ejection Fraction. 
Myocardial contractility is affected by the following factors : 

  The preload (i.e., EDV): controls the power of cardiac contractility by  Frank-

Starling's law.  

  Sympathetic nerve supply: The resting cardiac sympathetic tone increases the 

cardiac  pumping  power  to  13-15  litres/minute,  and  maximal  sympathetic 
stimulation  (e.g.  in  severe  muscular  exercise)  increases  it  to  about  25  litres/ 
minute. 

  The  afterload  (i.e.,  aortic  impedance):  An  increase  in  the  afterload 

(e.g. due to rise of the arterial blood pressure, aortic stenosis or polycythaemia) 
reduces the cardiac pumping power, and vice versa. 

  Ventricular hypertrophy; This may normally occur in some athletes as a result 

of  prolonged  strenuous  exercises,  and  it  can  increase  the  cardiac  pumping 
power up to about 35 litres minute. 

 
 


background image

 

38 

Cardiac compliance: 

It is the stretchability, elasticity, it is the change in volume per unit change in pressure 
= ∆V/∆P,  decreased  compliance  in  which  there  is  a  myocardial  stiffness,  this  is  in 
disease condition which will affect cardiac output as in cases of cadiomyopathies, and 
pericardial effusion. 

 
Afterload: 

It is the resistance that oppose cardiac output, e.g., increased arterial systolic pressure 
(systolic hypertension), valve disease that obstruct the outflow of blood as in case of 
aortic stenosis disease. So increased afterload will reduce cardiac output. 
On the other hand, reduced total peripheral resistance (reduced afterload) causes high 
cardiac output. Conditions that can decrease the total peripheral resistance and at the 
same time increase the cardiac output to above normal include: 
 
1.  Beriberi.  This  disease  is  caused  by  insufficient  quantity  of  the  vitamin  thiamine 

(vitamin  B1)  in  the  diet.  Lack  of  this  vitamin  causes  diminished  ability  of  the 
tissues to use some cellular nutrients, and the local tissue blood flow mechanisms 
in  turn  cause  marked  compensatory  peripheral  vasodilation.  Sometimes  the  total 
peripheral  resistance  decreases  to  as  little  as  one-half  normal.  Consequently,  the 
long-term levels  of venous  return and  cardiac output  also often  increase to  twice 
normal. 

 
2.  Arteriovenous  fistula  (shunt,  also  called  an  AV  shunt):  occurs  between  a  major 

artery and a major vein, in which blood flow directly from the artery into the vein. 
This  greatly  decreases  the  total  peripheral  resistance  and,  likewise,  increases  the 
venous return and cardiac output. 

 
3. HyperthyroidismIn hyperthyroidism, the metabolism of most tissues of the body 

becomes greatly increased. Oxygen usage increases, and vasodilator products are 
released  from  the  tissues.  Therefore,  the  total  peripheral  resistance  decreases 
markedly  because  of  the  local  tissue  blood  flow  control  reactions  throughout  the 
body; consequently, the venous return and cardiac output often increase to 40 to 80 
percent above normal. 

 
4.  Anemia.  In  anemia,  two  peripheral  effects  greatly  decrease  the  total  peripheral 

resistance, as a consequence, the cardiac output increases greatly. One of these is 
reduced viscosity of  the blood, resulting  from the decreased  concentration of  red 
blood cells. The other is diminished delivery of oxygen to the tissues, which causes 
local vasodilation.  

 
 
 
 
 


background image

 

39 

Low cardiac output:

 (Abnormalities) 

  Fainting: low cardiac output leads to ischemia of the brain; causing fall down 

(fainting). It  is  a  protective  mechanism  to  correct  the  brain  ischemia  through 
increasing blood supply to the brain. 

  Shock: also  low  cardiac output  that  may  cause hypotension,  again  leading  to 

ischaemia to the brain. 

 
Methods for measuring cardiac output: 
In animal experiments, cardiac output can be measured using any type of flowmeter 
(electromagnetic,  or  ultrasonic  flowmeter)  which  can  be  placed  on  the  aorta  or 
pulmonary  arteries  i.e.,  blood  flow  in  the  root  of  aorta  can  be  recorded  by  an 
electromagnetic flowmeter. 
In the human, CO is measured by indirect methods that do not require surgery. 
Two methods commonly used are: 

  The oxygen fick method. 

  The indicator dilution method. 

Another method is by Echocardiography; it consists of emitting Ultrasonic waves to 
the heart. Such echoes record the ventricular movements, from which both the EDV 
and  ESV  and  so  the  SV  can  be  calculated.  The  CO  then  can  be  measured  by 
multipling the SV X HR. 
…………………………………………………………………………….. 
ESV  contractility and afterload. 
EDV  cardiac compliance and preload (venous return).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Ismail AL Jarrah
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 232 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل