Biomedical Engineering Fundamentals

1.2 The Pumping Station: The Heart
Barely the size of the clenched fist of the individual in whom it resides — an inverted, conically shaped,
hollow muscular organ measuring 12 to 13 cm from base (top) to apex (bottom) and 7 to 8 cm at its
widest point and weighing just under 0.75 lb (about 0.474% of the individual’s body weight, or some
325 g) — the human heart occupies a small region between the third and sixth ribs in the central portion
of the thoracic cavity of the body. It rests on the diaphragm, between the lower part of the two lungs, its

---

JOBR: “2121_c001” — 2006/2/17 — 14:06 — page 4 — #4
1-4
Biomedical Engineering Fundamentals
TABLE 1.2
Plasma
Constituent
Concentration
range
(mg/dl plasma)
Typical
plasma value
(mg/dl)
Molecular
weight
range
Typical
value
Typical size
(nm)
Total protein,
7% by weight
6400–8300
7245
21,000–1,200,000
—
—
Albumin (56% TP)
2800–5600
4057
66,500–69,000
69,000
15
×
4
α
1
-Globulin (5.5% TP)
300–600
400
21,000–435,000
60,000
5–12
α
2
-Globulin (7.5% TP)
400–900
542
100,000–725,000
200,000
50–500
β
-Globulin (13% TP)
500–1230
942
90,000–1,200,000
100,000
18–50
γ
-Globulin (12% TP)
500–1800
869
150,000–196,000
150,000
23
×
4
Fibrinogen (4% TP)
150–470
290
330,000–450,000
390,000
(
50–60
)
×
(
3–8
)
Other (2% TP)
70–210
145
70,000–1,000,000
200,000
(
15–25
)
×
(
2–6
)
Inorganic ash,
0.95% by weight
930–1140
983
20–100
—
—
(Radius)
Sodium
300–340
325
—
22.98977
0.102 (Na
+
)
Potassium
13–21
17
—
39.09800
0.138 (K
+
)
Calcium
8.4–11.0
10
—
40.08000
0.099 (Ca
2
+
)
Magnesium
1.5–3.0
2
—
24,30500
0.072 (Mg
2
+
)
Chloride
336–390
369
—
35.45300
0.181 (Cl
−
)
Bicarbonate
110–240
175
—
61.01710
0.163 (HCO
−
3
)
Phosphate
2.7–4.5
3.6
—
95.97926
0.210 (HPO
2
−
4
)
Sulfate
0.5–1.5
1.0
—
96.05760
0.230 (SO
2
−
4
)
Other
0–100
80.4
20–100
—
0.1–0.3
Lipids (fats),
0.80% by weight
541–1000
828
44,000–3,200,000
=
Lipoproteins
Up to 200 or more
Cholesterol (34% TL)
12–105 “free”
59
386.67
Contained mostly in intermediate to
LDL
β
-lipoproteins; higher in women
72–259 esterified,
224
84–364 “total”
283
Phospholipid (35% TL)
150–331
292
690–1,010
Contained mainly in HDL
to VHDL
α
1
-lipoproteins
Triglyceride (26% TL)
65–240
215
400–1,370
Contained mainly in VLDL
α
2
-lipoproteins and chylomicrons
Other (5% TL)
0–80
38
280–1,500
Fat-soluble vitamins, prostaglandins,
fatty acids
Extractives,
0.25% by weight
200–500
259
—
—
—
Glucose
60–120, fasting
90
—
180.1572
0.86 D
Urea
20–30
25
—
60.0554
0.36 D
Carbohydrate
60–105
83
180.16–342.3
—
0.74–0.108 D
Other
11–111
61
—
—
—
base-to-apex axis leaning mostly toward the left side of the body and slightly forward. The heart is divided
by a tough muscular wall — the interatrial-interventricular septum — into a somewhat crescent-shaped
right side and cylindrically shaped left side (Figure 1.1), each being one self-contained pumping station,
but the two being connected in series. The left side of the heart drives oxygen-rich blood through the
aortic semilunar outlet valve into the systemic circulation, which carries the fluid to within a differen-
tial neighborhood of each cell in the body — from which it returns to the right side of the heart low
in oxygen and rich in carbon dioxide. The right side of the heart then drives this oxygen-poor blood
through the pulmonary semilunar (pulmonic) outlet valve into the pulmonary circulation, which carries
the fluid to the lungs — where its oxygen supply is replenished and its carbon dioxide content is purged
before it returns to the left side of the heart to begin the cycle all over again. Because of the anatomic
proximity of the heart to the lungs, the right side of the heart does not have to work very hard to drive

---

JOBR: “2121_c001” — 2006/2/17 — 14:06 — page 5 — #5
An Outline of Cardiovascular Structure and Function
1-5
Brachiocephalic
(innominate) artery
Aortic
arch
Left common carotid artery
Left subclavian artery
Descending aorta
(No valves)
Pulmonary
Veins (4)
Left atrium
Bicuspid
valve
Direction of
blood flow
Interventricular
septum
Inferior
vena cava
(eustachian valve)
Right ventricle
Pulmonary
semi-lunar valve
Right atrium
Pulmonary artery
Tricuspid valve
Aortic semilunar
valve
Sinoatrial node
Superior vena cava
(no valve)
Ascending
aorta
Base of the heart
Atrioventricular
node
Left
ventricle
Thoracic aorta
Apex of
heart
FIGURE 1.1
Anterior view of the human heart showing the four chambers, the inlet and outlet valves, the inlet and
outlet major blood vessels, the wall separating the right side from the left side, and the two cardiac pacing centers —
the sinoatrial node and the atrioventricular node. Boldface arrows show the direction of flow through the heart
chambers, the valves, and the major vessels.
blood through the pulmonary circulation, so it functions as a low-pressure (P
≤
40 mmHg gauge) pump
compared with the left side of the heart, which does most of its work at a high pressure (up to 140 mmHg
gauge or more) to drive blood through the entire systemic circulation to the furthest extremes of
the organism.
Each cardiac (heart) pump is further divided into two chambers: a small upper receiving chamber,
or atrium (auricle), separated by a one-way valve from a lower discharging chamber, or ventricle, which
is about twice the size of its corresponding atrium. In order of size, the somewhat spherically shaped
left atrium is the smallest chamber — holding about 45 ml of blood (at rest), operating at pressures
on the order of 0 to 25 mmHg gauge, and having a wall thickness of about 3 mm. The pouch-shaped
right atrium is next (63 ml of blood, 0 to 10 mmHg gauge of pressure, 2-mm wall thickness), followed
by the conical/cylindrically shaped left ventricle (100 ml of blood, up to 140 mmHg gauge of pressure,
variable wall thickness up to 12 mm) and the crescent-shaped right ventricle (about 130 ml of blood,

---

JOBR: “2121_c001” — 2006/2/17 — 14:06 — page 6 — #6
1-6
Biomedical Engineering Fundamentals
up to 40 mmHg gauge of pressure, and a wall thickness on the order of one-third that of the left ventricle,
up to about 4 mm). All together, then, the heart chambers collectively have a capacity of some 325
to 350 ml, or about 6.5% of the total blood volume in a “typical” individual — but these values are
nominal, since the organ alternately fills and expands, contracts, and then empties as it generates a cardiac
output.
During the 480-msec or so filling phase — diastole — of the average 750-msec cardiac cycle, the
inlet valves of the two ventricles (3.8-cm-diameter tricuspid valve from right atrium to right vent-
ricle; 3.1-cm-diameter bicuspid or mitral valve from left atrium to left ventricle) are open, and the
outlet valves (2.4-cm-diameter pulmonary valve and 2.25-cm-diameter aortic semilunar valve, respect-
ively) are closed — the heart ultimately expanding to its end-diastolic-volume (EDV), which is on the
order of 140 ml of blood for the left ventricle. During the 270-msec emptying phase — systole —
electrically induced vigorous contraction of cardiac muscle drives the intraventricular pressure up, for-
cing the one-way inlet valves closed and the unidirectional outlet valves open as the heart contracts
to its end-systolic-volume (ESV), which is typically on the order of 70 ml of blood for the left vent-
ricle. Thus the ventricles normally empty about half their contained volume with each heart beat, the
remainder being termed the cardiac reserve volume. More generally, the difference between the actual
EDV and the actual ESV, called the stroke volume (SV), is the volume of blood expelled from the heart
during each systolic interval, and the ratio of SV to EDV is called the cardiac ejection fraction, or ejec-
tion ratio (0.5–0.75 is normal, 0.4–0.5 signifies mild cardiac damage, 0.25–0.40 implies moderate heart
damage, and <0.25 warms of severe damage to the heart’s pumping ability). If the stroke volume is
multiplied by the number of systolic intervals per minute, or heart (HR), one obtains the total cardiac
output (CO):
CO
=
HR
×
(
EDV
−
ESV
)
(1.1)
Dawson [1991] has suggested that the cardiac output (in milliliters per minute) is proportional to the
weight W (in kilograms) of an individual according to the equation
CO
−
224W
3
/
4
(1.2)
and that “normal” heart rate obeys very closely the relation
HR
=
229W
−
1
/
4
(1.3)
For a “typical” 68.7-kg individual (blood volume = 5200 ml), Equation 1.1, Equation 1.2, and Equa-
tion 1.3 yield CO
=
5345 ml/min, HR
=
80 beats/min (cardiac cycle period
=
754 msec) and
SV
=
CO/HR
=
224W
3
/
4
/
229W
−
1
/
4
=
0.978W
=
67.2 ml/beat, which are very reasonable values.
Furthermore, assuming this individual lives about 75 years, his or her heart will have cycled over 3.1536
billion times, pumping a total of 0.2107 billion liters of blood (55.665 million gallons, or 8134 quarts per
day) — all of it emptying into the circulatory pathways that constitute the vascular system.