重力應激下心血管循環系統建模仿真研究進展

王漢青，趙金萍，陳娟

（湖南工業大學土木工程學院，湖南株洲412007）

重力應激下心血管循環系統建模仿真研究進展

王漢青，趙金萍，陳娟

（湖南工業大學土木工程學院，湖南株洲412007）

重力應激通過改變血液流體靜壓對人體心血管循環系統產生不利影響。了解心血管循環系統在不同重力應激下的工作機制，有利于建立合理有效的防護措施。總結了人體心血管循環系統的建模方法，回顧了適用于重力應激下的心血管循環系統模型的發展進程，闡述了重力變化對心血管循環系統影響的研究及應用現狀，介紹了作者的研究成果，并指明了未來的研究發展方向。

心血管循環系統；數學模型；重力應激；建模仿真；熱舒適

0 引言

人體心血管循環系統負責向組織、器官輸送用于新陳代謝的O2和其他營養物質，是維持人體各項生理機能正常運行的重要保障[1]。由于人類長期在地球上生活，心血管循環系統已經適應了1 G的重力環境，所以當重力改變時，血液的流體靜壓將會隨之改變甚至消失，進而對心血管循環系統產生不利影響。隨著人類進入宇宙空間機會的增多以及停留時間的延長，失重環境下人體心血管循環系統響應越來越受到國內外科學工作者的重視。失重條件下血液的重新分布會影響人體的熱調節系統，改變人體溫度分布，使航天員處于不舒適狀態，進而降低工作效率、危害航天員的身體健康。因此，研究失重/微重力環境對人體心血管循環系統各項生理參數的影響以及各參數隨重力改變的變化規律，對于預防重力變化對人體心血管循環系統的不良影響，提高航天飛行員的健康舒適以及保證正常工作能力具有重要意義。國內外的研究表明，對心血管循環系統進行建模仿真是研究心血管系統受內外環境變化以及各種生理、病理狀態影響的有效手段。

心血管循環系統由心臟、動脈、毛細血管網絡及靜脈構成。血液循環分為體循環和肺循環，機體通過神經和體液機制對心血管循環系統的活動進行調節，協調各器官間的血液分配，保障系統的正常運行[2]，重力對于心血管循環系統的影響通過改變血液的流體靜壓實現[3]。近年來，不同重力應激對心血管循環系統模型的影響成為國內外學者關注的熱點。本文總結了人體心血管循環系統的建模方法，回顧了適用于重力應激下的心血管循環系統模型的發展進程，闡述了重力變化對心血管循環系統影響的研究及應用現狀，指出了存在的問題與解決方法以及未來的發展方向。

1 心血管循環系統的建模方法

目前，主要通過臨床試驗、動物實驗以及建模仿真等方法研究人體心血管循環系統。臨床試驗方法直接對人體進行測量和試驗，盡管此種方法最準確和直觀，但是不可避免地受到了倫理道德和設備技術手段上的限制；某些生理參數不可能在人體活體上直接測量，而間接測得的許多生理參數不能保證其準確性，這些成為臨床試驗方法無法規避的弊端。由于人體與動物在結構、生理上存在差異，因此動物實驗測得的數據可信度較低，不能用于分析人體相應參數的變化規律。而仿真模型不僅可以突破上述兩種方法的限制，而且能模擬完成極端條件下的實驗，實現對未來事件的預測[4]。

心血管循環系統的建模仿真方法主要包括電網絡模型法、鍵合圖法、有限元分析法以及系統辨識法等[5]。電網絡模型法的理論基礎是利用電氣網絡的相關特性類比于流體網絡，用電學量表示血液動力學參數，用電路理論中的基爾霍夫定律描述血液循環系統各血管間的串/并聯關系，建立血液循環系統的參數模型；鍵合圖法以圖形方法來描述系統的結構，是對流體力學進行動態數字仿真時有效的建模方法；有限元分析法主要用于非線性系統，要求對系統的有關生理、解剖及物理參數有詳盡的了解，可用于準確模擬整個心血管循環系統；系統辨識法的理論基礎是系統辨識技術，建模過程中把整個系統看作一個非線性黑箱，利用參數辨識方法分析估計系統的輸入輸出關系，建立相應的數學模型[5]。利用建模仿真方法研究人體心血管循環系統的運行機制及其動態變化規律，已成為近年來心血管系統研究的發展趨勢。

2 國內外研究進展及現狀

2.1 國外研究進展

為模擬重力應激對人體心血管循環系統的影響，需要在原有心血管循環系統數學模型中引入重力對血流靜壓的影響。David G. Boyers等人[6]通過改進A. C. Guyton等人[7]提出的心血管系統模型，建立了能用于模擬體位變化對人體心血管系統生理參數影響的集總參數模型。模型由心血管受控系統和控制系統構成，受控系統由手臂模塊、內臟模塊、腿部模塊、外周組織模塊、靜脈腔以及右心模塊、肺循環系統以及左心模塊及動脈系統模塊7部分構成，模型中血液分布受自主神經系統調節，通過接收動脈壓及肺部血容量的變化信號，調節心輸出量及外周血管阻力及順應性。該模型能夠準確預測心輸出量、心率、每搏輸出量、血容量及動脈壓力等參數在不同體位時的穩態值。

Francois M. Melchior等人[8-9]總結了模擬立位應激需要考慮的生理機制及已有模型的解決方法。心血管循環系統模型分為血液動力學模型即受控系統，反射控制系統。血液動力學模型主要考慮血管的壓力-血流量關系及壓力-容積關系、心臟泵血作用、血管床局部循環的自動調節作用、毛細血管壁滲透性以及血管外壓力對血管半徑的影響；反射控制模型大多為經驗式，主要有S曲線模型、積分器模型及線性-非線性函數模型。S曲線模型將外周阻力、心臟收縮性及心率的變化集總為一個壓力信號，頸動脈壓力感受器通過反饋壓力信號直接調節系統動脈壓力，該信號與系統動脈壓力的關系為一條S型曲線；積分器模型將中樞神經系統（central nervous system，CNS）視作積分器，根據CNS激發水平將輸入壓力信號積分為單位函數（unique function）作用到受控位置；線性-非線性函數模型分別考慮心率、心臟收縮性、動脈阻力及靜脈緊張度對系統動脈壓力的反射控制作用、建立線性/非線性函數。由于S曲線模型中各影響因素集總為一個壓力信號，模型的物理意義不明顯，而積分器模型的建立理論依據不充分，且作者沒有進行實驗驗證模型的正確性，所以線性-非線性函數模型因其以實驗數據為基礎、控制機理清晰而得到廣泛應用。根據以上理論基礎及建模方法建立了用于0～40 mmHg下體負壓（lower body negative pressure，LBNP）條件下心血管系統短期響應的數學模型，模擬結果與實驗值一致。未來模型的發展應致力于擴大適用范圍，使同一模型能夠用于預測不同模擬失重條件下心血管循環系統的生理響應，有助于找出系統在各種立位應激下生理參數變化的區別。

為了模擬心血管循環系統在不同立位應激下的短期瞬態響應行為，Thomas Heldt等人[10-12]建立了十二腔集總參數模型代表血液動力學系統，控制系統考慮動脈壓力反射作用和心肺反射作用，分別仿真頭上位傾斜（head up tilt，HUT）、臺架試驗（stand test）及LBNP條件下的血液動力學瞬態響應。模擬結果與試驗結果對比表明，該模型在上述立位應激下均有較高的準確性，因而可用于重力應激防護措施的研究開發。

考慮到呼吸時血液中氧氣與二氧化碳含量的變化均會影響局部血管的阻力，Franz Kappel等人[13]將心血管系統與呼吸系統結合，模擬了LBNP條件下系統阻力、非壓力靜脈容積、靜脈順應性、心率以及心臟收縮性等參數的變化規律及其相互作用，并且與實驗值進行了對比，得知該模型能夠準確地預測各參數變化趨勢以及變化范圍，得出心血管循環系統主要通過非壓力容積即血管順應性的變化消除LBNP影響的結論。

K. Van Heusden等人[14]在心血管循環系統模型中引入了生物力學的觀點，考慮靜脈血管的粘彈性應力松弛行為的基礎，準確預測了HUT初期心血管循環系統的響應情況。當人體頭上位傾斜某一角度時，靜脈由于所受重力作用減小，因此血壓及血管容量降低，應力松弛作用能夠減緩靜脈血管壁在血壓降低初期的收縮作用，在一定程度上降低血管容量下降速度。模擬得到在頭上位傾斜前30 s，調節動脈血壓的主要因素是下體靜脈淤積（venous pooling）作用，而非壓力反射作用。了解體循環系統中靜脈系統的生理機制有助于研究HUT時動脈壓力的瞬態響應規律。

2.2 國內研究進展

國內對重力應激下心血管循環系統的研究起步較晚，其中最具代表性的是清華大學的白凈。1988年，Jaron和白凈建立了用于加速應力下的心血管系統模型，此后在該模型基礎上不斷改進。利用改進模型仿真了人體在LBNP時血壓和心率的變化，結果與同步進行的人體LBNP實驗結果吻合；仿真研究了立位應激時血容量降低對血壓、心率和休克指數的影響，證明血容量降低是引發人體失重后立位耐力不良的主要因素之一[15]。馮岱雅等人[16]依據標準人體生理參數，建立了適用于各種重力環境下的人體心血管系統仿真模型，仿真模擬了失重條件下人體腦血流量與血壓的變化，分析血容量降低對人體心血管系統的影響，為研究失重對人體心血管功能的影響及其機制提供了新的思路和方法。劉洋等人[17]建立了分布式心血管系統數學模型，通過調整重力沿血管方向的分量模擬人體不同的傾斜角度，研究傾斜角度變化對人體心血管系統運行的影響。結果表明隨著傾斜角度的增加，血管的平均血壓近似呈現指數變化趨勢，仿真結果與相關的人體實驗數據基本一致。該模型在模擬仿真人體心血管循環系統對于傾斜測試中角度變化的瞬態響應方面具有較好的適用性，但是由于人們越來越需要長時間停留在失重或模擬失重環境中，需要考慮長期失重使心血管系統產生的適應性變化，所以需要將心臟與血管功能和結構的慢性適應變化、神經-體液調節以及血容量調節等機制耦合進來。

2.3 應用現狀

目前，心血管循環系統模型已經被廣泛地應用于醫學、軍事、航空航天等多個領域。醫學研究中采用傾斜測試（tilt test）檢測血液動力學參數的響應行為，用于心血管系統風險等級評價以及病癥診斷。Virginie Le Rolle等人[18]通過耦合心室模型、循環系統模型以及自主神經系統模型，并且利用進化算法辨識具體患者的生理參數，實現了對糖尿病患者在傾斜測試中的心率變異（heart rate variability，HRV）以及迷走神經、交感神經活動水平的預測。該模型不僅能夠準確地模擬不同患者的HRV，進而評估患者自主神經系統損傷程度，而且可以用于疾病治療手段有效性的預測。Einly Lim等人[19]基于13位健康者的傾斜測試數據建立了心血管循環系統模型，模擬健康者與充血性心力衰竭患者在不同角度傾斜測試中心血管系統的血液動力學響應。為了能將模型用于充血性心力衰竭患者，原有模型中降低了心臟收縮性，增大了肺循環及體循環的基本阻力，增大了總血容量，同時降低了壓力反射系統敏感度，因此保證了平均動脈壓、平均左心房壓力、平均肺動脈壓力、平均中央靜脈壓力、心率、每搏量及心輸出量等參數的預測值在試驗值范圍內。結果表明，與健康者相比，充血性心力衰竭患者進行傾斜測試時，心率及體血管阻力的增加幅度較小，而左心室舒張末期血容量、心輸出量及每搏量下降幅度均減小，并且各參數響應明顯滯后。

心血管循環系統的正常運行在軍事活動中尤為重要。軍用機飛行員或特技飛行員在飛行中受加速度變化影響時，心血管循環系統將受到極大考驗，嚴重時將會阻礙飛行員的安全操作。預測飛行員在特定飛行演習中血壓、心率等心血管系統響應的變化規律，有助于合理設計演習方案。Liu Yang等人[20]建立了分布式心血管系統模型，并模擬進行推拉動作（push-pull maneuver，PPM）時頸動脈壓力反射作用對+Gz耐力的影響，以及推拉效應（push-pull effect，PPE）引發的交感神經響應行為。比較PPM飛行及對比飛行（control run）下的模擬結果，可知這兩種情況下，縮短頸動脈壓力反射的延遲時間及增大增益系數對+Gz耐力的影響基本一致，即PPE不會影響頸動脈壓力反射功能；PPM模式主要由預設G值、“推”階段初始速度、“推”階段G值及時長、“拉”階段初始速度以及“拉”階段G值6個參數描述，預測比較不同模式下PPM中交感傳出神經脈動頻率發現，“推”“拉”階段的G值是輸出脈動頻率的重要影響因素。

在航空航天領域，飛行后立位耐力（postfligt orthostatic intolerance, POI）限制了宇航員著陸時處理突發狀況的能力，并且減緩了飛行后工作能力的恢復，成為亟待解決的問題。Justin Broskey和M. Keith Sharp[21]建立了包含心臟/肺、體動脈、頭靜脈、中央靜脈及尾靜脈的五腔模型，研究了立位耐力對心血管系統的影響，得到毛細血管濾過作用（capillary filtration）是引發POI的主要因素。通過降低毛細血管滲透性及激發血容量代償機制可以減輕POI現象，而后者的作用明顯優于前者，為防護措施的開發提供了理論依據。

3 作者研究成果

筆者以Mauro Ursino[22]建立的心血管循環系統數學模型為基礎，引入重力變化對心血管靜脈壓的影響，利用體位變化來模擬重力變化對靜脈壓的影響，利用Simulink/Matlab建立包含左心模塊、右心模塊、體循環模塊、肺循環模塊及神經控制模塊的數字仿真模型。分別模擬正常重力環境、失重環境及微重力環境下人體心血管基本生理參數的響應，為研究重力改變時人體熱舒適程度的變化奠定了基礎。

體動脈壓力、左右心室壓力、左心室容積及左右心室血流量在失重與微重力環境下的波形與正常重力環境下基本一致（見圖1至圖6）。其中人體的收縮壓與舒張壓在失重環境下分別為112.62 mmHg及66.06 mmHg，在微重力環境下分別為112.64 mmHg及66.09 mmHg。與正常重力環境下的模擬結果對比，失重環境下人體舒張壓降低14.86 mmHg，收縮壓降低4.85 mmHg，馮岱雅[16]通過建模仿真得到失重條件下人體舒張壓與收縮壓相比正常重力環境下分別降低17 mmHg及3 mmHg，與本文結果基本一致。另外圖1顯示了人體心動周期隨重力減小而增大，即正常重力環境下人體心率較失重環境下升高。

圖1 不同重力環境下體動脈壓力-時間仿真曲線Fig.1Emulational curves of systemic arterial pressure-time under different gravitional conditions

圖2 不同重力環境下左心室壓力-時間仿真曲線Fig.2Emulational curves of left ventricle pressure-time under different gravitional conditions

圖3 不同重力環境下右心室壓力-時間仿真曲線Fig.3Emulational curves of right ventricle pressure-time under different gravitional conditions

圖4 不同重力環境下左心室容積-時間仿真曲線Fig.4Emulational curves of left ventricle volume-time under different gravitional conditions

圖5 不同重力環境下左心室血流量仿真曲線Fig.5Emulational curves of left ventricle blood flow rate under different gravitional conditions

圖6 不同重力環境下右心室血流量仿真曲線Fig.6Emulational curves of right ventricle blood flow rate under different gravitional conditions

左心室壓力的變化范圍在失重及微重力環境下分別為4.04 ～ 137.62 mmHg及4.03～137.61 mmHg（見圖2）；右心室壓力在失重條件下為2.42 ～28.22 mmHg。

微重力環境下為2.42～ 28.20 mmHg（見圖3）。與正常重力環境下相比較，二者的變化范圍均會隨著重力的減小而增大，即失重條件下人體左右心室壓力均升高。

由圖4可知，左心室容積隨著重力減小而增大。當人體處于失重環境中時，左心室容積為54.25～136.37 mL，微重力環境下為54.24～ 136.36 mL，相比于正常重力環境下的50.65～ 111.15 mL，有了大幅度升高。由于左心室容積的最大值與最小值之差為心臟每搏輸出量，因此由圖4亦可知重力減小將引起每搏輸出量增大。

與左心室容積的變化趨勢相同，左右心室血流量在重力減小時同樣呈現出升高的趨勢。由圖5及圖6可知，失重條件下左心室血流量最大值為717.45 mL/ min，微重力環境下為716.18 mL/min，較正常重力環境下的579.55 mL/min分別升高了137.90 mL/min及136.63 mL/min；右心室血流量在失重與微重力環境下的最大值分別為486.71 mL/min及486.65 mL/min，相對正常重力條件下分別升高59.20 mL/min及59.14 mL/ min，相比左心室血流量升高幅度較小。

4 結論與展望

通過對國內外適用于重力應激下的心血管循環系統模型的總結分析，得出如下結論：

受試驗條件所限，特定疾病患者的生理參數無法獲得，阻礙了心血管循環系統模型在病理分析及疾病防護措施研發等方面的發展。采用模糊辨識等方法獲得具體生理參數，建立適用于特定患者的心血管循環系統模型，將是這一問題的有效解決辦法。

心血管模型正朝著功能多樣化的方向發展，不僅能用于研究心血管系統的運行機制以及重力應激下的防護措施，也能用于預測患者心血管疾病的發展過程，還可以用于測試醫療儀器的臨床應用效果。

目前少有重力變化對人體熱舒適影響的研究，因此，模擬失重/微重力環境下人體各部位血液分布，有助于深化對失重條件下人體熱舒適機理的認識，建立失重/微重力環境下人體熱調節系統數學模型，進而提高航天飛行過程中人體的熱舒適程度并建立相應的熱舒適評價指標。

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（責任編輯：申劍）

Modeling and Simulation of Cardiovascular System under Gravitational Stress

Wang Hanqing，Zhao Jinping，Chen Juan
（School of civil Engineering, Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Cardiovascular system is affected by blood hydrostatic pressure change due to gravitational stress. To understand the mechanism of cardiovascular system under gravitational stress is helpful for countermeasures developing. Summarizes the cardiovascular system modeling methods, reviews the model development progress, expounds the research and application status of effects of gravity changes on cardiovascular system, introduces the authors' research achievements, and finally points out the research trend of cardiovascular circulation system modeling and simulation.

cardiovascular system；mathematical model；gravitational stress；modeling and simulation；thermal comfort

Q463；TU83

A

1673-9833(2014)03-0099-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.03.020

2014-02-13

國家自然科學基金資助項目（51276057），湖南省研究生創新基金資助項目（CX2013B411）

王漢青（1963-），男，湖南益陽人，湖南工業大學教授，博士，主要從事室內空氣品質計算機仿真及建筑環境與設備節能技術方面的研究，E-mail：hqwang2011@126.com