不同角度倾斜对人体心血管系统影响的仿真研究

　　【摘要】 目的 仿真研究不同角度倾斜对人体心血管系统血液动力学的影响，并与已发表实验数据比较，以校验所用分布式心血管系统数学模型是否可用于失重对心血管影响的仿真研究，提出存在问题及改进方向。方法 利用该模型沿血管方向调整重力分量模拟人体倾斜角度的变化，计算变化过程中人体的心血管响应。结果 随倾斜角度绝对值的增加，所有血管的平均血压都近似呈不同方向的指数变化。人体由直立体位转至水平体位，中心静脉压呈指数增加;心率虽呈指数降低，但变化幅度很小;每搏量呈线性增加。静脉系统的流体静压参考点位于右心房和下腔静脉之间。仿真结果与报道的人体倾斜或卧床实验数据相近。结论 该模型可以有效地模拟人体倾斜角度变化时心血管系统的急性响应;但为了仿真长期航天失重环境下心血管系统的适应性变化，还需将血量调节，心脏与血管功能和结构的慢性适应变化，以及神经-体液调节等机制耦合进来。

　　【关键词】 失重模拟;心血管系统;倾斜;仿真;建模;中心静脉压;每搏量;心率

　　Simulation Study on Cardiovascular Effect Induced with Tilting at Different Angles. LIU Yang, JIAO Chun, ZHANG Guopeng, ZHANG Lifan, LU Hongbing.Space Medicine & Medical Engineering,2009,22(2):89～93

　　Abstract: Objective To study the influence of hemodynamic effects on cardiovascular system under different tilt angles, compare simulation results with reported experimental data, and investigate the feasibility of proposed distributed cardiovascular model for simulation study in microgravity. Methods Simulated model was estabished according to the effect of postural changes along vessel segments.The response of cardiovascular system was computed iteratively during this process. Results With the absolute value of tilt angle increased, the mean pressure of all vessels changed exponentially. With the tilt angle changed from vertical to horizontal position，the central venous pressure increased exponentially, the heart rate decreases exponentially less, and the stroke volume increased linearly. The pressure distribution of vascular system indicated that the hydrostatic indifferent point of venous system located between the right atrium and inferior vena cava. The simulation results compared well with reported experimental data. Conclusion The model used can simulate the acute response of cardiovascular system to postural changes effectively. To simulate hemodynamic adaptation of cardiovascular system to microgravity, more anthropopathic vessel system, as well as more control mechanism including the regulation of blood volume, chronic adaptation of heart and vessels, and neurohumoral regulation, should be included.

　　Key words:weightlessness simulation;cardiovascular system;tilt;simulation;modeling; central venous pressure; stroke volume; heart rate

　　Address reprint requests to: LU Hongbing. Department of Computer Application, The Fourth Military Medical University, Xi’an Shaanxi 710032, China

　　在失重环境停留时，由于一系列适应性变化，航天乘员并无明显心血管异常表现;但当返回地球表面1 G重力环境时，却普遍出现心血管功能失调，直接威胁航天乘员着陆后即刻的应急离舱能力，以及返回后对地球重力环境的再适应能力。目前对航天飞行后心血管失调的发生机制仍不甚清楚，且其对抗措施问题亦尚未圆满解决。现已日益意识到其机制相当复杂，除血量减少这一重要机制外，失重时心脏与动脉血管的一系列适应性改变可能是另一项重要机制[1]。例如，近年已发现失重/模拟失重下心肌质量减少(人) [2]和心肌萎缩性改变与收缩性能降低(大鼠)的证据[1]。

　　失重时，流体静压消失引起的动脉系统血管压力重新分布，则可能是导致动脉血管结构与功能适应变化的始动原因[3,4]。间断性人工重力对被试者和实验动物心血管功能失调的独特预防效果也支持这一假说[2,5]。但目前有关真实/模拟失重下动脉血管压力分布变化直接测量数据还很少。除Katkov和Chestukhin[6]曾报道1 G时不同角度倾斜下人体动、静脉压力的变化外，有关真实失重下局部动脉血压变化的资料仅有零星报道。

　　早在19世纪末，Wagner就曾提出了流体静压参考点(hydrostatic indifferent point, HIP)的科学概念及其与倾斜时中心静脉压(central venous pressure, CVP)变化的相互关系，但HIP的位置又与血管系统的顺应性有关。人体静脉系统中的HIP在膈肌附近[7]，而犬的HIP在右心室附近[8]。失重时，动脉系统的压力分布变化亦取决于HIP，但后者还受到神经调节等的影响，故影响因素更为复杂。本文也拟初步探讨HIP的仿真问题。

　　地面模拟研究提示，失重时CVP的改变是引起体液调节与血量降低的主要始动因素。在血容量适应性降低之后，CVP可返回至正常值[4,9]。CVP主要由心脏泵血功能和回心血量决定，故心率(heart rate, HR)和每搏量(stroke volume, SV)与CVP的变化密切相关。虽然，进入真实失重环境即刻CVP的变化还取决于其他一些因素[4]，但仿真倾斜引起的改变应是第一步。

　　真实/模拟失重环境下，心血管生理研究不仅代价高昂，而且还受到机会、样本数量、测量方法、实验环境等多种因素限制，故仿真研究甚为重要。Guyton模型曾被改进用于失重下体液调节及血量减少问题研究，后又进一步扩展用于研究立位应激下心血管系统响应[9]。这些模型虽得到较好结果，但不能直接用于急性心血管系统响应的研究，因为Guyton的模型主要是一个长时程模型。根据平均血压和平均血流量建立的模型，它只能模拟时间单位为分钟的均值变化，但却不能仿真逐次心跳短时程调节。为仿真高G对心血管影响与防护措施效果，我们曾建立分布式数学模型 [1011]。本文拟探讨将其用于失重心血管生理仿真研究的可行性。

　　本工作主要内容如下：1)仿真不同倾斜角度下，脑、颈、胸腔及下肢大、中动、静脉血压的即刻改变，并与人体实测数据对比，以检验模型的有效性; 2)用仿真方法确定1 G重力下人体动、静脉系统中HIP的相对位置;3)仿真不同倾斜角度下CVP、HR和SV的变化。

　　方 法

　　模型描述

　　采用的非线性分布式人体心血管模型曾主要用于仿真超重对心血管功能改变[1011]。为仿真失重对心血管影响，对原模型进行了如下修改：1)因人体由直立转为水平体位甚至头低位时，局部流体静压梯度改变，血量头向移动，下肢血管压力降低、血量减少，故增加下肢静脉塌陷模块[12]，在塌陷过程中，静脉的横截面用恒定周长的椭圆表示;2)增加了中、小静脉血管的血管床段个数，即胫后动脉及两根腿部小动脉，由原来的9段增加至12段[13]，以便能更准确地反映血容量在失重环境下的变化，具体参数来自文献[13];3)调整心脏弹性模量及下肢血管阻力等参数，使模型输出与实验获得数据尽量相符。修正后的模型主要包括3大部分：心脏、血管系统和反射机制(图1)。

　　将心脏、血管系统和反射机制结合在一起就构成了闭环的人体心血管系统模型。该模型包括左、右心室和心房4腔室，大中动、静脉血管各22段，中小动、静脉等外周血管12段。心血管系统各组分的生理参数值的初始值均来自人体解剖数据和文献[13]，无相应数据的参数则通过参数估计及曲线拟合推出。仿真人为男性，身高为180 cm，初始心率为72 beats/min。模型在开始运行4～5个心动周期后输出趋于稳定。模型利用Pascal语言开发，2.8 G CPU、1 G内存的计算机，计算一个心动周期约需时12 ms。

　　仿真内容

　　倾斜角度变化对心脏及各动、静脉血管段血压影响的仿真 在模型中，各血管段压力梯度的变化可反映重力的影响，头高位(headup tilt, HUT)/头低位(headdown tilt, HDT)倾斜角度的影响由改变相应局部血管段沿血管方向的重力分量模拟;心脏位于HIP附近位置，受重力的影响较小，但因各血管段的血液动力学变化，引起回心血量以及血管压力的变化，则心脏将受输入和反射机制的影响产生一系列变化。为了验证模型的有效性，本文首先将模型的模拟结果与Katkov和Chestukhin[6]在相同条件下的人体实验结果进行对比研究，计算依次在HUT和HDT状态下，角度依次由0°～ 10°，10°～30°和30°～75° 时，每个角度持续5 min的心血管响应。此处为了与实验环境一致所以使用5 min，而模型输出在4～5个心动周期后即趋于稳定，所以其他仿真实验中只计算了100个心动周期，取10个心动周期的平均值。为了定量比较仿真结果与实验结果，将实验结果的均值作为真实值，而将仿真结果作为测量值来计算相对误差。同时，为了消除初始值对输出结果的影响，我们对各个角度进行独立研究。倾斜角度的变化分别为HUT和HDT的0°，10°，…，90°，各角度之间无相互影响，计算100个心动周期，计算血压平稳后的10个心动周期的平均值，并观察其变化趋势。

　　动、静脉系统HIP的仿真 以平卧位(旋转角度为0°)为初始位置，计算100个心动周期，待模型输出稳定，再分别调整角度为0°，10°，…，90°，再计算100个心动周期，计算血压平稳后的10个心动周期的平均值，并比较不同倾斜角度时心脏及各血管段平均血压的变化。

　　倾斜角度变化对CVP的影响及HR和SV的变化趋势 以直立体位(旋转角度为90°)为初始位置，计算100个心动周期，待模型输出稳定，再分别调整角度为90°，80°，…，0°，再计算100个心动周期，计算CVP、HR和SV在平稳后的10个心动周期的平均值，并观察其变化趋势。

　　结 果

　　倾斜角度变化对心脏及各动、静脉血管段血压影响的仿真

　　图2给出心脏与各血管段血压的模拟值与人体实验数据[6]的比较。计算仿真结果与实验结果的相对误差，可得最小相对误差为0.9%，最大相对误差是在-75°的颈静脉平均血压为32.9%，其余绝大部分在10%以内。由图可见，除在-30° 和-75°时，颈静脉压和左心室收缩压的模拟值与实验数据存在一定差异外，其余基本吻合。

　　图3描述了HUT/HDT时，随倾斜角度的变化各血管段平均血压的变化趋势。由图可见，HDT随着倾斜角度值的增加，各血管段平均血压都近似呈升高或降低的指数变化，且变化幅度都是降低的;HUT时变化方向相反。

　　动、静脉系统HIP的仿真

　　图4描述了不同倾斜角度时，心脏及动、静脉系统的各血管段平均血压的变化曲线。

　　图2 不同倾斜角度时左心室收缩压与颈静脉和股动脉平均血压的仿真结果与实验数据的比较

　　由图4(a)可见，在静脉系统，右心房和下腔静脉之间确实存在一点平均血压不随倾斜角度变化;且该点距右心房较近。图4(b)表明：在动脉系统，颈总动脉与股动脉之间也存在平均血压不随倾斜角度改变的点;且离该点越远的部位，其平均血压随倾斜角度改变的幅度也越大。

　　倾斜角度变化对CVP的影响及HR和SV的变化趋势

　　由图5可知，随着倾斜角度的变化(由直立转至水平位置)，1)CVP近似呈指数增加，由3.25 mmHg增加至3.74 mmHg;2)HR呈指数降低，但是变化幅度很小，由74.53 beats/min降至70.49 beats/min;3)SV近似呈线性增加，由60.71 mL增加至75.38 mL。

　　讨 论

　　为了验证模型的有效性，本文根据Katkov和Chestukhin[6]的实验条件仿真了相应的血压变化。由图2曲线可见，在-30° 和-75°时，颈静脉压和左心室收缩压的模拟值与实验数据存在一定差异，可能是由于该模型是短时模型，而根据实验条件，在这两个角度时，时程已经超过30 min，故输出存在一定的偏差，所以应进一步改善模型从而可以模拟长时间心血管系统的适应性变化。在定量研究仿真结果与实验结果的差异时，未考虑实验结果的标准误，而且模型体现的是人体平均指标的变化，实验得到的结果或多或少会存在特异性，这些原因共同作用使最大相对误差较大。但总体上，绝大部分的仿真结果与实验数据的相对误差都在10%以内，可以说明该模型可较好地模拟人体倾斜角度变化时血压的即刻变化。在此基础上，我们又进一步仿真了不同角度HUT和HDT时，肺动、静脉及系统循环颈部及下肢动、静脉血压的即刻变化(图3)。可见，随着HUT/HDT角度绝对值的增加，无论心脏水平以上、心脏水平，还是心脏水平以下血管段的平均血压都近似呈指数变化，且变化趋缓。地面1 G条件下，HDT可以模拟失重时因流体静压消失动、静脉血管血压分布的改变。Hargens[4]最先提出失重时这种血压分布可引起上身与下身动脉血管发生不同方向适应变化。近年地面动物模拟研究已提出大量证据支持此种设想[1,3]，且重力性对抗措施防止飞行后心血管失调的机制亦可能与此有关[5]。但目前在真实/模拟失重下测定动脉血管系统血压分布变化仍有一定困难，故模型与仿真研究可能发挥重要作用。本文中并未涉及倾斜角度变化的速率对实验结果的影响，假定角度的变化是瞬时完成的。

　　HIP为一封闭管道内流体静压不随倾斜角度而变化的点[13]。人体动、静脉系统也有HIP，不过还要受血管顺应性等因素影响。HIP在重力循环生理中具有特殊生理意义[4,78]。HIP实测有技术困难，故仿真研究有重要意义。为此，本工作对人体HIP进行了初步仿真研究，所选取的组分为上、下腔静脉和右心房以及距心脏较远的脑动脉、颈总动脉、股动脉和胫前动脉。图4表明：静脉系统中，HIP在右心房和下腔静脉之间，且该点靠近右心房;动脉系统中，HIP在颈总动脉和股动脉之间，但未能进一步确定该点介于哪两段动脉血管之间。以上结果充分验证了Gauer和Guyton[78]对HIP位置的报道。为进一步准确确定HIP的位置，还需要使模型更加接近人体解剖结构，并考虑血管顺应性等因素的影响。

　　Gauer曾提出直立体位为人体循环调节的初始设定位置。当转向平卧位时，+Gz重力分量消失，血液头向转移，使回心血量增加，CVP呈指数增加;由于上身动脉血压升高，压力感受器触发反射调节，HR近似呈指数下降，但变化幅度较小。两者共同作用下，SV近似呈线性增加。根据HR和SV的数据可知，心输出量(cardiac output, CO)由90°时的4.5 L/min增加至0°时的5.3 L/min，增加了17%。这是卧床实验模拟失重循环影响的依据，且CVP又是引起体位与血量调节的始动因素。Norsk等[14]曾报道，抛物线飞行中，骤然失重时，被试者心输出量立即增加29%±7%,而平均动脉压和心率基本不变，提示系统循环血管阻力降低。仿真结果与上述报道基本符合，根据人体实验和模型的结果可推出短时进入失重环境，CO立即增加，而心率基本无变化。但真实失重即刻的CVP变化还涉及失重时胸内压的变化，故应进一步将胸内压等的仿真耦合在模型中。

　　结 论

　　总之，仿真结果表明，该模型与生理系统在动力学特性方面具有较好的相似性，可初步仿真人体HIP的位置及倾斜角度发生变化时心血管系统的即刻响应。为进一步模拟长时间失重的心血管适应性变化，还应考虑改进模型使其血管段设定更加接近人体解剖数据，探讨倾斜速率对实验结果的影响，并将体液及血量调节和心肌与血压对血量的适应性变化耦合进来。

　　【参考文献】

　　[1] ZHANG Lifan, YU Zhibin, MA Jin, et al. Peripheral effector mechanism hypothesis of postflight cardiovascular dysfunction[J]. Aviat Space Environ Med, 2001, 72(6): 567575.

　　[2] Dorfman TA, Levine BD, Tillery T, et al. Cardiac atrophy in women following bed rest[J]. J Appl Physiol, 2007, 103(1): 816.

　　[3] ZHANG Lifan. Invited review: Vascular adaptation to microgravity: what have we learned[J]. J Appl Physiol, 2001, 91(6): 24152430.

　　[4] Watenpaugh DE, Hargens AR.The cardiovascular system in microgravity[M]. New York: Oxford University Press, 1996: 631674.

　　[5] ZHANG Lifan, CHENG Jiuhua, LIU Xin, et al. Cardiovascular changes of conscious rats after simulated microgravity with and without daily -Gx gravitation[J]. J Appl Physiol, 2008,105(4)：13341145.

　　[6] Katkov VE, Chestukhin VV. Blood pressure and oxygenation in different cardiovascular compartments of a normal man during postural exposures[J]. Aviat Space Environ Med, 1980, 51(11): 12341242.

　　[7] Gauer OH. The Hydrostatic Pressure[M]. London: Little Brown, 1961: 1627.

　　[8] Guyton AC, Greganti FP. A physiologic reference point for measuring circulatory pressures in the dogparticularly venous pressure[J]. Am J Physiol, 1956, 185(1): 137141.

　　[9] Srinivasan RS, Leonard JI, White RJ. Mathematical Modeling of Physiological States[M]. Reston, VA: AIAA, 1996: 559594.

　　[10] LU Hongbing, BAI Jing, ZHANG Lifan. Simulating study of cardiovascular response and +Gz protection afforded by extended coverage Gsuit[J]. Space Medicine & Medical Engineering, 1998, 11(3): 240244.

　　[11] LU Hongbing, ZHANG Lifan, BAI Jing, et al. Mathematical modeling of high G protection afforded by various antiG equipment and techniques[J]. Aviat Space Environ Med, 2007, 78(2): 100109.

　　[12] Synder MF, Rideout VC. Computer simulation studies of venous circulation[J]. IEEE Trans Biomed Eng, 1969，16(4): 325334.

　　[13] Sheng S, Sarwal SN, Watts KC, et al. Computational simulation of blood flow in human systemic circulation incorporating an external force field[J]. Med & Biol Eng & Comput, 1995, 33(1): 817.

　　[14] Norsk P, Damgaard M, Peterson L, et al. Vasorelaxation in space[J]. Hypertension, 2006, 47(1): 6973.