心肺交互作用的心血管系統(tǒng)模型及仿真研究

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1、第""卷第’期中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)>8A*""O8*’"!!’年K月M+NOP0PJQR.O/SQ,BNQEPHNM/SPOGNOPP.NOGJ;:2"!!’!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!文章編號(hào)：!"#$%$!"&（"!!’）%!’%"(&%!)心肺交互作用的心血管系統(tǒng)模型及仿真研究李新勝&，白凈&，崔樹(shù)起"，王蘇中"（&*清華大學(xué)電機(jī)系生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，北京&!!!$(；"*首都醫(yī)科大學(xué)預(yù)防醫(yī)學(xué)系，北京&

2、!!!#(）摘要：在多元非線性心血管系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了反映心肺交互作用的數(shù)學(xué)模型，就呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)心血管系統(tǒng)的影響進(jìn)行了仿真研究。為了驗(yàn)證模型的有效性，首先對(duì)比了模型仿真結(jié)果與文獻(xiàn)中給出的檢測(cè)結(jié)果，所選取的指標(biāo)為心率／收縮壓變異信號(hào)中與呼吸相關(guān)的高頻功率（+,，!*&#!!*(!+-）。模型仿真結(jié)果與臨床檢測(cè)結(jié)果基本一致，表明該模型能夠正確反映出呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)心血管系統(tǒng)的影響。進(jìn)一步就壓力感受器和心肺感受器反饋調(diào)節(jié)能力的變化對(duì)心率變異性的影響進(jìn)行了仿真研究，指出壓力和心肺感受性反射敏感度的降低是導(dǎo)致呼吸性竇

3、性心律不齊隨年齡增長(zhǎng)而減弱的主要原因。關(guān)鍵詞：心肺交互作用；心肺感受器；自主神經(jīng)系統(tǒng)；呼吸性竇性心律不齊中圖分類號(hào)：.’&$*!&文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：/引言呼吸運(yùn)動(dòng)引起的靜脈回心血量變化及心肺感受器引起的心血管反射是產(chǎn)生與呼吸運(yùn)動(dòng)相關(guān)的心率／血壓變異信號(hào)的主要原因，醫(yī)學(xué)上將心率隨呼吸運(yùn)動(dòng)而波動(dòng)的現(xiàn)象稱之為呼吸性竇性心律不齊（.0/，1234516%781935:;3611<97<=56）。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多種角度對(duì)心率變異性（+.>，<26171672?6156@5A579）和血壓變異性（BC>，@A8

4、8D41233;12?6156@5A579）進(jìn)行了較為深入的研究，使用的方法主要有頻譜分析、系統(tǒng)辨識(shí)、參數(shù)模型（/.、/.E/）等［&!’］。近幾年非線性動(dòng)力學(xué)理論在這方面的應(yīng)用也日益增多，并取得了一些有價(jià)值的研究成果［(］。以上方法主要是利用臨床實(shí)驗(yàn)獲得的心率、動(dòng)脈血壓和呼吸深度等生理參數(shù)，分析每種參數(shù)中所蘊(yùn)涵的生理機(jī)制，以及各參數(shù)間的相互作用關(guān)系和相關(guān)程度。相比之下，以人體生理學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)心肺和血管系統(tǒng)的血液循環(huán)及自主神經(jīng)調(diào)節(jié)過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型的方法，可以從另一個(gè)角度揭示心肺系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間的相互作用

5、機(jī)制，開(kāi)拓人們對(duì)心血管系統(tǒng)各種生理、病理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，這是許多其他實(shí)驗(yàn)手段和分析方法所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)不同的研究目的，心血管模型的結(jié)構(gòu)差別很大，最簡(jiǎn)單的只包含左心室模型和一個(gè)代表體循環(huán)的阻容元件；較復(fù)雜的則包含了多元分布式血管模型和四房室、時(shí)變彈性系數(shù)的心臟模型。近年來(lái)，這些模型在藥物動(dòng)力學(xué)、FG-狀態(tài)的生理反應(yīng)、心臟輔助裝置等許多方面都得到了成功的應(yīng)用［#!&!］。但基于分布式心血管模型，并從血液動(dòng)力學(xué)和自主神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制的角度研究心肺交互作用的報(bào)道還很少。本文在前期多元非線性心血管系統(tǒng)模型及自主神經(jīng)調(diào)節(jié)

6、模型研究工作的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了反映心肺交互作用的數(shù)學(xué)模型，就呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)心血管系統(tǒng)的影響進(jìn)行了仿真研究，并進(jìn)一步考察了壓力和心肺感受性反射敏感度的變化對(duì)與呼吸運(yùn)動(dòng)相關(guān)的心率／血壓變異性的影響。!模型描述!"!多元非線性心血管系統(tǒng)模型本研究所采用的心血管系統(tǒng)模型是以美國(guó)H12I2A大學(xué)J618:教授等建立的多元非線性人體循環(huán)模型［#］以及白凈教授等近年的工作為基礎(chǔ)而建立的。此模型曾先后用于FG-狀態(tài)的生理反應(yīng)［K］、橈動(dòng)脈脈搏波［L］、心肌缺血［$］等問(wèn)題的仿真研究，結(jié)果表明該模型能夠較好地反映心血管系統(tǒng)的一

7、些生理過(guò)程及其機(jī)理。為了研究肺源性心臟病的發(fā)病機(jī)理及其心肺功能的變化，呂鴻莉等對(duì)該模型的肺循環(huán)部分進(jìn)行了改進(jìn)［)］，引入了集總肺動(dòng)脈、肺靜脈血管模型，并考慮了呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)肺循環(huán)血容量及靜脈回心血量的影響，形基金項(xiàng)目：國(guó)萬(wàn)方數(shù)據(jù)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（K!"L&!!K）收稿日期："!!&%!(%&)中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)第""卷"-"成了可以初步模擬心肺交互作用的心血管系統(tǒng)模型。經(jīng)呂鴻莉改進(jìn)后的模型只考慮了呼吸過(guò)程中由動(dòng)脈血壓波動(dòng)引起的心率變異性。然而，產(chǎn)生呼吸性竇性心律不齊主要有兩個(gè)方面的原因：（!）呼吸運(yùn)

8、動(dòng)引起動(dòng)脈血壓周期性波動(dòng)，經(jīng)壓力感受性反射調(diào)節(jié)使心率發(fā)生變化；（"）呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)分布在心房、心室和肺循環(huán)大血管壁的心肺感受器產(chǎn)生周期性的機(jī)械牽張刺激，其效應(yīng)是改變自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)，進(jìn)而引起心率的變化。圖!分布式心血管系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（#：動(dòng)脈血管，%：靜脈血管，&：外周血管，’%：搏出量，()：心率，*+：心輸出量，%：靜脈血容量，*：靜脈血管順應(yīng)性）$$$,,萬(wàn)方數(shù)據(jù)第*期李新勝等：心肺交互作用的心血管系統(tǒng)模型及仿真研究"&*引入的反映心