摘要： 目的 研究不同程度的血容量减少对心血管系统立位应激反应的影响，探讨血容量降低在航天失重后心血管失调和立位耐力降低机理中的意义。方法 在仿真下体负压（LBNP）暴露时心血管系统反应模型的血液重新分配子模型中引入血容量减少因素，仿真血容量减少0～25%后LBNP时心率（HR）和血压（BP）变化。结果 血容量减少低于总血量的5%条件下，心血管系统可以通过压力反射调节作用维持LBNP时正常的HR和BP；血容量减少超过约15%，在安静仰卧位时，HR和BP正常，但LBNP时BP迅速降低，系统可能失去稳定性。结论 血容量减少将导致心血管系统对立位应激反应的改变。

中图分类号：R852.22；R856.5文献标识码：A文章编号：1003-0837(2000)04-0259-04

A Simulated Study of Effects of Simulated Hypovolemia on Cardiovascular Response to Orthostatic Stress

HAO Wei-yaZHANG Li-fanWU Xing-yuZHANG Wei-ying

（The Lab of Biomedical Engineering,The Electric Engineering Department of Tsinghua University,Beijing 100084,China）

Abstract: Objective To study the effects of hypovolemia on cardiovascular response to orthostatic stress,and to investigate the role of hypovolemia in the mechanism of cardiovascular deconditioning and orthostatic intolerance induced by space weightlessness.Method The effects of loss of blood volume had been incorporated in the sub-model of blood redistribution in the model developed for simulating the cardiovascular response to lower body negative pressure (LBNP).With the help of the model,we simulated the changes of heart rate (HR) and blood pressure (BP) during LBNP after 0～25% loss of blood volume.Result When the amount of decrease of blood volume was less than 5% of the total blood volume,HR and BP could be maintained in normal range during LBNP through baroreflex regulation.When the amount of the decrease of blood volume was more than 15% of the total blood volume,HR and BP could be kept in normal rang when the subject was supine and at rest.But BP fell sharply and the cardiovascular system almost collapsed during orthostatic exposure.Conclusion Decrease of blood volume causes significant degradations of cardiovascular response to orthostatic stress.

Key words:mathematical modeling;weightlessness;stresses;cardiovascular systerm;blood volume;lower body negative pressure

载人航天时失重环境可引起航天员的立位耐力和运动能力下降^［1］。立位耐力下降主要表现为：在失重条件下受到下体负压作用时，或返回地面1 G条件下直立位时，航天员感到心慌、头晕，甚至出现晕厥，其体征则为心率过分增快，维持正常动脉血压的能力明显减弱，一般需要数日至数周才能恢复。此类症状与体征称为“心血管失调”（cardiovascular deconditioning）。这种心血管机能障碍的机理仍不甚清楚，特别是关于长期失重所致的心血管失调的机理则了解得更少^［1,2］。

为阐明失重/模拟失重后立位耐力下降的机理，国内外已进行了大量的地面模拟和航天实验

研究。目前，短期（几天）的微重力引起的立位耐力降低几乎完全可以用血容量降低解释^［1］。但是中、长期失重引起的立位耐力降低似乎不能完全由血容量降低解释^［1,2］。在多次的航天飞行观察中，血容量的减少量不尽相同，数据差异较大，有些观察结果互相矛盾^［1］。Hoffler^［1］根据多次飞行积累的数据，把航天员血容量变化的百分比与立位（站立）或模拟立位（LBNP）应激时心率的增加联系起来，发现二者成线性负相关（r=-0.54,P＜0.005），即血容量减少愈多，心率增加愈多。该结果比较直接地支持了血容量减少是立位耐力降低原因的假说^［1］。但是，血容量的变化与其它血液动力学指标的关系，以及何等程度的血容量变化会严重影响立位应激的反应，仍未见报道。这主要由于人体实验受到技术、资金、机会、周期、耐限和伦理等客观因素的限制。而计算机仿真实验不仅不受这些因素的限制，而且可进行不同实验条件组合。本文利用我们建立的数学模型^［3］仿真研究不同程度血容量降低对立位应激下心血管系统反应的影响，探讨这种变化对飞行后心血管失调和立位耐力降低发生机理的意义及贡献。

方法

一般认为，血容量减少通过以下的途径影响心血管系统对立位应激的反应^［4］：血容量减少引起循环系统平均充盈压（mean circulatory filling pressure,MCFP）降低，MCFP的降低又引起中心静脉压（CVP）的降低，CVP降低又使左室舒张末容积（LVEDV）降低，经过心脏与外周的耦合作用导致血压的降低，心血管系统又通过压力反射作用力图代偿血压的下降以维持系统的稳定。

与立位应激的反应机制一样，血容量减少也是通过改变CVP的大小影响心血管系统；因此，一些人认为，急性失血效果也与立位应激相当^［5,6］。基于这些原因，我们在原模型^［3］中的血液分配模型中引入了血容量改变的因素。只要把原来认为心血管系统中总血容量不变的数学关系^［3］由公式（1）代替，就可以仿真血容量减少对心血管系统立位应激反应的影响。

△V_b=△V_THO+△V_HUL+△V_ABD+△V_PB+△V_THI+△V_CAL+△V_FT (1)

式中，ΔV_THO、ΔV_HUL、ΔV_ABD、ΔV_PB、ΔV_THI、ΔV_CAL、ΔV_FT分别是胸部、头和上肢、腹部、骨盆和臀部、大腿、小腿以及足部等组分在LBNP时血容量的变化；ΔV_b是血容量的减少值。

正常成年人的血液总量相当于体重的7%～8%，或相当于70～80 ml/kg体重^［7］。本文仿真的人体对象为一体重为75 kg的成年人。如果按照75 ml/kg的血容量计算，该对象共有5625 ml血容量。

本文仿真了不同程度的血容量减少（0～25%）后，不同的LBNP暴露强度（0～ -20 mmHg）时心血管系统稳定后，心率（HR）、收缩压（SBP）和舒张压（DBP）的变化。仿真过程如下：系统启动后，首先设定血容量减少量为0%；然后按照文献［3］所述的方法，仿真在该程度血量减少时不同LBNP暴露强度下心血管稳定后的HR、SBP和DBP；之后，再仿真血量减少为总血量的2.5%后LBNP时心血管反应；如此往复，直至血量减少量达到25%。

结果

仿真结果表明，不同程度的血容量减少后，心血管系统在LBNP作用约3 min后达到稳定状态。稳定后的心率和血压变化特点如下：

心率的变化

图1是不同程度的血容量减少后不同强度的LBNP暴露时HR的变化。由图可见，在相同的LBNP暴露时，血容量减少愈多，HR增加也愈多；在血容量减少一定时，LBNP暴露值愈大，HR增加也愈多。当血容量减少较小（低于5%）时，HR随着LBNP的增加量变化很小；当血容量减少超过约15%后，即使LBNP较低，HR也增加很快。例如，当血容量减少5%，LBNP为0时，HR为76 bpm；LBNP为-20 mmHg时，HR为88 bpm。当血容量减少20%，LBNP为0时，HR为96 bpm；LBNP为-20 mmHg时，HR则为132 bpm。

图1血容量减少对卧位下体负压时心率变化的影响

Fig.1The effects of hypovolemia on HR changes during supine-LNBP

血压的变化

收缩压仿真结果表明，SBP随着血容量减少而明显降低（图2）。在血容量减少变化＜10%时，LBNP虽增加，但SBP变化较小。但是，在血容量减少变化＞15%后，SBP随着LBNP增加而大幅度降低。

舒张压结果显示，LBNP时，舒张压的变化与血容量的减少量十分密切。图3可以明显地看到，当血容量减少量变化＜15%时，LBNP暴露时，DBP不变，或者稍有增加；但是，当血容量减少幅度大于这个界限后，DBP随着LBNP的增加大幅度降低，并且其变化率很大，系统有失去稳定性的趋势。

图2血容量减少对卧位下体负压时收缩压变化的影响

Fig.2The effects of hypovolemia on SBP changes during supine-LBNP