摘要：目的 仿真研究心血管系统对下体负压(LBNP)的反应。方法 建立了一个数学模型，模型包括7部分：血液重分配控制、左室灌注、左室、外周循环、心率调节控制、外周阻力调节控制、静脉紧张程度控制。其中，心率和静脉紧张度受动脉压力感受器反射控制，而外周阻力则同时受动脉压力感受器和心肺压力感受器的反射控制。结果 利用所建模型，模拟了0～-10.64 kPa(-80 mmHg)范围内LBNP暴露时心血管系统的反应，模拟LBNP暴露时收缩压、平均压、心率和心输出量的变化以及血压反应过程，仿真结果均与人体实验结果吻合。结论 所建模型是有效的，可以模拟LBNP下血液动力学的短期反应。

中图分类号：R852.22，TP391.9文献标识码：A文章编号：1002-0837(1999)04-0262-05

Computer Simulation of Cardiovascular Response to Lower Body Negative Pressure

HAO Wei-ya, WU Xing-yu, ZHANG Li-fan, FENG Lin-hua,SUN Xi-qing, YAO Yong-jie

Abstract: Objective To simulate the cardiovascular response to lower body negative pressure (LBNP).Method A computer model was developed.It had 7 subparts: the redistribution of blood, the filling of left ventricle, left ventricle, peripheral circulation, control of heart rate, control of peripheral resistance and control of venous tone. The heart rate and venous tone were controlled by high-pressure receptor baroreflex, while the peripheral resistance was controlled by high- and low-pressure receptor baroreflexes.Result With the help of the model,cardiovascular response to LBNP up to -10.64 kPa(-80 mmHg)were simulated, including the changes of systolic blood pressure, mean blood pressure, heart rate and cardiac output.The time-dependent response to a LBNP profile was also simulated. The simulation results coincided well with human experiments. Conclusion The model is valid and can accurately reproduce the short-term hemodynamic response to LBNP.

Key words:mathematical model；cardiovascular system；lower body negative pressure;computerized simulation

Address reprint requests:HAO Wei-ya.Department of Aerospace Medicine,The Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China

在航空航天医学中，下体负压(LBNP)是评价人体在卧床和失重后心血管脱锻炼程度和对抗立位耐力下降的常用技术手段^［1,2］，它不受重力因素和下肢肌肉收缩的限制。LBNP的生理反应是：提高心率(HR)和下体血液的积聚量，降低系统血压（BP）和平均血压(MAP)；同时，脉压差和心输出量（CO）也降低。心血管系统对LBNP反应十分复杂，涉及很多的生理机制，包括不同部位血管床的静脉顺应性，心脏的Starling定律和压力反射等。目前认为，这些机制中一些小的变化都会引起立位耐力的降低^［1］。很难通过人体或动物实验估计这些因素在立位耐力降低中的单独作用。一种变通的办法是建立一个可以模拟人体立位应激反应的数学模型。适当地改变模型中的相应参数，分析结果，就可以帮助我们了解各个生理因素的变化在立位反应中的作用。因此，建立可以模拟LBNP时心血管系统反应的数学模型显得十分重要。

本工作以Melchior模型^［3］为基础，建立了一个用来模拟人体LBNP时心血管系统反应的数学模型，并以一定的人体试验加以验证。

方法

模型的建立

生理学基础心血管系统对立位应激的反应遵循一系列生理过程:血液的再分配—下体血管外负压增加了血管跨壁压，导致血液的重新分配，进而中心静脉压（CVP）降低；左室灌注—CVP的降低使得左室的灌注降低，导致左室舒张期末的容积降低；心脏与外周循环的耦合—左室舒张期末容积的降低导致每搏输出量（SV）和动脉压的降低；压力反射的代偿—动脉和心肺压力反射通过提高心率，增加系统阻力（SVR）和降低静脉顺应性代偿血压的降低。

模型简介基于以上四个生理机制，并以Melchior模型^［3］为基础，我们建立了适于模拟立位应激反应的心血管系统数学模型。模型包括以下7部分：血液重分配控制、左室灌注、左室、外周循环、心率调节控制、外周阻力调节控制、静脉紧张程度控制（图1）。与Melchior模型相比，本模型在以下几个方面有所改进。

图1人体心血管系统模型框图

Fig.1Block diagram of human cardiovascular simulation model

细化人体静脉系统在血液重新分布系统中，按照人体解剖特点，把人体静脉系统适当地细化，并考虑了静脉在跨壁压为负值时可能发生塌陷的生理现象。静脉系统的顺应性大约是动脉系统的24倍^［4］，在立位应激时，动脉系统在血液重新分布中的作用微不足道。在微循环中，管内压力变化时几乎看不到管径随之变化，象是刚性管^［5］。再加上血液主要分布在静脉系统中，因此，在人体受到立位应激时，血液的转移主要发生在静脉系统中。我们假设血液的重新分布仅限于静脉之中，把静脉系统按照解剖结构划分为7个组分，分别代表头部和上肢部(HUL)、胸部(THO)、腹部(ABD)、臀部和骨盆部(PB)、大腿(THI)、小腿(CAL)及足部(FT)(图2)。LBNP暴露时，臀部和骨盆、大腿、小腿及足部处于负压之中。由于LBNP只部分地传递到静脉的周围组织^［3］，则静脉周围组织的负压为K_trans^．LBNP，其中K_trans为传递系数。假设LBNP暴露时，静脉内血压各处相同，均为CVP，则在LBNP暴露时，臀部和骨盆、大腿、小腿及足部静脉的跨壁压为：

P_trans=CVP-K_trans×LBNP(1)

而头部和上肢、胸部、腹部静脉的跨壁压为：

P_trans=CVP(2)

图2血液重新分配模型

Fig.2Model of blood redistribution

LBNP暴露时血液重新分布不仅与血管跨壁压有关，而且与各组分的顺应性有关。由于LBNP变化较大，有必要考虑血管顺应性的非线性。我们用公式(3-1、3-2)拟合各组分的血容量变化量ΔV与跨壁压ΔP_trans之间的非线性关系。其中：ΔV_m+是该组分静脉的最大血容量增量，ΔV_m-表示静脉在ΔP_trans为负值时最大血容量减少量。式（3-2）表示静脉在跨壁压为负值时的塌陷过程。根据方程（1～3）并假设血液的总量不变，可求出LBNP暴露时的ΔCVP。

(3-1)

(3-2)

引入静脉紧张度变化的反射机制LBNP暴露致血压降低后，静脉紧张度提高，促进外周静脉系统中的血液回流，使CVP有所回升。采用Green和Miller的血管弹性控制模型^［6］：

-k₂［p(t-λ)-p₀］(4)

控制不同部位静脉紧张度变化。式中C₀和p₀分别是稳态时的顺应性和MAP,λ为一时间延迟常数，k₁和k₂为变化率系数。

提出一个新的压力反射模型并应用于模型之中系统阻力和心率受到动脉压力和心肺压力感受器引起的反射调节作用。在LBNP暴露时，感受器受到的压力刺激发生变化，它们把这些变化以电信号形式传入CNS，CNS综合调制这些信号，并调节血管阻力和心率来维持系统血压的稳定。这个过程需要一定的时间d，因此压力反射活动存在着时间延迟。不仅如此，它还有记忆效应。如果忽略其它因素的影响，某一时刻t的阻力或心率不仅与(t-d)时刻的血压P(t-d)有关，而且与（t-d）时刻以前的所有血压有关。基于这个观点，我们用带有时间延迟的遗传积分来计算某一时刻的血压变化的刺激水平，它是所有以前时间刺激的总和，具体用积分关系式表示：

^．e^{-(t-d-τ)/T_c}dτ(5)

式中τ是时间积分变量，P(τ)是感受器受到的血压随时间变化函数［对于动脉压力感受器，