心肺交互作用的心血管系统模型及仿真研究

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1、第""卷第’期中国生物医学工程学报>8A*""O8*’"!!’年K月M+NOP0PJQR.O/SQ,BNQEPHNM/SPOGNOPP.NOGJ;:2"!!’!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!文章编号：!"#$%$!"&（"!!’）%!’%"(&%!)心肺交互作用的心血管系统模型及仿真研究李新胜&，白净&，崔树起"，王苏中"（&*清华大学电机系生物医学工程专业，北京&!!!$(；"*首都医科大学预防医学系，北京&

2、!!!#(）摘要：在多元非线性心血管系统模型的基础上扩展了反映心肺交互作用的数学模型，就呼吸运动对心血管系统的影响进行了仿真研究。为了验证模型的有效性，首先对比了模型仿真结果与文献中给出的检测结果，所选取的指标为心率／收缩压变异信号中与呼吸相关的高频功率（+,，!*&#!!*(!+-）。模型仿真结果与临床检测结果基本一致，表明该模型能够正确反映出呼吸运动对心血管系统的影响。进一步就压力感受器和心肺感受器反馈调节能力的变化对心率变异性的影响进行了仿真研究，指出压力和心肺感受性反射敏感度的降低是导致呼吸性窦

3、性心律不齐随年龄增长而减弱的主要原因。关键词：心肺交互作用；心肺感受器；自主神经系统；呼吸性窦性心律不齐中图分类号：.’&$*!&文献标识码：/引言呼吸运动引起的静脉回心血量变化及心肺感受器引起的心血管反射是产生与呼吸运动相关的心率／血压变异信号的主要原因，医学上将心率随呼吸运动而波动的现象称之为呼吸性窦性心律不齐（.0/，1234516%781935:;3611<97<=56）。近几十年来，国内外学者从多种角度对心率变异性（+.>，<26171672?6156@5A579）和血压变异性（BC>，@A8

4、8D41233;12?6156@5A579）进行了较为深入的研究，使用的方法主要有频谱分析、系统辨识、参数模型（/.、/.E/）等［&!’］。近几年非线性动力学理论在这方面的应用也日益增多，并取得了一些有价值的研究成果［(］。以上方法主要是利用临床实验获得的心率、动脉血压和呼吸深度等生理参数，分析每种参数中所蕴涵的生理机制，以及各参数间的相互作用关系和相关程度。相比之下，以人体生理学为基础，对心肺和血管系统的血液循环及自主神经调节过程建立数学模型的方法，可以从另一个角度揭示心肺系统中各子系统间的相互作用

5、机制，开拓人们对心血管系统各种生理、病理现象的认识，这是许多其他实验手段和分析方法所无法实现的。根据不同的研究目的，心血管模型的结构差别很大，最简单的只包含左心室模型和一个代表体循环的阻容元件；较复杂的则包含了多元分布式血管模型和四房室、时变弹性系数的心脏模型。近年来，这些模型在药物动力学、FG-状态的生理反应、心脏辅助装置等许多方面都得到了成功的应用［#!&!］。但基于分布式心血管模型，并从血液动力学和自主神经调节机制的角度研究心肺交互作用的报道还很少。本文在前期多元非线性心血管系统模型及自主神经调节

6、模型研究工作的基础上，扩展了反映心肺交互作用的数学模型，就呼吸运动对心血管系统的影响进行了仿真研究，并进一步考察了压力和心肺感受性反射敏感度的变化对与呼吸运动相关的心率／血压变异性的影响。!模型描述!"!多元非线性心血管系统模型本研究所采用的心血管系统模型是以美国H12I2A大学J618:教授等建立的多元非线性人体循环模型［#］以及白净教授等近年的工作为基础而建立的。此模型曾先后用于FG-状态的生理反应［K］、桡动脉脉搏波［L］、心肌缺血［$］等问题的仿真研究，结果表明该模型能够较好地反映心血管系统的一

7、些生理过程及其机理。为了研究肺源性心脏病的发病机理及其心肺功能的变化，吕鸿莉等对该模型的肺循环部分进行了改进［)］，引入了集总肺动脉、肺静脉血管模型，并考虑了呼吸运动对肺循环血容量及静脉回心血量的影响，形基金项目：国万方数据家自然科学基金资助项目（K!"L&!!K）收稿日期："!!&%!(%&)中国生物医学工程学报第""卷"-"成了可以初步模拟心肺交互作用的心血管系统模型。经吕鸿莉改进后的模型只考虑了呼吸过程中由动脉血压波动引起的心率变异性。然而，产生呼吸性窦性心律不齐主要有两个方面的原因：（!）呼吸运

8、动引起动脉血压周期性波动，经压力感受性反射调节使心率发生变化；（"）呼吸运动对分布在心房、心室和肺循环大血管壁的心肺感受器产生周期性的机械牵张刺激，其效应是改变自主神经系统的活动，进而引起心率的变化。图!分布式心血管系统模型结构简图（#：动脉血管，%：静脉血管，&：外周血管，’%：搏出量，()：心率，*+：心输出量，%：静脉血容量，*：静脉血管顺应性）$$$,,万方数据第*期李新胜等：心肺交互作用的心血管系统模型及仿真研究"&*引入的反映心