心肺交互作用的心血管系统模型及仿真研究
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［ ］ ! ! 。胸腔是一个密闭的腔， 充盈着心脏、 血管、 肺等器官， 胸内压对胸腔内的这些器官施以同样的作用力。 流
模型中认为心脏、 肺、 冠脉及第! 静脉都处于胸腔内， 受到胸内压的作用， 其外加压力为胸内压。呼 ! #段动、 吸过程中， 肺部膨胀主要引起肺动脉和肺静脉血管容积的改变， 故在模型中主要考虑呼吸对集总肺动、 静脉
则对应于肺静脉； 、" 分别为吸气和呼气时血容积的变化指数。在正常情况下， 肺部的血容量约为 & + ’ % !+ 。平静呼吸时， 肺部的血容量在 & * %( ) !& + %( )范围内变化。平静呼气末胸内压约为 ,*( ( ! ,’ ( ) . （本模型中取, ） ， 吸气末为, （本模型中取 , ） 。用力呼气时， ( ( *( ( ’( ( !, ! %( ( #( ( . . . . . 胸内压可升高到 ! 。而在用力吸气时， 肺部总血容量可增大 肺部总血容量可减少至" % %( )左右， % %( ( .
第) )卷 （ ） "
!与 ） 式相同； 它决定了系统的传递特 式中， ( ( # ! " # ) *、 ) * （ " 代表胸内压变化引起的心肺感受性反射， " 为常数， 性； 其取值直接影响与呼吸相关的 $ ’ % &、 ’ ( & 的强度。 " 代表心肺感受性反射的增益系数，
同时， 颈动脉窦处血压波动引起的压力感受性反射为： ・( ( . ) , $( - &! (
［ ］ ! ! 降低 。在安静状态下， 心肺感受器与颈动脉窦和主动脉弓处的压力感受器一样不断发出传入冲动， 对心
血管中枢产生紧张性抑制作用， 使心率和动脉血压维持在正常水平。 胸内压与心肺感受性反射的关系为：
万方数据
) " "
中国生物医学工程学报
! ! ! " ! " " " ) * %( ) * （( ） $% &’ " ! ! # # " +( ) *+
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 /， 1 2 3 5 1 6 % 4 ） 。近几十年来， 国内外学者从多种角度对心率变异性 （+ ） 和血 . >， < 2 6 1 7 1 6 7 2? 6 1 5 6 @ 5 A 5 7 7 8 1 3 5 : ; 3 6 1 1 < 7 < = 5 6 9 9 9 压变异性 （B ） 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、 C >， @ A 8 8 D4 1 2 3 3 ; 1 2 ? 6 1 5 6 @ 5 A 5 7 9
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
" & *
［ ］ # ! & ! 药物动力学、 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 FG -状态的生理反应、
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。
（ ） （" ） + -% !’( $ ! &# ) ! &% ) . . （ ） # * !$ . （" ） -% % ! ! ’% . . 式中， " -% # + ) 决定了顺应性的最大变化量， ) 为顺应 ,为肺静脉压， ,为肺静脉等效顺应性， ,为其初始值， . . . 性随压力的变化指数。 ! " # " # 心肺感受器反射模型 心肺感受器分布在心房、 心室和肺循环大血管壁， 引起心肺感受器兴奋的适宜刺激有两大类： 机械牵张
［ ］ ! ! 到! ， 胸内压可降至, 由此可以确定模型中的各参数。肺循环总血容量 !" （! % % %( ) $ %( ( . ， " /! " #
与胸内压 " 0!" ,） ) *的关系如图"所示。 模型中， 肺毛细血管等效顺应性的变化体现在肺静脉集总参数
［ ］ $ ： 静脉压的关系为
肺静脉等效顺应性上， 其顺应性与肺
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 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： /
［ ］ ! ! 和一些化学物质 （如前列腺素、 缓激肽等） 。本模型中只考虑了机械牵张对心肺感受器的作用， 即心房、 心
" ! .
室和肺循环大血管中压力升高或血容量增大而使心脏和血管受到牵张刺激时， 心肺感受器兴奋性增强。大 多数心肺感受器兴奋时引起的效应是使交感神经紧张性降低， 心迷走神经紧张性加强， 导致心率减慢， 血压
［ ］ $ 血容量的影响。文中采用了吕鸿莉提出的肺动、 静脉血管容积与胸内压的关系式 ：
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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： 国家自然科学基金资助项目 （ ） K ! " L & ! ! K 万方数据 收稿日期： " ! ! & % ! ( % & )
［ ］ & ! ’ 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 参数模型 （/ .、 / .E/） ［ ］ ( 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
! 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 H 1 2 I 2 A大学J 6 1 8 :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 桡动脉脉搏 -状态的生理反应 K 、 ［ ］ ［ ］ L $ 波 、 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些生理过程及其机
射； 其取值的大小也直接影响与呼吸相关的 $ # ’ % &、 ’ ( & 强度。 / 为常数； / 代表压力感受性反射的增益系数， 自主神经系统的活动与压力和心肺感受性反射的关系为：
! / " （ ， ） " $ % ! " ! " ! " # . ! 1$1 %’ 1 / %’ 1 "， ! / " （ ， ） （ ） " $ % ! " ! " ! " # . ! . / &’ "， ( 2 $2 &’ 2 ! ! 为其静息状态的初始值；/、/、" 及 " 为常数； 式中， 分别代表交感和副交感神经的活动， " " " " ’ ’ $ % 1、 1、 1 ’ 1 2 2 2’ 2 （ !） 为阈值函数， 其作用是将交感和副交感神经的活动限制在!到#范围内。
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模型中认为心脏、 肺、 冠脉及第! 静脉都处于胸腔内， 受到胸内压的作用， 其外加压力为胸内压。呼 ! #段动、 吸过程中， 肺部膨胀主要引起肺动脉和肺静脉血管容积的改变， 故在模型中主要考虑呼吸对集总肺动、 静脉
则对应于肺静脉； 、" 分别为吸气和呼气时血容积的变化指数。在正常情况下， 肺部的血容量约为 & + ’ % !+ 。平静呼吸时， 肺部的血容量在 & * %( ) !& + %( )范围内变化。平静呼气末胸内压约为 ,*( ( ! ,’ ( ) . （本模型中取, ） ， 吸气末为, （本模型中取 , ） 。用力呼气时， ( ( *( ( ’( ( !, ! %( ( #( ( . . . . . 胸内压可升高到 ! 。而在用力吸气时， 肺部总血容量可增大 肺部总血容量可减少至" % %( )左右， % %( ( .
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同时， 颈动脉窦处血压波动引起的压力感受性反射为： ・( ( . ) , $( - &! (
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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 /， 1 2 3 5 1 6 % 4 ） 。近几十年来， 国内外学者从多种角度对心率变异性 （+ ） 和血 . >， < 2 6 1 7 1 6 7 2? 6 1 5 6 @ 5 A 5 7 7 8 1 3 5 : ; 3 6 1 1 < 7 < = 5 6 9 9 9 压变异性 （B ） 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、 C >， @ A 8 8 D4 1 2 3 3 ; 1 2 ? 6 1 5 6 @ 5 A 5 7 9
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［ ］ ! ! 到! ， 胸内压可降至, 由此可以确定模型中的各参数。肺循环总血容量 !" （! % % %( ) $ %( ( . ， " /! " #
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［ ］ 本研究所采用的心血管系统模型是以美国 H 1 2 I 2 A大学J 6 1 8 :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 桡动脉脉搏 -状态的生理反应 K 、 ［ ］ ［ ］ L $ 波 、 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些生理过程及其机
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