劉 洋，馮 娜，張 曦，常小紅，張國鵬，盧虹冰，吳小明

失重環(huán)境下人體心血管功能失調及對抗措施的仿真設計研究

劉 洋，馮 娜，張 曦，常小紅，張國鵬，盧虹冰，吳小明

目的：研究失重/微重力環(huán)境引起的人體心血管功能失調及對抗措施仿真建模方法。方法：在分析失重/微重力環(huán)境對心血管系統(tǒng)影響及心血管系統(tǒng)模型建立過程的基礎上，利用血液動力學分析方法對整體模型進行仿真設計。結果：心血管系統(tǒng)模型應包括心臟泵和血管樹以及反射控制系統(tǒng)。而在失重/微重力環(huán)境下，人體靜力學壓力消失，血液重新分布，并由此會產生一系列的變化，針對這些變化，設計了血量減少、腦內壓/顱內壓匹配關系、靜脈塌陷模型，并建立了下體負壓和間斷性人工重力等措施對心血管系統(tǒng)失調的對抗仿真模型。結論：數(shù)學模型可有效地模擬失重/微重力環(huán)境下心血管系統(tǒng)的響應，為失重環(huán)境下人體心血管功能失調及對抗措施的研究提出了一種經濟、實用的方法。

心血管系統(tǒng)；下體負壓；間斷性人工重力；模型

0 引言

隨著神舟系列飛船的成功發(fā)射、載人航天工程的順利實施、空間站計劃的逐步開展，失重/微重力環(huán)境引起的航天員心血管系統(tǒng)功能失調逐漸引起了人們的廣泛關注。近年來，失重/微重力環(huán)境對航天員心血管系統(tǒng)的影響機理及相應防護措施的研究已成為當前航天領域的重要研究方向。長期暴露在失重/微重力環(huán)境會引起航天員立位耐力降低、運動耐力下降、骨質疏松及航天運動病，國內外學者已經作了系列相關研究，并對失重/微重力環(huán)境引起心血管系統(tǒng)功能失調提出了許多假說，但也有一系列問題尚未解決。

20世紀90年代，空間實驗室的4次生命科學飛行為航天心血管系統(tǒng)的研究提供了新的數(shù)據(jù)。但由于航天飛行實驗的機會少、費用高，大多研究仍采用地面模擬失重的方法。目前，地面模擬失重的方法主要包括基于人體的頭低位臥床實驗、基于動物的尾部懸吊大鼠實驗等。對于地面人體實驗，無創(chuàng)測量比較困難，且模擬失重環(huán)境與實際失重環(huán)境存在一定的差別；對于地面動物實驗，實驗動物一般為四肢動物，因此血液靜力學壓力梯度變化與人體相差較大。與上述實驗方法相比，利用數(shù)學模型進行生理信號仿真是一種成本低、綜合的實驗方法。數(shù)學模型可作為實驗的補充，解釋航天實驗中的觀察結果[1]，對失重/微重力環(huán)境下的心血管功能失調研究具有重要意義。

數(shù)學模型建立在真實人體/動物實驗的基礎上，實驗為模型的建立提供真實數(shù)據(jù)和假說基礎；同時，在對模型進行有效驗證的基礎上，可獲得實驗很難或無法獲得的數(shù)據(jù)，且可對實驗得到的數(shù)據(jù)進行解釋，對結論或假說進行驗證，并進一步引導實驗?？梢哉f，數(shù)學模型和實驗是相互補充、相互促進的。目前，模擬特殊重力環(huán)境下心血管系統(tǒng)響應的數(shù)學模型有很多，如模擬+Gz加速度[2]、下體負壓[3-4]（lower body negative pressure，LBNP）、頭高/低位傾斜[5]、對抗措施[6]等的作用，但模擬失重環(huán)境下心血管系統(tǒng)響應的報道還很少。為此，本文首先分析失重/微重力環(huán)境對心血管系統(tǒng)的影響及防護，并在介紹建立一般心血管模型方法的基礎上，進一步探討失重/微重力環(huán)境下人體心血管模型的建立。

1 失重對心血管系統(tǒng)的影響及防護措施的研究現(xiàn)狀

1.1 失重對心血管系統(tǒng)的影響

在失重/微重力環(huán)境下，血液靜力學壓力消失，造成體液頭向轉移，血液重新分布。同時，失重/微重力環(huán)境，引起反射性多尿，造成血量減少，易引起下肢靜脈的順應性降低、心臟萎縮等心血管系統(tǒng)的一系列變化。雖然失重/微重力環(huán)境對心血管系統(tǒng)造成了系列影響，但在航天飛行過程中航天員對這些適應性改變無明顯異常表現(xiàn)。當航天員返回地球表面（1 Gz重力環(huán)境）時，普遍出現(xiàn)心血管功能失調，引起立位耐力不良，直接威脅航天員著陸后即刻的應急離艙能力，以及返回后對地球重力環(huán)境的再適應能力。目前，國內外學者已對航天飛行后心血管功能失調的發(fā)生機制進行了深入的研究，但仍有系列問題尚未解決，現(xiàn)已逐漸意識到整個機制相當復雜，除血量減少外，心臟與動脈血管的一系列適應性改變可能是另一項重要機制[7]，如血管結構與功能的改變[8]、血管重塑[7]、腦動脈與腦血流動力學變化[9]、顱內壓與眼內壓變化不匹配[10]、靜脈特性的變化[11]等。

1.2 失重/微重力的防護

失重/微重力會對人體產生一系列影響，在航天飛行的初期，一般采用套帶減輕體液轉移導致的急性適應期癥狀。對于長時間的航天飛行，一般采用運動、水鹽補充、LBNP和間斷性人工重力等措施對抗失重對肌肉、骨骼、心血管（體液）等系統(tǒng)的不良影響。LBNP通過在下肢外部施加一個負壓力，對抗失重/微重力環(huán)境下的血液頭向轉移，從而抗衡血液再分布影響。間斷性人工重力是指在航天過程中每天給航天員施加一段時間的重力，實驗結果表明其對心血管功能失調具有獨特預防效果[12]，但由于在整個航天過程中施加人工重力需要巨型旋轉輪，目前的技術尚無法實現(xiàn)。

總之，失重/微重力環(huán)境對人體心血管系統(tǒng)的影響是長時、持續(xù)的，暴露在失重/微重力環(huán)境時間越長，癥狀表現(xiàn)越明顯。隨著我國空間站的逐步建立及中長期航天飛行的逐步實現(xiàn)，航天員在太空中的時間越來越長，如何明確失重/微重力環(huán)境下心血管失調的機理，并進行針對性的防護，是保證我國航天事業(yè)穩(wěn)步發(fā)展、保障航天員身體健康的關鍵問題。

2 心血管系統(tǒng)模型的建立

自從1957年J R Womersley[13]分析彈性血管的血流特性開始，人體心血管系統(tǒng)的數(shù)學模型開始迅速發(fā)展。從力學角度看，循環(huán)系統(tǒng)是由一個由泵（心臟）及黏彈性管道（血管系統(tǒng)）構成的流體管系，其內是具有一定黏性系數(shù)的非牛頓液體。在線性化假設的前提下，流體力學基本方程導出的傳輸方程，與電學網(wǎng)絡中相應的網(wǎng)絡方程和等效電路具有相同的形式（詳見表1），因此可以用電學網(wǎng)絡中的概念和方法解決流體力學中的問題。

表1 電學參量和生理學參量的等價關系

根據(jù)設計的目的不同，心血管系統(tǒng)模型的復雜性差別很大，主要包括兩大類：集總參數(shù)模型和分布式模型。集總參數(shù)模型通常較為簡單，只包括電阻和電容等基本組件，可以很好地描述壓力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的相互作用，但卻很難表達血液動力學參數(shù)在空間上的變化及分布。分布式模型相對復雜，包含多段血管樹。每一個模型都有自己的特異性，根據(jù)研究目的建立模型，需要突出仿真的部位要細化，而不太關心的地方可以用簡易模型來代替。一般來說，心血管系統(tǒng)可被視為包含2個主要模塊的反饋系統(tǒng)：（1）壓力系統(tǒng)，心臟被視為一個泵，負責收集靜脈回心血液，向動脈泵血；（2）反射控制系統(tǒng)，它控制血壓、心率和血流等的變化，使血壓趨于穩(wěn)定。

2.1 壓力系統(tǒng)

壓力系統(tǒng)主要包括心臟和血管。血管網(wǎng)絡應包含動脈系統(tǒng)、靜脈系統(tǒng)和外周循環(huán)系統(tǒng)。

心臟模型：人體心臟分為左心和右心2部分，分別驅動體循環(huán)和肺循環(huán)。在一個心動周期中，心室內壓力和容積都會隨時間發(fā)生變化。早期的研究主要使用斯塔林定律（Starling Law）來描述心臟輸出量與回流充盈度，從而模擬心臟功能。之后，H Suga和K Sagawa[14]對狗的左心室進行研究，通過改變后負荷（外周阻力和動脈阻抗）和前負荷（舒張期容積）環(huán)境，提出了時變彈性模型，并利用時變彈性系數(shù)來描述心室壓力-容積隨時間變化的關系[15]。

血管的模擬：在給定血壓梯度的情況下，可通過傅里葉變換和微分方程方法計算血管中血流隨時間的變化[16]。J R Womersley[13]使用傅里葉變換的方法在一個血壓梯度變化周期計算血管中的速度分布，但這種分布必須包含頻率分量。之后，V C Rideout[17]提出使用微分方程的方法建立模型，很好地解決了血管順應性的非線性問題，且該方法輸入的血壓梯度可以不是周期函數(shù)。

2.2 反射控制系統(tǒng)

人體心血管系統(tǒng)是一個可以自身調節(jié)的反饋控制網(wǎng)絡，各段血管的血液動力學變化可以自身傳遞性調節(jié)。例如，由于主動脈的順應性，隨著血壓的變化，順應性會朝著相反的方向抑制血壓發(fā)生突變，從而使血壓不會特別高也不會特別低。

而非自身調節(jié)要受到神經反射調節(jié)的控制。頸動脈、主動脈和心肺壓力感受器是心血管系統(tǒng)瞬時響應的主要傳感器，如心率主要由頸動脈壓力感受器控制，而其他感受器對其無影響[18]。為此，Katona提出了心率反饋調節(jié)模型，先計算出在頸動脈處血壓偏離正常值時引起的壓力感受器向神經中樞發(fā)放沖動的頻率，然后計算該頻率對心率的影響。而對于血管的順應性，頸動脈壓力感受器和心肺壓力感受器都有一定的作用，而且只在瞬時產生作用，并沒有持續(xù)影響[19]。J F Green和N C Miller[20]提出血管彈性控制模型，根據(jù)當次心動周期內平均頸動脈壓偏離正常平均頸動脈壓的值來計算順應性的變化。

將壓力系統(tǒng)（心臟和血管）模型和反射控制系統(tǒng)模型相結合，可將整個心血管模型構成一個閉環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示。根據(jù)連續(xù)性和守恒定律，可對各段血管壓力和血流的相互關系和變化進行模擬。在模型的每個運算周期，由左心室開始，逐段計算各血管段的血壓、血流、容積、阻力等參數(shù)。血液流經動脈系統(tǒng)、外周循環(huán)系統(tǒng)及靜脈系統(tǒng)，隨著血液回流至右心房，肺循環(huán)始于右心室，經過肺循環(huán)，血液流回左心房、左心室，并開始下一個周期的運算。

圖1 心血管系統(tǒng)模型框圖

3 失重/微重力環(huán)境下的建模

失重/微重力對人體的影響是一個長時間、緩慢作用的過程，很難進行完全的模擬，但國內外專家已對此進行了初步有益的研究。早期的研究主要是通過姿勢改變模擬人體血液動力學響應。20世紀60年代，美國國家航空航天局借助空間實驗室獲得的數(shù)據(jù)，基于黑箱理論建立了失重/微重力環(huán)境下人體循環(huán)系統(tǒng)模型，該模型可根據(jù)血流量計算出循環(huán)系統(tǒng)的變量。Guyton模型曾被改進用于失重下體液調節(jié)及血量減少問題研究，后又進一步擴展用于研究立位應激下心血管系統(tǒng)的響應[21]。在此基礎上，T Heldt等[22]建立了可對人體立位耐力不良進行仿真研究的模型。郝衛(wèi)亞等[23]仿真研究了血量減少對立位應激時血壓、心率和休克指數(shù)的影響。針對航天員返回地面后立位耐力不良的問題，J Broskey等[24]建立了簡化的人體心血管系統(tǒng)仿真模型，模擬了28個生理參數(shù)的變化，從而描述心功能、血流阻力、跨壁壓、血容量以及靜脈順應性。但上述模型大都是集總參數(shù)模型，且只能反映某些生理參數(shù)的變化?？紤]到失重/微重力環(huán)境下心血管系統(tǒng)的影響，在建模過程中，需在傳統(tǒng)的心血管模型中添加以下模塊：

（1）血容量減少控制模塊：失重時細胞外液的丟失和循環(huán)血容量的減少，是引起飛行后立位耐力不良的重要原因。一般認為，血量減少可引起循環(huán)系統(tǒng)平均充盈壓降低，進而引起中心靜脈壓降低。中心靜脈壓降低會引起左心室舒張末期容積降低，經過心臟與外周的耦合作用導致血壓的降低，心血管系統(tǒng)又通過壓力反射作用代償血壓的下降以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，在血液循環(huán)過程中需引入血量改變的因素，并據(jù)此建立一個血量自身調節(jié)、控制模型。

（2）靜脈血管塌陷模塊：靜脈血管的模擬與動脈血管類似，但由于靜脈的血管壁較薄，且內部壓力較低，容易發(fā)生塌陷。尤其是失重/微重力環(huán)境會引起人體血液頭向分布，易引起下肢靜脈塌陷。一旦靜脈中的血壓低于一定值，靜脈血管就會塌陷，使血管的橫截面發(fā)生變化。為此，M F Synder和V C Rideout[25]提出利用恒定周長的橢圓來表示發(fā)生形變的血管橫截面，并得到了較好的仿真結果。

（3）顱內壓和眼內壓控制模塊：近期的研究發(fā)現(xiàn)長時間航天飛行會引起航天員眼球變扁及視盤水腫[10]。目前，視覺和腦循環(huán)對長時間失重/微重力環(huán)境的適應性變化的機制尚不明確，可能與顱內壓/眼內壓的不匹配有關。顱內壓模型已很成熟，S A Stevens等[26]提出了適用于失重/微重力條件下顱內壓研究的集總參數(shù)模型，增加了顱內壓與腦脊液、腦血流之間的調節(jié)關系來反映失重/微重力引起腦脊液和腦血流的變化對顱內壓的影響。但關于眼內壓的模型還比較少，近期，B S Gardiner等[27]針對眼部手術建立了眼部模型，仿真了房水產生、分布和吸收的過程及其與顱內壓之間的關系，并預測了手術過程中最大顱內壓。如何將顱內壓和眼內壓模型與心血管系統(tǒng)模型相結合，從而模擬失重/微重力對顱內壓和眼內壓的影響以及引起眼球形狀等的變化，是目前仿真研究亟待解決的問題。

4 對抗措施的模擬

目前，失重/微重力引起心血管功能失調的有效對抗措施主要有LBNP和間斷性人工重力。利用數(shù)學模型，可對這2種對抗措施進行仿真，判定2種措施的有效性，并研究不同的LBNP壓力和持續(xù)時間及間斷性重力的持續(xù)時間和時間間隔對防護心血管功能失調的效果，從而制訂最佳的防護方案。

LBNP通過在下肢外部施加一個負壓力，對抗失重/微重力下的血液頭向轉移。LBNP的施加會使下肢血管段的血壓產生一個偏移量，從而引起人體全身血液分布的變化，這個過程可以用J Lundvall[28]的模型來模擬。

間斷性人工重力是指在航天過程中每天給航天員施加一段時間的重力，這就需要模型必須為長時模型，并利用心率來計算時間，即每天要施加多少個心動周期的人工重力，并在特定的心動周期內增加血液靜力學分量，從而模擬間斷性人工重力對心血管系統(tǒng)的影響。

5 討論

本文分析了建立心血管系統(tǒng)的基本理論與方法，并著重分析了建立失重/微重力環(huán)境下心血管系統(tǒng)模型的特殊性。一個完整的心血管系統(tǒng)必須包含動脈樹、靜脈回流、心臟模塊和反射控制模塊?？紤]到失重/微重力環(huán)境的特殊性，模型中還需包含血量控制、靜脈塌陷和長時的反射控制模塊。

通過模型，實驗結果可以更好地得到解釋；通過實驗，模型可以更加確切地模擬人體心血管系統(tǒng)。隨著模擬技術與航天及地面實驗相結合，失重/微重力環(huán)境下人體心血管系統(tǒng)的變化機理一定會得到更加合理的解釋，人類可以健康地在太空中航行。

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（收稿：2015-01-05 修回：2015-04-26）

Simulation design of cardiovascular dysfunction induced by weightlessness and countermeasures

LIU Yang1,FENG Na2,ZHANG Xi1,CHANG Xiao-hong1,ZHANG Guo-peng1,LU Hong-bing1,WU Xiao-ming1
（1.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China; 2.Teaching and Research Section of Physiology,Department of Basic Medicine, the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China）

ObjectiveTo investigate the design and method for simulating the cardiovascular dysfunction induced by weightlessness and corresponding countermeasures.MethodsThe mathematical model was designed using hemodynamic method based on the analysis of the effect of weightless on cardiovascular system and the general process to establish cardiovascular model.ResultsIn general,the cardiovascular model should contain heart,vascular tree,and reflection system. In the weightless or microgravity environment,the hydrostatic pressure disappeared and the blood re-distributed to result in a series of changes.To simulate these changes,the models were designed to simulate blood volume deficits,intraocular/intracranial pressure mismatch,and vein collapse.The model to simulate the countermeasures,such as lower body negative pressure and intermittent artificial gravity,was also established.ConclusionThe mathematical model can simulate the response of cardiovascular system to microgravity and may be an economical and practical method to investigate cardiovascular dysfunction and countermeasures.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（7）：16-19，33]

cardiovascular system;lower body negative pressure;intermittent artificial gravity;model

R318；V7

A

1003-8868（2015）07-0016-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.07.016

軍隊青年項目（13QNP126）

劉 洋（1981—），男，博士，講師，主要從事生理信號仿真方面的研究工作，E-mail：yliu@fmmu.edu.cn。

710032西安，第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院（劉 洋，張 曦，常小紅，張國鵬，盧虹冰，吳小明），基礎部生理學教研室（馮 娜）

吳小明，E-mail：wxming@fmmu.edu.cn