心肌收缩功能降低对下体负压效应影响的仿真研究

心肌收缩功能降低对下体负压效应影响的仿真研究 1 2 2 1 郝卫亚, 张立藩, 吴兴裕, 白净 () 1 . 清华大学电机系 ,北京 100084 ;2 . 第四军医大学航空航天医学系 ,西安 710032 摘要 :目的 研究不同程度心肌收缩功能降低对心血管系统立位应激反应的影响 ,探讨心肌收缩功能改 变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 以我们原有仿真血量减少后下体负() ( 压 LBN P暴露时心血管系统反应的模型为基础 ,对其心脏工作子模型中最大弹性系数 maximum elas2 ) tance乘以一个反映心肌收缩功能改变的系数 。然后逐渐降低收缩功能改变系数 , 仿真血容量减少 ( ) () ( ) 12 %后 ,心肌收缩功能降低 030 %后 LBN P 时心率 HR、血压 B P和心输出量 CO的变化 。结果 心肌 收缩功能降低将使 LBN P 时 , HR 加快 、B P 降低和 CO 减小 。结论 心肌收缩功能降低导致心血管系统对 立位应激的调节能力降低 。 关键词 :数学模型 ;失重 ;心血管系统 ;心肌 ;下体负压 ;计算机仿真 () 文章编号 :100220837 20010420253204 中图分类号 : R857 . 3 文献标识码 :A A Si m ul a t ion St u dy of Ef f ects of Dep ressed M yoca r di a l Cont r act i l i t y on Ca r diovascul a r Res ponse to L ower Body Nega t ive P ress u re . HAO Wei2ya , ZHAN G Li2f an , WU Xing2yu , BA I J ing. Space Medicine & Medi2 () cal Engineering ,2001 ,14 4:253,256 Abstract : Object ive To st udy t he effect s of dep ressed myocardial co nt ractilit y induced by microgravit y o n cardiovascular respo nse to o rt ho static st ress , and to investigate t he role played by t he changes of myocardial co nt ractilit y in t he mechanism of cardiovascular deco nditio ning and o rt ho static intolerance induced by space weightlessness. Method On t he basis of o ur p revio us mo del used to simulate t he cardiovascular respo nse to () lower bo dy negative p ressure LBN P,t he f acto r of changes of myocardial co nt ractilit y was inco rpo rated in2 to t he mo del by multiplying a coefficient to t he maximum elastance of t he heart wo r king sub2mo del . By de2 ( ) () creasing t he coefficient p ro gressively ,t hen t he changes of heart rate HR, bloo d p ressure B P, and car2 ( ) diac o utp ut COduring LBN P af ter 030 % of myocardial co nt ractilit y dep ressio n co mbined wit h 12 % de2 crease of total bloo d volume were simulated. Result Simulatio n result s indicated t hat dep ressed myocardial co nt ractilit y induces mo re augment of HR , and mo re decrease of B P and CO during LBN P. Concl usion The dep ressio n of myocardial co nt ractilit y degenerated cardiovascular respo nse to o rt ho static st ress. Key words : mat hematical mo del ; weightlessness ; cardiovascular system ; myocardium ; lower bo dy negative p ressure ;co mp uter simulatio n Address reprint requests to : HAO Wei2ya . L ab of Bio medical Engineering , Depart ment of Elect rical Engi2 neering , Tsinghua U niversit y , Beijing 100084 ,China 载人航天中失重环境停留可引起航天员的立,它的功心肌作为心血管系统的效应器之一 1 能状态在失重情况下的改变是重力生理学中一个 位耐力和运动能力下降。人们对此进行 了 几 深受重视的问 。飞行后的超声心动图和 X - 线 十年研究 ,但对这种心血管机能障碍的机理仍不 检查明 ,航天员着陆后的心脏尺寸减小 ,左室舒 甚清楚 ,特别是关于长期失重所致的心血管失调1 的机理则了解得更少。为阐明失重/ 模拟失重 () ( ) 张末容积 L V EDV 和每搏量 SV 降低 , 左心室 后立位耐力下降的机理 ,国内外已进行了大量的 3 ,4 ( ) 质量平均减少 11 %。L evine 等 1997用磁共 ( ) 地面模拟和航天实验研究 。目前 ,短期 几天的 振检查发现 2 w k 卧床被试者的心肌质量平均减 微重力引起的立位耐力降低几乎完全可以由血容 1 ,2 小 7 . 4 % ;认为左室压力 - 容积关系左移可能是量降低解释。但是中 、长期失重引起的立位 5 1 ,2 影响立位应激下 SV 过分降低的原因之一, 并 耐力降低似乎不能完全由血容量降低解释。 Blo mqvist 等提出的“多重机制假说”认为 ,引起心 明确提出 ,心脏这种萎缩性变化可能是导致飞行 血管机能障碍的机理涉及多种因素的变化 ,不能 ( 立位 耐 力 降 低 的 一 项“非 神 经 性 机 制 no neural3 5 仅由某一单项变化解释其全部。 ) mechanism”。 心肌是心脏中最主要的组织 ,它由心肌纤维 组成 。心肌纤维的完整性是决定心脏执行正常功 能的关键 ,决定心脏泵血功能的内在因素 。从心 收稿日期 :2000209212 脏整体来看 ,心肌的收缩功能与单个心肌单元的12 % 。然后分别模拟计算仿真对象血容量减少 ( 收缩功能有关 。肌肉力学证明 ,肌肉的收缩功能 心脏收缩功能降低 0 , 2 . 5 % , 5 % , , 30 % 即 6 ) μ = 1 . 0 ,0 . 7条件下 ,LBN P 为 0 , - 5 ,, - 与肌 肉 横 截 面 积 和 单 位 面 积 的 收 缩 力 有 关。 ( ) 50 mm Hg 时心血管系统稳定后心率 HR、收缩航天飞行后 ,心脏的质量 、几何尺寸 、收缩速度的 ( ) () ( ) 压 SB P、舒张压 DB P和心输出量 CO的变化 。降低也都标志着心脏功能的改变 。心脏是循环系 ( ) μ 每个心脏收缩功能降低程度 即 值和 LBN P统的动力器官 ,立位耐力是机体心脏泵血与血压 作用值组合条件下 ,心血管反应的仿真过程与作 急性调节功能的综合反应 。因此 ,研究心肌的收 者在文献 7 中描述的方法相同 。 缩功能改变对立位应激反应的影响 ,对进一步阐 明立位耐力降低的机制有重要的意义 。 结果 为了探讨航天失重后心肌收缩功能降低在立 仿真结果表明 ,系统模型在 LBN P 作用下约 位应激反应中的作用 ,本文在我们建立的数学模 2 ,73 min 后达到稳定状态 ,稳定后的心率 、血压和心 型 中引入心肌收缩功能改变的环节 , 仿真研 输出量变化特点如下 : ( 究心 肌 收 缩 功 能 下 降 对 下 体 负 压 lower bo dy 心率的变化 ) negative p ressure , LBN P时心血管反应的影响 。 在相同的 LBN P 作用下 , HR 随着心肌的收 方法( ) 缩功能降低而加快 ,变化十分明显 图 1。例如 , 2 ,7 在 LBN P 为 - 50 mm Hg , 心肌收缩功能正常时 , 原模型的心脏工作 模 型 采 用 了 Suga 和 HR 为 131 bp m ;而在同样的 LBN P 作用 ,心肌收 ( )Sagawa 提出的时变弹性 time2varying elastance 8缩功能降低为 20 %时 , HR 则为 150 bp m 。另一 模型 : t方面 , HR 随 LBN P 暴露强度增加而增加 。 τ (τ) ( ) ( ) d-?Q Pt = E t [ V - ED L V L V ED V ]() 1 0 ( ) 式中 : Pt 为心动周期中某一时刻左心室的压 L V (τ) ( ) 力 , E t 为心室弹性系数 , Q 为左心室的血 L V 流 , V 为心室舒张末容积 , t 为舒张末对应的 EDED 时刻 , V 为心室压力 - 容积曲线在收缩期末的 0 最大斜率与容积的截距 。 8 ,9 Suga 等实 验 还 发 现 , 不 同 的 前 、后 负 荷 (下 ,左室在收缩末的压力 - 容积关系 end systolic ) volume relatio nship为 一 直 线 , 其 斜 率 E与 心 max 1 心肌收缩功能降低对卧位下体负压时心率变化的图 室负荷无关 , 代表心肌收缩状态的指标 , 或称为 影响( ) “最 大 弹 性 系 数 maximum elastance ”。因 此 ,Fig. 1 The eff ect of depressed myocardial contractil ity on HR changes during supine2L BNP E就是反映心肌收缩功能的参量 。在本文对 Emax ( ) μt 乘以一个反映收缩功能降低的系数 , 就得 血压的变化 到 : 收缩压 仿真结果显示 , SB P 受心肌收缩功 能的影响很明显 :心肌收缩功能降低时 ,SB P 也降 t( ) μ( ) (τ) τ Pt = E? t [ V - ?Q d-L V ED ED L V () 低 图 2。例如 ,在 LBN P 为 - 50 mm Hg ,心肌收 ()2 V ] 0 缩功 能 正 常 时 , SB P 为 93 mm Hg ; 而 在 同 样 的 μ μ 当 为 1 时 , 表示心肌收缩功能正常 ;为 0 . 9LBN P 作用 ,心肌收缩功能降低为 20 %时 ,SB P 降 时 ,表示心脏收缩功能降低 10 % ; 依此类推 。之 低到 88 mm Hg 。 7 ,10 () 后将公式 2替换原模型中描述左室工作的 舒张压 图 3 是不同程度的心肌收缩功能降 ( ) Suga 和 Sagawa 模型 式 1。为考虑航天失重后 低后不同 LBN P 暴露时 DB P 的变化 。尽管 DB P 血容量减少的影响 ,首先按照文献 2 方法 ,设定 在心肌收缩功能降低过程中降低的幅值较小 ,但 是从中分析 DB P 的变化趋势显示 ,在心肌收缩功LBN P 时心输出量的变化关系显示 , 当 LBN P后 能降 低 较 多 时 , DB P 随 着 LBN P 的 增 加 迅 速 降 和收缩功能降低均较小时 , CO 随着 LBN P 的增 低 ,系统似乎失去了维持 DB P 的能力 。 加及心肌收缩功能的降低较快 。当 LBN P 和 收 缩功能降低均较大幅度时 ,CO 的变化趋缓 。 讨论 仿真结果表明 ,心肌收缩功能的降低对立位 ( ) 应激 S2LBN P时稳态 HR 、B P 和 CO 影响十分显 ( ) 著 ,具体表现在 : 仰卧安静状态 LBN P = 0和下 () 体负压 LBN P下 ,心率加快 、血压降低和心输出 量减小 。 仿真实验结果 分 析由 于 LBN P 不 受 重 力 图 2 心肌收缩功能降低对卧位下体负压时收缩压变化 因素的限制 ,航天环境中一般用 LBN P 作为立位 的影响Fig. 2 The eff ect of depressed myocardial contractil ity on 应激的手段 。通常认为 ,在 1 G 环境下直立位受 SBP changes during supine2L BNP 到的重力应激大体与 - 50 mm Hg LBN P 的暴露 时受到的应激强度相当 。我们仿真结果显示 ,在 血量降低 12 % 、心肌收缩功能降低 10 %后 , - 50 mm Hg 的 LBN P 时 , HR 达到 139 bp m , SB P 降低 11 () 到 90 mm Hg 中度休克时 SB P 的上限。该结 果在血量降低后 ,心肌收缩功能即使有较小 改变 ,对心血管系统立位反应的影响也十分明显 。 仰卧位时 ,血压由动压和充盈压组成 ,动压的能量来源于心肌收缩 ; 心肌收缩功能降低将导致 9 心脏收缩时释放的能量降低。压力反射 功 能 图 3 心肌收缩功能降低对卧位下体负压时舒张压变化 的影响在维持血压的稳定中起着辅助性的作用 ,当心脏 Fig. 3 The eff ect of depressed myocardial contractil ity on 释放的能量降低较多时 ,压力反射调节作用也不D BP changes during supine2L BNP ,终将导致血压的大幅度降低 。能维持血压的稳定 心输出量的变化 本仿真实验结果表明 ,血量减少合并心肌收在相同的 LBN P 暴露时 ,心肌收缩功能降低 缩功能降低可以解释航天员飞行后 B P 和 CO 减 () 愈多 ,CO 也降低愈多 图 4。心肌收缩功能降低 2 ,4 小的观察结果。另一方面 ,仿真结果显示 ,心 肌收缩功能降低对 LBN P 时血液动力学反应的 影响十分明显 ,表明本工作支持目前认为的心脏 功能降低可能是失重后立位耐力降低的原因的观 3 点。 仿真方法分析 Suga 和 Sagawa 的心脏收缩 8 ,9( ) 模型是反映心室的压力 - 容积 P - V 关系 , 由于其简明的数学形式和明确的生理意义 ,已被 12 广泛用于心血管系统的仿真研究中。动物实 ( 验证明 ,不管是何种原因 如冠脉动脉压降低 、心 图 4 心肌收缩功能降低对卧位下体负压时心输出量变 ) 室局部缺血 、儿茶酚胺或钙离子注射等导致心肌 化的影响 Fig. 4 The eff ect of depressed myocardial contractil ity on 收缩功能改变 ,反应在心室整体的 P - V 关系均 CO changes during supine2L BNP () 表现为模型中的时变弹性系数 见式 1的上调或 9 ,13 ,144 Mulvagh SL , Charles JB , Riddle J M , et al . Echocardio2 者下调。我 们 在 仿 真 失 重 后 心 肌 收 缩 功grap hic evaluatio n of t he cardiovascular effect s of sho rt2dura2 能降低时 ,就是通过降低时变弹性系数的方法 ,探tio n spaceflight J . Jo urnal of Clinic Phar macolo gy , 1991 , ( ) 31 10: 1024,1026 讨心肌收缩功能的改变对心血管系统的影响 。在 5 L evine BD , Zucker man J H , Pawelczyk J A. Cardiac at rop hy af ter bed2rest deco nditio ning : a no nneural mechanism fo r o r2 血量减少量的选择方面 ,考虑到血量减少与失重 ( ) t ho static intolerance J . Circulatio n , 1997 , 96 2 : 517 , 1 环境 中 停 留 时 间 有 关 , 并 且 文 献 报 道出 入 较 525 6 冯元桢. 生物力学 M .北京 : 科学出版社 , 1983 : 364 , 大 。但是 随 着 时 间 延 长 , 血 量 减 少 逐 渐 稳 定 于381 7 HAO Weiya , WU Xingyu , ZHAN G Lifan , et al . Co mp uter 1015 % 。我们所选择血量减少 12 %是相对较为 simulatio n of cardiovascular respo nse to lower bo dy negative 1 ,2 统一的数值。 p ressure J . S pace Medicine & Medical Engineering , 1999 , ( ) 12 4: 262,266 总之 ,本文仿真研究表明 ,心肌收缩功能降低 郝卫亚 , 吴兴裕 , 张立藩 , 等. 下体负压暴露时心血管系 统反应 的 计 算 机 模 拟 研 究 J . 航 天 医 学 与 医 学 工 程 ,将引起心血管系统对立位应激反应的明显改变 , ( ) 1999 ,12 4: 262,266 该结果有力地支持了关于心脏收缩功能改变可能8 Suga H , Sagawa K , Demar S. Deter minant s of instantaneo us 1 ,2 , 4 ,5p ressure in canine lef t vent ricle J . Circulatio n Research , 是航天失重后立位耐力降低的观点。( ) 1980 , 46 2: 256,263 Suga H. Vet ricular energetics J . Ph ysiology Review , 9 [ 参考文献 ] ( ) 1990 , 70 2: 247,277Melchio r FM ,Srinivasan RS , Thullier P H , et al . Simulatio n 10 of cardiovascular respo nse to lower bo dy negative p ressure Watenpaugh D E , Hargens AR. The cardiovascular system in 1 f ro m 0 to - 40 mm Hg J . Jo urnal of A pplied Physiology , microgravit yM . In : Fre gly MJ , Blat teis CM , eds. Hand2 ( ) 1994 , 77 2: 630,640 boo k of Physiology : Enviro nmental Physiology. 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