（控制理论与控制工程专业论文）左心循环系统建模及研究.pdf

哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 摘要 心血管循环系统是最复杂的生命系统之一，具有高度的动态特性。心室 的充盈和排空、器官中血流的再分配、心血管系统与其他系统的相互作用等 等，都不断地发生变化。由于心血管系统的复杂性，迄今为止人们仍然无法 完全了解其内在机理，故常应用模型方法对其进行研究。 心脏是集电生理学、动力学、血液流体力学以及神经、生化控制等于一 身的极其复杂的综合系统。建模仿真是研究复杂生物学问题的有效手段。利 用计算机强大的计算能力和图形处理显示能力，建立心脏模型可以深入研究 心脏活动机理。在分析了心血管循环系统模型的国内外研究进展与现状之后， 本文采用左心脏和动脉系统耦合的左心循环系统模拟电路模型，在m a t l a b 语言中建立仿真模型。通过与实际生理状况进行比较，该模型的仿真结果符 合实际生理变化规律。为了更直观、方便的了解心脏在跳动过程中的各泵血 参数的变化情况，在v c 下实现了心脏的三维动态跳动与曲线的显示。 另外，本文还通过理论研究和数据分析，在动脉物理建模的基础上，对 各种材质的管子作了阻抗及顺应性方面的初步研究，通过数据曲线，得出了 各种材质的管子的一般的阻抗及顺应性方面的规律和性能指标。因为在整个 人体循环系统中，血管扮演着极其重要的角色，它们负责整个人体的连通， 营养物质，能量的运输。所以，动脉阻抗及顺应性的研究可以为人造器官特 别是人造血管的研制提供理论参考，从而为动脉硬化、神经性动脉疾病等广 大患者带来了福音。所以该研究具有重要的现实意义。 关键词：左心循环系统；电路模型；动脉阻抗；动脉顺应性 哈尔滨下程大学硕十学何论文 a b s t r a c t c a r d i o v a s c u l a rc i r c u l a t i o ns y s t e mi so n eo ft h em o s tc o m p l e xl i f es y s t e m s ， w i t hah i 曲d e g r e eo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fc o n t i n u o u s l yc h a n g i n gs u c ha s v e n t r i c u l a rf i l l i n ga n de m p t y i n g ，a n dt h er e d i s t r i b u t i o no fb l o o df l o wi no r g a n s ， i n t e r a c t i o na m o n gc a r d i o v a s c u l a rs y s t e ma n do t h e rs y s t e m s b e c a u s et h ei n n e r m e c h a n i s mo fc a r d i o v a s c u l a rs y s t e mc a nn o tb ef u l l yu n d e r s t o o ds of a r , s o r e s e a r c h e su s u a l l yw e r ed o n eb ym o d e l i n g 一 h e a r ti sa ne x t r e m e l yc o m p l e xi n t e g r a t e ds y s t e mc o n t a i n i n gm a n ys y s t e m s l i k e e l e c t r o p h y s i o l o g y , d y n a m i c s ，f l u i dm e c h a n i c sa n dn e u r a l a sw e l la s b i o c h e m i c a lc o n t r 0 1 m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ni sa ne f f e c t i v em e a n st o s t u d y c o m p l e xb i o l o g i c a lp r o b l e m s a f t e ro u t l i n i n gt h er e s e a r c hd e v e l o p m e n ta n ds t a t u s q u oo ft h ec a r d i o v a s c u l a rs y s t e mh o m ea n da b r o a d ，ac i r c u i tm o d e lw h i c h c o u p l e dl e f th e a r ta n da r t e r i e sa saw h o l ei sa d o p t e du n d e rt h em a t l a bl a n g u a g e i nt h i sp a p e r c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l tw i t ht h e a c t u a ls i t u a t i o no ft h e p h y s i c a ls y s t e m ，t h es i m u l a t i o nc u r v e sc o n f o r mt ot h ea c t u a lr u l e s w h e nh e a r t b e a t s ，t h ev a l u e so ft h o s ep a r a m e t e r sc o u l db es e e ni nad y n a m i cw a yw i t ht h e s c e n eo fat h r e e - d i m e n s i o n a lb e a t i n gh e a r t i na d d i t i o n ，w i t ht h em a t h e m a t i c a la n a l y s i sa n dt h e o r e t i c a ls t u d y , r e s e a r c ho n r e s i s t a n c ea n dc o m p l i a n c eo fs o m ec e r t a i nt u b e so fd i f f e r e n tm a t e r i a l sw a sd o n ei n t h i sp a p e r w i mt h o s ec u r v e so fa r t e r y , r u l e sa n dp e r f o r m a n c em e a s t l r eo fa r t e r i a l i m p e d a n c ea n dc o m p l i a n c ei sd e r i v e d i nt h ew h o l eb o d yi nt h ec i r c u l a t o r ys y s t e m ， b l o o dv e s s e l sp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e ，t h e ya r er e s p o n s i b l ef o rt h ee n t i r e h u m a nc o n n e c t i v i t y , n u t r i e n t sa n de n e r g yt r a n s p o r t t h eg o s p e lw a sb r o u g h t t h r o u g h t h e a p p l i c a t i o n o fa r t i f i c i a lb l o o dv e s s e lt ot h o s es u f f e r e r so f a t h e r o s c l e r o s i s ，a r t e r yd i s e a s ea n do t h e rn e u r o l o g i c a ld i s e a s e s ot h i ss t u d yi so f g r e a ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：l e f th e a r tc i r c u l a t i o ns y s t e m ；c i r c u i tm o d e l ；a r t e r yi m p e d a n c e ；a r t e r i a l c o m p l i a n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： e l 期：伽9 够月1 e l 哈尔滨t 稃火学硕十学何论文 置皇；葺i i 暑宣暑葺置i ；i i t 葺i i 昌i i 置苦；i i i i i ；i 苦宣i i 宣；i i ；宣；i i i i i i i 宣j i i 高i i i ；i i i i 嗣暑高 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、意义 在人和动物的生命过程中，心血管系统是最重要的系统之一，心脏停止 跳动，血液终止循环，通常意味着生命的结束。日前心血管疾病己经上升为 影响人类生命健康的常见疾病，其中心脏病是世界上最大的致死原因之一。 因此对心血管系统故障的成因及排除方法的研究，一直受到人们的巨大关注。 研究表明，诸如动脉粥样硬化、血栓形成、心肌梗塞、高血压、冠心病等常 见心血管疾病的发生机理都与血管的血液流动密切相关。血管发展流动问题 的主要研究内容就是探讨血液流动发展区域内的压力、速度、管壁切应力等 规律以及它们在医学上及其它领域内的应用问题。为了同心血管疾病进行更 有效的斗争，需要许多学科共同对心血管的生理、病理和医学问题进行深入 的综合性研究1 。其中，对心脏泵血的循环过程、动脉阻抗及顺应性的研究 具有非常重要的作用。对于这个领域的研究，将大大深化对心血管系统的运 动规律，生理功能，疾病机理的认识，这不仅对现代生命科学的发展有重要 的基础理论意义，而且给心血管疾病的预防、诊断、治疗提供科学的理论指 导和新的方法，手段，必定会促进心血管病临床的发展。在生物医学工程中， 心血管血流动力学也是人工心瓣、人工心脏、人工血管等人造器官，模拟循 环实验装置、心脏辅助装置，人工心脏机、以及各种测试诊断，医疗设备的 设计与研制的重要理论基础吲。 心血管循环系统是最复杂的生命系统之一，具有高度的动态特性，心室 的充盈和排空，器官中血流的再分配，心血管系统与其他系统的相互作用等 等，都不断地发生变化。因此，当系统中的某一部位受到扰动时，不仅可能 引发局部的反应，而且使系统的其他部位随之而发生反应。心血管系统的复 杂性导致迄今为止人们仍然无法完全了解其内在机理，故常应用模型方法对 其进行研究p 1 。一般的生理建模过程如图1 1 所示。 同时，为了更好的了解人体，血管系统的生理和病理行为，必须深入研 究动脉内血液流动的动力学问题h 1 。例如，动脉粥样硬化总是呈现高度的病 灶性而无明显的个体差异，即动脉粥样硬化早期的斑状沉积大都会发生于冠 哈尔滨：t ：程大学硕十学位论文 状动脉、腹主动脉、股动脉、颈动脉等的复杂流动区域，而这些复杂流动全 部由动脉的分岔、弯曲等引起。患动脉粥样硬化的病人很容易患中风与冠心 病。人们相信，即使在这种疾病的早期，也就是粥样硬化的形成阶段，疾病 的发展过程就与动脉中的血流特性密切相关。 锚 图1 ：1 生理系统建模过程 动脉硬化是严重危害人类健康的一种血管常见病，它常引起血管腔狭窄， 导致器官和组织发生缺血性变化。但是动脉硬化不是随机地出现在动脉系统 的任何部位，通常只在许多确定的动脉部位出现，如腹主动脉木端、冠状动 脉、颈动脉分叉以及脑底动脉环等。当前人们对复杂血管做了很多方面的研 究。动脉硬化是一种多因素疾病，这些因素相互联系、相互影响，从流体力 学上对其进行解释，最终又归结到动脉管壁所受的局部流体力学效应( 如管壁 切应力和压力分布) p 1 。所以准确得到真实生理流场中动脉管壁所受的局部流 体力学效应对了解动脉硬化疾病的发病机理以及为临床上的预防、诊断和治 疗都有着十分重要的意义。 根据世界卫生组织( w h o ) 公布的调查数据，目前一t l , 血管疾病己成为威胁 人类生命最危险的因素之一，全球每三个死亡者中就有一个是死于心血管疾 病，其中8 0 发生在低、中等收入国家，我国每年有大约2 4 0 万的患者死于 心血管疾病，占总死亡率的3 4 。心血管疾病及其并发症给社会和家庭带来 哈尔滨t 秤人学硕十学位论文 i i 了巨大的经济负担，据美国心脏协会资料报告，2 0 0 0 年全球用于心血管疾病 的治疗费用高达3 2 6 6 亿美元，而我国用于心血管疾病的防治费用也超过1 0 0 0 亿元人民币州。迄今为止，人们对于心血管疾病的治疗研究已取得了巨大进 展，但是仍然无法完全了解心血管疾病的内在机理。有研究表明心血管疾病 的发生前已有血流动力学参数的改变，因此研究心血管系统循环动力学过程， 对于心血管系统生理、病理的科研工作和心血管疾病的早期诊断具有重要意 义。信息技术的发展、数字仿真技术的采用为生理系统的研究提供了新方法， 弥补了传统方法的不足心血管系统是人体生理系统的核心系统，建立其数学 模型。模拟其血液循环，对研究- t 5 脏疾病的成因和治疗很有指导意义，为心 脏病医疗设备的设计提供辅助工具。 。生理模型的建立主要有以下几个意义。 l 、为更好的研究血液循环系统的功能特性及其血液动力学。提供辅助手 段和工具。因为有些生理病理性的临床实验是危险的。难以进行的。仿真系 统则可在模型上进行模拟实验。实现极端条件下的实验。例如在人载飞船太 空计划中，宇航员回到正常重力加速度的地球时，会出现难以正立的现象。 利用心血管动力学模型。通过模拟太空环境下人体心血管系统的力学性质。 可以获取数据对上述现象进行研究。此外，仿真系统还可以突破时空限制， 实现未来事件的预测。 2 、模型的建立和仿真可以为临床实现无创伤诊断提供技术支持，可以辅 助教学。从血液动力学的角度出发。模拟正常生理或不同病理( 如心肌缺血性 心衰、心率失常等) 状况下的生理信号的变化。不仅可以从定性上观察信号波 形；而且可以从定量上分析病变情况。用于学生学习生理学时，可使学生更 直观的了解人体生理系统。 3 、为开发医学辅助设备，特别是心脏辅助设备。提供虚拟的生理系统。 通过在线的仿真测试。可以预测和估计该设备用于临床的效果。通过仿真与 调节辅助设备的控制参数，能找出最佳的参数设置方案。 1 2 心血管系统建模研究历史回顾 对心血管系统的研究，最早要从威廉哈维( w i l l i a mh a r v e r y ) 算起，他将 量化实验引入了对血液的研究中并予1 6 2 8 年公开发表了他的血液循环论著 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 心血运动论，这是现代生理学的起点。1 6 6 1 年，马尔皮基( m a r c e l l o m a l p i g h i ) 在解剖青蛙时，在蛙肺中看到了微循环的存在，证实了哈维的论断 1 。此后 相当长的时间内，研究心血管系统大都采用直观分析的方法，只研究系统的 单个机制和局部的作用及其因果关系。这些研究成果为后人提供了有关循环 系统动力学方面许多很有价值的实验资料和某些规律性的认识。 在1 8 世纪随着流体力学的高速发展，血液流动的定量分析迅速建立起 来，1 7 3 3 年，英国生理学家黑尔斯( h a l e s ) 首次测量了马的动脉血压，并研究 了血压与失血的关系。他定量测量了心输出量、动脉尺寸和血液流速，第一 次引进外周阻力的概念，并弄清这个阻力主要来自微血管。h a r v e r y 和h a l e s 的定量工作偏重几何量和运动学定量方面。第一篇用数学方法分析血液流动 的论文是由l e o n h a r de u l e r 于1 7 7 5 年发表的，他推导出弹性管中不可压缩无 粘流体流动的一维方程( 即欧拉方程) ，这组方程包括反映质量守恒原理的连 续性方程和由动量定理建立起来的运动方程，为了使方程封闭，他提出了反 应血管内任一点的压力与其截面积关系的非线性数学模型。 在1 9 世纪初期，人们对主要的解剖特征、流动速度、压力、波的传播和 粘性损失等现象无论从定性和定量方面都有了一个大概的了解悼1 。英国医生 兼哲学家托马斯杨( t h o m a sy o n g ) 提出弹性模量的概念p 1 ，他研究了动脉组织 的弹性性质以及压力的传播，首次推导出了血流中脉搏波的传播速度，并应 用描述通过弹性固体或可压缩流体声波的传播方法，得到了脉搏波传播的公 式，同时他还对粘性损失在各动脉段中所引起的压力作了计算。1 9 世纪后期， 对血液循环系统一般知识的了解和定量分析更为详细，许多研究者，包括 m o e a s ， k o r t e w e g 和l a m b 等都曾用各自的方法重新推导出脉搏波的方程。 1 3 课题的国内外现状 ， 早在1 8 9 8 年，德国生理学家o t t of r a n k 提出了著名的弹性腔( w i n d k e s s e l ) 模型，他把动脉系统看作一个弹性腔，仅由一个电阻和一个并联的电容组成， 后人加以改进，提出3 - - 元件或四元件，双弹性腔五元件，三弹性腔九元件 模，但这些都是高度简化的集总式模型，忽略了由人体解剖结构引起的系 统循环的分布性，不能体现脉动血流波的传播特性，要求建立更详细的分布 式模型，能计算出循环系统任一点处的血压和血流。随着计算机科学的飞速 4 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 发展，在近十多年的时间里，人们对心血管系统中血液流动规律的分析和了 解有了很大的进展，这些进展已在很大程度上对正常生理和病理条件下的血 流动力学特性进行数值分析、说明和描述。 随着计算机科学的飞速发展，在近十多年的时间里，人们对心血管系统 中血液流动规律的分析和了解有了很大的进展，这些进展己在很大程度上对 正常生理和病理条件下的血流动力学特性进行数值分析、说明和描述。进入 2 0 世纪后，随着电网络理论的发展，心血管系统研究有了迅速发展。在心血 管循环系统整体模型中，较早且较完善的是1 9 6 6 年j o h nm c l e o d 建立的 p h y s b e 模型，这是个经典的线性的循环系统模型。2 0 世纪6 0 年代术， r i d e o u t 等人用模拟电路元器件建立了一个整体循环分布式模型2 1 ，能较精确 地描述循环系统地解剖学特性。j a r o n 和白净等人后来在此模型中加入了生 理反馈调节机制引。1 9 8 3 年c o l e m a n 建立了一个名为h u m a n 的模型，包 含- ；n 部的呼吸，血液的气体交换等诸多生理因素。b e y a r 、g o l d s t e i n 于1 9 8 7 年建立的人体心血管系统的整体模型，很好模拟了入体正常生理情况下的血 流动力学特性，并仿真了呼吸对胸内压的影响。t s u r u t a 等人建立的心血管系 统模型，仿真了心衰，并预测了药物对心衰的治疗。心血管循环系统模型比 较有代表性的还有w a r n e r 模型jb a m e a 等人建立的闭环模型，w i t z i g 提出 的分布式参数模型。 国外对心血管建模开展的较早，特别是近十年来，国外对心血管系统建 模有了很大的进展。最具代表性的是i t a l y ，u n i v e r s i t yo fb o l o g n a 的m a u r o ， u r s i n o 。他于1 9 9 8 年建立了一个具有动脉压力感受器的心血管系统模型， 仿真了急性失血情况下调节机制的作用：2 0 0 0 年u r s i n o 又研究了心血管系统 对缺氧和有氧运动的反应4 1 ；2 0 0 3 年他又在前面所建模型基础上研究了心率 变异性。2 0 0 0 年h a r v a r & m i t 建立的心血管系统仿真模型r c v s i m ，包含了 较多的神经调节机制。2 0 0 1 年t h o m a sh e l d t 等人建立了用来仿真直立压力 下的心血管系统模型。2 0 0 2 年南加利福尼亚大学建立了一个考虑心肺交互作 用的心血管系统模型，考虑了睡眠与非睡眠两者状态。2 0 0 5 年l i a n g ，f y 。 建立了一个针对心血管系统的闭环集总参数模型，2 0 0 6 年他又建立了心血管 系统在自主神经调控下的交互模型，量化了进行伐氏操作( v a l s a l v a m a n e u v e r ) 时的心血管系统和自主神经系统的各自调节作用。2 0 0 6 年 哈尔滨l ：程大学硕十学位论文 k o r a k i a n i t i s 在u r s i n o 的基础上建立了一个包含心脏瓣膜动力学和心房与心 室间交互作用的心血管系统集总式参数模型，使心血管循环系统动力学仿真 更精确。 国内的心血管系统模型研究起步较晚。其中，研究开展较早，工作最全 面的是清华大学的白净。1 9 8 8 年j a r o n 和白净建立了一个加速应力下的心血 管系统模型，此后便在此模型基础上不断改进，建立了一系列心血管系统多 元数字计算机模型，来探讨各种生理病理现象，既有对高血压等病理情况下 的仿真研究，也对体外反搏及心衰辅助等外部装置对人体血流动力学的影响 方面进行仿真研究。如1 9 9 5 年自净等人建立的心血管系统动力学分布式模 型，仿真了生理和病理条件下的脉搏波信号，研究了呼吸运动对心血管系统 的影响。2 0 0 0 年冯宇军等人应用功率键合图方法，建立了一种多分支心血管 循环系统的计算机仿真模型。胡酷等人于2 0 0 1 年建立了一个心血管系统的整 体h s p 数学模型。2 0 0 3 年李新胜在白净多元非线性心血管系统模型的基础 上建立了一个反映心肺交互作用的模型，仿真了运动对心血管系统的影响。 2 0 0 6 年，代开勇建立一个包含各分支循环系统和神经调节机制且便于扩展的 心血管系统数学模型。国内研究心血管循环系统建模的还有郑泰胜，郝卫亚， 樊喻波等人。 日本九州大学建立了一个基于解释结构的模型，心血管系统诊断仿真工 具k i t a h u m a n 。该模型包含了主要器官单元和功能特性单元的2 5 个模块，共 有了2 0 0 多个变量和1 0 0 多个常数。这2 5 个模块有药理学、神经反射、心血 管循环、气体交换、肾脏分泌物、血液透析、体温调节等模块。目前，m a r c c a v a z z a 和a l t i o ns i m o 等人用定性的数学分析方法人工智能技术，建立3 维虚拟空间的临床病人模型。采用开发3 一d 游戏的引擎工具u n r e a l t o u r n a m e n t t m 和人工智能工具a l l e g r oc o m m o nl i s p t m 的定性仿真模块， 从定性分析的方法来仿真模拟心室收缩性、血液循环、人体肌肉的动态变化 等。 美国的国家太空生物医学研究学会( n m i o n a ls p a c eb i o m e d i c a lr e s e a r c h i n s t i t u t e ，n s b r i ) 在实旌生理系统建模的计划中，采用了高层架构h l a ( h i g h l e v e la r c h i t e c t u r e ) 的方法。从纵向上建立子系统模型，从横向上耦合各个子系 统，组建成一个具有完整生理功能的数字人模型，能模拟仿真太空环境下入 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 体生理的变化等。图1 2 是n s b r i 在纵向上建立心血管系统的概念模型。 图1 2 人体模型的心血管系统部分 现在生理系统的建模中，融合现代信息处理技术，引入神经网络、模糊 算法等非线性系统建模方法，加入了实时的反馈调节系统。另外，不仅从宏 观上研究生理系统，而且从微观上研究。例如，对心血管系统的研究，通过 建立分子模型，分析生物化学、生物物理和生物力学等生理机制与心脏电生 理性质之间的关系。从分子水平上，研究血细胞与组织之间气体交换的传输 机制；分子之间钙离子的交互作用；研究引起心脏疾病的基因和分子，及它们对 心脏整体功能的影响等。 1 4 心血管系统建模仿真的发展趋势 经过一百多年的发展，心血管循环系统建模以建立参数减少，分布集总 相结合的中间模型为主。因为分布式模型虽然能较精确地反映循环系统的解 剖学特性，但由于参数太多，模型复杂，仿真易出现错误，而集总式模型由 于简单仍然大受欢迎，所以目前建模一般是对模型中感兴趣的部分采用分布 式模型，其余部分采用集总式模型。随着计算机技术和数值仿真技术的迅速 发展，心血管系统的计算机仿真研究将根据建模的目的不同主要朝宏观、微 观和多层次模型方向发展。宏观上则是从系统量级上仿真研究心血管系统生 理、病理过程，微观上则是对心血管系统的局部建立详细的数学模型，研究 7 哈尔滨工稗大学硕十学何论文 生理、病理现象的更深一层机理和本质，而在多层次模型方面，则是宏观、 微观相结合，最终实现人体的整体精确模型。 目前，国内外的几个比较突出，具有国际意义的研究计划，包括美国的 生理人计划( h u m a np h y s i o m ep r o j e c t ) ，可视人计划( v i s i b l eh u m a np r o j e c t ) ， 中国的数字虚拟人计划等等，都需要继续进行更完善和详细的心血管系统建 模仿真研究。心血管循环系统的建模仿真不仅能给生理学的研究提供教学辅 助，也能帮助医生预测病人心血管疾病的病变过程，确立最佳的治疗方案， 还可用于测试医疗仪器的临床应用效果，寻求最佳的控制设计方案。总之， 心血管系统建模仿真的发展趋势多样，但最终目标都是用于专门的病理分析、 临床疾病的诊断技术、外科手术、医疗仪器的设计，科学研究和教学实验等 方面。 1 5 本文研究的主要内容 根据心血管系统的已有研究，主要是生理系统及其局部系统建模方面的 研究，本文主要针对在保持人体血液循环中左心及其耦合的动脉系统的循环 模型，采用研究比较成熟的电路集总参数模型。这种模型是基于比较成熟的 电路网络理论和计算机语言的发展以及控制方面的应用。通过集总参数模型 的建模仿真以及以真实的生理系统的参数比较，我们可以看出，仿真出的左 心室血压、左心室体积、主动脉血流、主动脉血压等参数都与真实的生理参 数曲线很好的吻合了。另外，本文还就心血管系统中另一个比较重要，研究 也比较多的动脉阻抗及其顺应性做了初步的研究。根据w i n d k e s s e l 动脉模型， 对多种材质的管子的动脉阻抗及其顺应性进行了图形和数值分析，结论证明 了理论上动脉顺应性的指数衰减形式，并且得到了动脉阻抗的取值情况。 8 哈尔滨 样火学硕十学f t 论空 第2 章心血管生理知识 血液在血管中的流动主要受血液循环动力学规律的支配，在这方面把心 脏视为具有泵血功能的“肌肉泵”、血管视为外接管道的模型，以及 此发展 起来的一系列理论己被广泛接受。在本章中，作为基础知i _ ，首先简要介绍 了血液循环系统的生理知识，然后简述了心血管系统的调节机制腻碑及意义。 2 1 心血管系统的生理知识 2 1 1 心血管系统的解剖与生理特点 心血管系统由心脏、动脉、静脉和毛细血管组成如幽21 所示，其内有 血液循环流动，推动血液流动的动力是心脏。 m t 日m t 一e 图2 l 血液循环系统示意图 心脏主要由心肌组成，是连接动、静脉的枢纽和，c 向管系统的“动力泵” 抽 “；腑 5 日 n * m 一 。 哈尔滨一门掣人学硕十学伊论文 心脏内部被房l 刮隔和室间隔分为互不相通的左、右两半，每半又分为心房和 心室，故心脏有四个腔：左心房、左心室，右心房和右心室。同侧心房和心 室通过房室瓣相通。心房接受静脉，心室发出动脉”。在心房和心室间以及 心室和动脉问均有瓣膜，保证血液定向流动。 动脉是运血离心的管道，行程中不断分支，愈分愈细，最后成为毛细血 管。静脉是引导血液回心的血管，在向心回流过程中不断接受属支，逐级汇 合，愈合愈粗，最后注入心房。与相应动脉相比，静脉管壁薄，管腔大，容 血量较大。毛细血管是连接动、静脉末梢间的管道，是血液与血管外组织液 进行物质交换的场所。血液是循环系统的介质，是体内物质运输的载体，负 责运输代谢原料和代谢产物，使肌体新陈代谢能不断进行。 血液循环根据其循环路径不同可分为体循环和肺循环两种”“。体循环丌 始于左心室。血液从左心室搏出后，流经主动脉及其派生的若干动脉分支， 将血液送入相应的器官。动脉再经多次分支，管径逐渐变细，血管数目逐渐 增多，最终到达毛细血管，之后，流入静脉，静脉管径逐渐变粗，数目逐渐 减少，直到最后所有静脉均汇集到上腔静脉和下腔静脉，血液即由此回到左 心房，从而完成了体循环过程。肺循环自右心室开始。静脉血被右心室搏出， 经肺动脉到达肺泡周围的毛细血管网，然后再经肺静脉流回左心房。左心房 的血再入左心室，又经大循环遍布全身。这样血液通过体循环和肺循环不断 地运转，完成了血液循环的重要任务。 2 1 2 血液循环的条件 循环血液之所以能从心脏搏出，自大动脉依次流向小动脉、毛细血管， 再由小静脉、大静脉返流入心脏，是因为血管之间存在着递减性血压差。要 保持一定的血压，需要有三条基本因素”“。 i 、心室收缩射血所产生的动力和血液在血管内流动所受到的阻力问的相 互作用 当心室收缩射血时，血液对血管壁产生了侧压力，这是动脉压力的直接 来源。如果心脏停止了跳动，也就不能形成血压。当血液在血管内流动，由 于血液有形成分之间以及血液与血管之间摩擦会产生很大阻力，血液不能全 部迅速通过，部分血液滞留在血管内，充盈和压迫血管壁形成动脉血压。相 l o 哈尔溟r 稃大学硕十等：何论文 反，如果不存在这种外周阻力，心脏射出的血液将迅速流向外周，致使心室 收缩释放的能量，全部或大部分转为动能而形不成侧压。也就是说，只有在 外周阻力的配合下，心脏射出的血液不能迅速流走，暂时存留在血管向心端 的较大动脉血管内，这时心室收缩的能量才能大部分以侧压形式表现出来， 形成较高的血压水平，所以，动脉血压的形成是心脏射血和外周阻力相互作 用的结果。 2 、必须有足够的循环血量 足够的循环血容量是形成血压的重要因素。如果循环血量不足，血管壁 处于塌陷状态，便失去形成血压的基础。如我们通常所说的失血性休克，就 是血容量不足导致的血压降低。 3 、大血管壁的弹性 正常情况下，大动脉有弹性回缩作用。在心室收缩射血过程中，由于外 周阻力的存在，大动脉内的血液不可能迅速流走，在血液压力的作用下，大 动脉壁的弹力纤维被拉长，管腔扩大，心脏收缩时所释放的能量，一部分从 动能转化成位能，暂时贮存在大动脉壁上。当心脏舒张时，射血停止，血压 下降，于是大动脉壁原被拉长的纤维发生回缩，管腔变小，位能又转化为动 能，推动血液流动，维持血液对血管壁的侧压力。 由此可见，血压的形成是在足够循环血量的基础上，心脏收缩射血，血 液对血管壁的侧压力，大动脉弹性将能量贮存，由动能转变成位能，又转变 成动能，从而维持了血液对血管壁的一定侧压力，推动血液流动，保持正常 血压。 当心室收缩时，血流迅速流入大动脉，大动脉内压力急剧上升，于心室 收缩中期达最高，称为收缩压( 或高压) ；当心脏舒张时，血液暂停流入大动 脉，以前进入大动脉的血液借助血管的弹性和张力作用继续向前流动，此时 动脉内压力下降，于心室舒张末期达最低值，称为舒张压( 或低压) ；收缩压 与舒张压之差称为脉搏压( 简称脉压) 。 从上面所述，我们不难可以看出，心室收缩力和外周阻力是形成血压的 基本因素，而大动脉管壁的弹性是维持舒张压的重要因素，另外，足够的循 环血量是形成血压的前提。循环血量影响血压的因素主要有以下几点。 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 l 、循环血量：在失血时，循环血量可昆著减少。若失血不太多，只占总 血量的1 0 2 0 时，通过自身的调节作用，如使小动脉收缩，以增加外周 阻力，同时使小静脉收缩以减少血管容积，这样仍可维持血管的充盈，使血 压不致显著降低。若失血量超过3 0 ，对一般人来说，神经和体液作用已不 能保证血管系统的充盈状态，血压将急剧下降，必须紧急输血或输液，补充 循环血量，否则病人将有生命危险。 2 、心输出量：心输出量增加时，射入动脉的血液量增多，则血压升高； 反之，心输出量减少时，血压降低。由于心输出量决定于心跳频率和每搏输 出量。而每搏输出量又决定于心肌收缩力和静脉回流量。所以，心跳的频率、 强度和静脉回流量的改变，都可影响血压。例如第三度房室传导阻滞的病人， 由于心室跳动过缓，急性心肌梗塞时，由于心肌收缩减弱，都可使血压降低 而造成循环机能不足。劳动或运动时，静脉回流量增多，此时，由于心肌代 偿性收缩增强，心输出量随着增加，故血压升高：静脉回流量减少，则心出 量也减少，血压也就降低。 血压形成的机理及循环血量的变化对血压的影响，对诊断和治疗疾病有 重要意义。例如，大量失血后，血压下降主要是循环血量减少，这时应通过 输液补充血容量进行治疗。而急性心力衰竭所致的肺水肿和血压下降，心功 能不全是血压下降的主要原因，这时则必须应用强心药物提高，t l , 脏功能，如 果单凭血压下降一点就大量输液，则反而增加心脏负担，并加剧肺部的充血 和水肿，对病人非常不利。 2 2 心血管系统的生理参数 心血管系统的工作状况是由心血管系统的生理参数来反映的，心血管系 统的生理参数主要有：血压( 收缩压，舒张压，脉压、平均动脉压) 、一t l , 率、 每搏输出量、心输出量、血管顺应性、血流阻力、心肌收缩能力、血容量等 f l 墨l o 血压( b l o o dp r e s s u r eb p ) ：是指血管内的血液对于单位面积血管壁的侧压 力，也即压强，通常以千帕( k p a ) 或毫米汞柱( m m h g ) 表示。当心脏收缩时， 主动脉压急剧升高，在收缩期的中期达到最高值，这时的动脉血压值称为收 缩压( s y s t o l i cb l o o dp r e s s u r es b p ) 。心室舒张时，主动脉压下降，在一t l , 舒张期 1 2 哈尔滨工稗火学硕十学位论文 动脉血压的最低值称为舒张压( d i a s t o l i cb l o o dp r e s s u r ed b p ) 。收缩压和舒张压 的差值称为脉 医( p u l s ep r e s s u r ep p ) ，一个心动周期中每一瞬间动脉血压的平 均值称为平均动脉压( m e a na r t e r i a lp r e s s u r em a p ) 。我国健康青年人在安静状 态时的收缩压为 1 3 3 1 6 o k p a ( 1 0 0 1 2 0 m m h g ) ，舒张压为 8 0 1 0 6 k p a ( 6 0 - 8 0 m m h g ) ，脉压为4 0 - 5 3 k p a ( 3 0 - 4 0 m m h g ) ，平均动脉压为 13 3 k p a ( 9 3 m m h g ) 左右。 心率( h e a r tr a t eh r ) ：是指每分钟内心脏搏动的次数。成年人心率为每分 钟6 0 1 0 0 次。 每搏输出量( s t r o k ev o l u m es v ) ：一侧心室搏动一次所射出的血量，称为 每搏输出量，简称搏出量。成年人搏出量约为6 0 8 0 m l 。 心输出量( c a r d i a co u t p u tc o ) - 一侧心室每分钟射出的血量称为每分输出 量，即心输出量，等于搏出量乘以心率。成年人安静时的心输出量为4 5 - 6 l m i n ，心输出量与机体新陈代谢水平相适应，在肌肉活动、情绪激动、 怀孕等情况下增加；此外，女子比同体重男子的心输出量低约1 0 。 血流阻力( r e s i s t a n c eo f b l o o df l o w ) ：血液在血管内流动时所遇到的阻力， 等于血管两端的压力差与该段血管的血流量的比值。 血流量( b l o o df l o w ) ：是指单位时间内流过血管某一截面的血量，也称容 积速度，其单位为m l m i n 或l m i n 。 血容量( b l o o dv o l u m e ) ：人体内的血液总量称为血容量，是血浆量和血细 胞量的总和，正常成年人的血容量约相当于体重的7 - 8 。 血管顺应性( c o m p l i a n c e ) ：血液压力改变一个单位时，所对应动脉体积的 变化量，它等于血管的可扩张度与血管段体积的乘积。 前负荷( p r e l o a d ) ：心肌收缩前所承受的负荷，可用心室舒张期术血液的 充盈程度( 容积) 来表示。 后负荷( a f t e r l o a d ) ：心肌射血所面对的阻力，心室射血过程中，大动脉血 压起着后负荷的作用。 心肌收缩t 助( c a r d i a cc o n t r a c t i l i t y ) ：是指通过心肌本身收缩活动的强度 和速度的改变而不依赖于前、后负荷的改变来影响每搏输出量的能力。 非压力容积( u n s t r e s s e dv o l u m e ) ：在一个弹性腔内不引起压力变化的那部 分容积，即该弹性腔压力为零时的容积。 哈尔溟t 稃人学硕十学何论文 2 3 心血管系统的调节机制 血液循环是生命的枢纽，其正常运行是生命得以维持的保障，而其调节 又是人体正常活动和适应环境的必然需要。为了确保血液循环系统的正常运 行，相应的生理调节和控制系统也十分复杂，归纳起来大致有以下几种情况 1 9 l 1 、神经调节，包括颈动脉窦和主动脉弓压力感受性反射、心肺压力感器 引起的反射和颈动脉体和主动脉体化学感受性反射。 2 、体液调节，包括肾素血管紧张素系统、肾上腺素和去甲肾上腺素、 血管升压素、血管内皮生成的血管活性物质、激肽释放酶激肽系统、心钠 素、前列腺素、阿片肤和组胺的调节。 3 、局部血流调节，包括代谢性自身调节和肌源性自身调节。 4 、动脉血压的长期调节，即肾体液控制系统的调节。 上述这些血液循环的调节与控制机制都是在特定的条件下起作用的。对 于血液循环动力学而言，一般需要考虑神经调节机制，它起着维持血压的瞬 时稳定的重要作用，下面着重介绍神经调节机制的原理与作用。 2 3 1 神经调节机制的原理 当机体处于不同的生理状态如变换姿势、运动时，或当机体内、外环境 发生变化时，可引起各种心血管反射，使心输出量和各器官的血管收缩状况 发生相应的改变，动脉血压也可发生变动。为了使循环功能适应于当时机体 所处的状态或环境的变化，心血管反射一般都能很快完成。 1 、颈动脉窦和主动脉弓的压力反射 当动脉血压升高时，可引起压力感受性反射，其反射效应是使心率减慢， 外周血管阻力降低，血压回降。因此这一反射被称为降压反射，由压力感受 器、传入神经和中枢联系、反射效应构成。 动脉压力感受器：压力感受性反射的感受装置是位于颈动脉窦和主动脉 弓血管外膜下的感觉神经末梢，称为动脉压力感受器如图2 2 所示动脉压力 感受器感受血管壁的机械牵张程度。当动脉血压升高时，动脉管壁被牵张的 程度就升高，压力感受器发放的神经冲动也就增多。在一定范围内，压力感 受器的传入冲动频率与动脉管壁扩张程度成正比。 1 4 q 尔滨i 榭人学硕十学位沦文 传入神经和中枢联系：颈动脉窦压力感受器的传入神经纤维组成剑 动脉 窦神经- 窦神经进入延髓，和孤束核的神经元发生突触联系。t 动脉弓肌力 感受器的传入神经纤维行走于迷走神经干内然后进入延髓，到达孤柬核。 压力感受器的传入神经冲动到达孤柬核后，使突感神经紧张性活动减弱。此 外，压力感受器的传入冲动到达孤束核后还与谜走神经背核和疑核发乍联系， 使迷走神经的活动加强。 图2 2 颈动脉窦区与主动脉弓区的白! 力感受器 反射效应：动脉血压升高时，压力感受器传入冲动增多，通过中枢机制， 使心迷走紧张加强，心交感紧张和交感缩血管紧张减弱，其效应为心率减慢， 心输出量减少，外周血管阻力降低，故动脉血且、f 降。反之，当动脉血jb 降 低时，压力感受器传入冲动城少，使谜走紧张减弱，交感紧张加强，f 是心 率加快，心输出量增加，外周血管阻力增高，血压旧升。 2 、心肺感受器引起的心血管反射 在心房、心室和肺循环大血管壁存在许多感受器，总称为心肺感受器， 其传入神经纤维行走于迷走神经干内。心肺感受器位于循环系统爪力较低的 部分，故常称之为低压力感受器，向动脉压力感受器则称为高压力感受器。 在生理情况下，心房壁的牵张主要是由血容量增多而引起的，凼此心房壁的 牵张感受器也称为容量感受器。大多数心肺感受器受刺激时引起的反射效应 是交感紧张降低，心迷走紧张加强，导致心率减慢，一山输出量减少，外周血 管阻力降低，故血压下降。 3 、颈动脉和主动脉化学感受性反射 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 j i i 暑；i i i i ；i 宣占；i 置葛宣i ；暑i ；i i i i i 当血液的某些化学成分发生变化时，可以刺激颈总动脉分叉处和主动脉 弓区域的化学感受器。这些感受器受到刺激后，其感觉信号分别由颈动脉窦 神经和迷走神经传入至延髓孤束核，然后使延髓内呼吸神经元和心血管活动 神经元活动发生变化。 化学感受反射在平时对心血管活动并不起明显的调节作用，只是在低氧、 窒息、失血、动脉血压过低和酸中毒等情况下才发生作用。 2 3 2 神经调节机制的生理意义 压力感受性反射在心输出量、外周血管阻力、血量等发生突然变化的情 况下，对动脉血压进行快速调节的过程中起重要的作用，使动脉血压不致发 生过分的波动，因此在生理学中将动脉压力感受器的传入神经称为缓冲神经。 一般认为压力感受性反射在动脉血压的长期调节中并不起重要作用。在慢性 高血压患者或实