血容量减少对立位应激反应影响的仿真研究
作者：郝卫亚 张立藩 吴兴裕 张卫英
单位：郝卫亚(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)；张立藩(第四军医大学航空航天生理学教研室，西安 710032)；吴兴裕(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)；张卫英(第四军医大学西京医院，西安 710032)
关键词：数学模型；失重；应激生理；心血管系统；血容量；下体负压
航天医学与医学工程000406摘要： 目的 研究不同程度的血容量减少对心血管系统立位应激反应的影响，探讨血容量降低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 在仿真下体负压(LBNP)暴露时心血管系统反应模型的血液重新分配子模型中引入血容量减少因素，仿真血容量减少0～25%后LBNP时心率(HR)和血压(BP)变化。 结果 血容量减少低于总血量的5%条件下，心血管系统可以通过压力反射调节作用维持LBNP时正常的HR和BP；血容量减少超过约15%，在安静仰卧位时，HR和BP正常，但LBNP时BP迅速降低，系统可能失去稳定性。 结论 血容量减少将导致心血管系统对立位应激反应的改变。
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中图分类号：R852.22；R856.5 文献标识码：A 文章编号：1003-0837(2000)04-0259-04
A Simulated Study of Effects of Simulated Hypovolemia on Cardiovascular Response to Orthostatic Stress
HAO Wei-ya ZHANG Li-fan WU Xing-yu ZHANG Wei-ying
(The Lab of Biomedical Engineering,The Electric Engineering Department of Tsinghua University,Beijing 100084,China)
Abstract: Objective To study the effects of hypovolemia on cardiovascular response to orthostatic stress,and to investigate the role of hypovolemia in the mechanism of cardiovascular deconditioning and orthostatic intolerance induced by space weightlessness. Method The effects of loss of blood volume had been incorporated in the sub-model of blood redistribution in the model developed for simulating the cardiovascular response to lower body negative pressure (LBNP).With the help of the model,we simulated the changes of heart rate (HR) and blood pressure (BP) during LBNP after 0～25% loss of blood volume. Result When the amount of decrease of blood volume was less than 5% of the total blood volume,HR and BP could be maintained in normal range during LBNP through baroreflex regulation.When the amount of the decrease of blood volume was more than 15% of the total blood volume,HR and BP could be kept in normal rang when the subject was supine and at rest.But BP fell sharply and the cardiovascular system almost collapsed during orthostatic exposure. Conclusion Decrease of blood volume causes significant degradations of cardiovascular response to orthostatic stress.
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Key words:mathematical modeling;weightlessness;stresses;cardiovascular systerm;blood volume;lower body negative pressure
载人航天时失重环境可引起航天员的立位耐力和运动能力下降[1]。立位耐力下降主要表现为：在失重条件下受到下体负压作用时，或返回地面1 G条件下直立位时，航天员感到心慌、头晕，甚至出现晕厥，其体征则为心率过分增快，维持正常动脉血压的能力明显减弱，一般需要数日至数周才能恢复。此类症状与体征称为“心血管失调”(cardiovascular deconditioning)。这种心血管机能障碍的机理仍不甚清楚，特别是关于长期失重所致的心血管失调的机理则了解得更少[1,2]。
为阐明失重/模拟失重后立位耐力下降的机理，国内外已进行了大量的地面模拟和航天实验
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研究。目前，短期(几天)的微重力引起的立位耐力降低几乎完全可以用血容量降低解释[1]。但是中、长期失重引起的立位耐力降低似乎不能完全由血容量降低解释[1,2]。在多次的航天飞行观察中，血容量的减少量不尽相同，数据差异较大，有些观察结果互相矛盾[1]。Hoffler[1]根据多次飞行积累的数据，把航天员血容量变化的百分比与立位(站立)或模拟立位(LBNP)应激时心率的增加联系起来，发现二者成线性负相关(r=-0.54,P<0.005)，即血容量减少愈多，心率增加愈多。该结果比较直接地支持了血容量减少是立位耐力降低原因的假说[1]。但是，血容量的变化与其它血液动力学指标的关系，以及何等程度的血容量变化会严重影响立位应激的反应，仍未见报道。这主要由于人体实验受到技术、资金、机会、周期、耐限和伦理等客观因素的限制。而计算机仿真实验不仅不受这些因素的限制，而且可进行不同实验条件组合。本文利用我们建立的数学模型[3]仿真研究不同程度血容量降低对立位应激下心血管系统反应的影响，探讨这种变化对飞行后心血管失调和立位耐力降低发生机理的意义及贡献。
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方 法
一般认为，血容量减少通过以下的途径影响心血管系统对立位应激的反应[4]：血容量减少引起循环系统平均充盈压(mean circulatory filling pressure,MCFP)降低，MCFP的降低又引起中心静脉压(CVP)的降低，CVP降低又使左室舒张末容积(LVEDV)降低，经过心脏与外周的耦合作用导致血压的降低，心血管系统又通过压力反射作用力图代偿血压的下降以维持系统的稳定。
与立位应激的反应机制一样，血容量减少也是通过改变CVP的大小影响心血管系统；因此，一些人认为，急性失血效果也与立位应激相当[5,6]。基于这些原因，我们在原模型[3]中的血液分配模型中引入了血容量改变的因素。只要把原来认为心血管系统中总血容量不变的数学关系[3]由公式(1)代替，就可以仿真血容量减少对心血管系统立位应激反应的影响。
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△Vb=△VTHO+△VHUL+△VABD+△VPB+△VTHI+△VCAL+△VFT (1)
式中，ΔVTHO、ΔVHUL、ΔVABD、ΔVPB、ΔVTHI、ΔVCAL、ΔVFT分别是胸部、头和上肢、腹部、骨盆和臀部、大腿、小腿以及足部等组分在LBNP时血容量的变化；ΔVb是血容量的减少值。
正常成年人的血液总量相当于体重的7%～8%，或相当于70～80 ml/kg体重[7]。本文仿真的人体对象为一体重为75 kg的成年人。如果按照75 ml/kg的血容量计算，该对象共有5625 ml血容量。
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本文仿真了不同程度的血容量减少(0～25%)后，不同的LBNP暴露强度(0～ -20 mmHg)时心血管系统稳定后，心率(HR)、收缩压(SBP)和舒张压(DBP)的变化。仿真过程如下：系统启动后，首先设定血容量减少量为0%；然后按照文献[3]所述的方法，仿真在该程度血量减少时不同LBNP暴露强度下心血管稳定后的HR、SBP和DBP；之后，再仿真血量减少为总血量的2.5%后LBNP时心血管反应；如此往复，直至血量减少量达到25%。
结 果
仿真结果表明，不同程度的血容量减少后，心血管系统在LBNP作用约3 min后达到稳定状态。稳定后的心率和血压变化特点如下：
心率的变化
图1是不同程度的血容量减少后不同强度的LBNP暴露时HR的变化。由图可见，在相同的LBNP暴露时，血容量减少愈多，HR增加也愈多；在血容量减少一定时，LBNP暴露值愈大，HR增加也愈多。当血容量减少较小(低于5%)时，HR随着LBNP的增加量变化很小；当血容量减少超过约15%后，即使LBNP较低，HR也增加很快。例如，当血容量减少5%，LBNP为0时，HR为76 bpm；LBNP为-20 mmHg时，HR为88 bpm。当血容量减少20%，LBNP为0时，HR为96 bpm；LBNP为-20 mmHg时，HR则为132 bpm。
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图1 血容量减少对卧位下体负压时心率变化的影响
Fig.1 The effects of hypovolemia on HR changes during supine-LNBP
血压的变化
收缩压 仿真结果表明，SBP随着血容量减少而明显降低(图2)。在血容量减少变化<10%时，LBNP虽增加，但SBP变化较小。但是，在血容量减少变化>15%后，SBP随着LBNP增加而大幅度降低。
舒张压 结果显示，LBNP时，舒张压的变化与血容量的减少量十分密切。图3可以明显地看到，当血容量减少量变化<15%时，LBNP暴露时，DBP不变，或者稍有增加；但是，当血容量减少幅度大于这个界限后，DBP随着LBNP的增加大幅度降低，并且其变化率很大，系统有失去稳定性的趋势。
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图2 血容量减少对卧位下体负压时收缩压变化的影响
Fig.2 The effects of hypovolemia on SBP changes during supine-LBNP
图3 血容量减少对卧位下体负压时舒张压变化的影响
Fig.3 The effects of hypovolemia on DBP changes during supine-LBNP
讨 论
在生理状态下，循环血容量与血管容积相适应，这是形成血压的前提，也是影响血压的重要因素，两者相适应才能足够地充盈，产生一定的体循环充盈压[7]。在正常情况下，循环血容量的变化不大，因而不是使血压升降的主要原因[7]。通常，如果血容量减少不超过20%，心血管系统通过一系列的调节作用后，仍可维持血管的充盈状态，心率加速，血压正常，脉压缩小；如果血容量减少在20%～40%范围时，人体处于中度休克状态[8,9]。本文的仿真结果中，血容量减少20%，没有LBNP暴露(LBNP为0)时，HR为96 bpm，SBP为104 mmHg，DBP为78 mmHg，处于正常状态；在血容量减少达到25%时，同样没有LBNP暴露，HR已达116 bpm，SBP降至97 mmHg，说明心血管系统有一定程度的障碍。仿真结果符合临床观察结果。仿真结果还表明，当血容量减少为5%以下、受到立位应激时，心血管系统完全可以通过其调节作用维持自身的稳定。但血容量减少超过15%时，尽管在无立位应激时系统可以保持稳定，但是一旦受到(即使是较低强度的)立位应激作用时，血压将迅速下降，系统就无法维持血压的稳定。这个结果与Weissler、Warren的人体实验结果一致[5]。
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采用数学模型仿真失血后的生理、病理反应以及失血后的急救治疗措施的方法并不罕见。Silbergleit等[10]建立了出血容量与血压关系的非控制性出血模型；Simpson等[11]建立了一个大失血及大失血后急救的交互式计算机模型。诸如此类模型还有一些，但这些模型都是针对失血后临床方面的研究，都是在安静平卧位状态下、没有体位改变或其它立位应激下心血管系统的反应。
相对而言，用建模仿真的方法探讨航天中有关血容量变化的研究较少。Srinivasan、Simanonok和Charles等人合作，应用Guyton模型研究了微重力下体液丢失的生理机制[12]、航天前为防止飞行中血液的过度头向转移而进行预适应(preadaption)方法(抽取一定量的血液)的可行性[13,14]，以及作为对抗航天飞行后立位耐力降低措施—充液法(注入一定量的盐水或者含有血管加压素的盐水)的效果等方面的仿真研究[15,16]。目前还没有关于不同程度的血容量减少(或失血)对心血管系统的立位应激反应的影响的系统研究。
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与动物和人体实验相比，数学模型进行生理学仿真实验的一个突出特点就是可以在复杂系统中，不改变其它因素，单独改变一个或几个因素的控制参数，仿真研究系统对这些改变的反应[17]。在本节的仿真实验中，我们以血容量为变化参数，考察不同程度的血容量减少后，在LBNP时血液动力学变化。在仿真中，模型中其它人体参数(如静脉系统顺应性、压力反射系统等)都没有改变。
本文所采用的仿真模型已经人体实验所验证[3]，而且一些仿真结果与临床观察结果相符[8,9]。因此，我们认为，本文的仿真结果真实地反映了立位应激时心血管系统的反应与失血之间的变化关系。
总之，仿真研究结果表明，血容量的减少，改变了立位应激时正常的血液分配，加重了心血管系统的负荷，将导致心血管系统对立位应激反应的改变。这种改变与血容量减少变化密切相关。当血容量减少变化在总血容量的5%以下时，立位应激时血压、心率变化受血容量减少的影响较小；当血容量减少超过15%时，心血管系统已不能通过其反射调节作用保持系统在受到立位应激时血压的稳定，将发生不同程度的立位性低血压。失重/模拟失重后血容量减少恰为10%～15%。因此，本仿真结果支持关于血容量减少是导致航天飞行后心血管失调和立位耐力降低主要的原因和必要条件的观点。
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[参考文献]
[1] Watenpaugh DE，Hargens AR.The cardiovascular system in microgravity[C].In:Fregly MJ,Blatteis CM eds.Handbook of Physiology:Environmental Physiology Ⅲ:The Gravitational Environment 1:Microgravity,New York:Oxford University Press,1996:631～674
[2] ZHANG Li-fan.Review and perspective on research in microgravity cardiovascular physiology[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998,11:378～382
, 百拇医药
张立藩.微重力心血管生理研究的回顾与展望[J].航天医学与医学工程,1998,11:378～382
[3] HAO Wei-ya,WU Xing-yu,ZHANG Li-fan et al.Computer simulation of cardiovascular response to lower body negative pressure[J].Space Medicine & Medical Engineering,1999,12(4):262～266
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，1999,12(4):262～266
[4] Smith JJ,Porth JM.Posture and the circulation:the aging effect[J].Exp Gerontol,1991,26:141～162
, http://www.100md.com
[5] Boyers DG,Cuthbertson JG,Luetscher JA.Simulation of the human cardiovascular system:a model with normal responses to change of posture,blood loss,transfusion,and autonomic blockade[J].Simulation,1972,18:197～205
[6] Melchior FM,Srinivasan RS,Charles J.Mathematical modeling of human cardiovascular system for simulation of orthostatic response[J].Am J Physiol,1992,262:H1920～H1933
[7] 陈宜张，藏益民.生理学[M].上海:上海科学技术出版社,1992:155～244
, http://www.100md.com
[8] 徐文怀，张文杰.外科学[M].北京:北京医科大学 中国协和医科大学联合出版社,1995:21～32
[9] Liu Huaiqiong.The principle of treatment for hemorrhagic shock induced by trauma[J].China Journal of Anesthesiology,1998,18(5):318～320
刘怀琼.创伤失血性休克的救治原则[J].中华麻醉学杂志,1998,18(5):318～320
[10] Silbergleit R,Satz W,McNamara RM et al.A new model of uncontrolled hemorrhage that allows correlation of blood pressure and hemorrhage[J].Acad Emerg Med 1996 ,3(10):917～921
, http://www.100md.com
[11] Simpson SH,Menezes G,Mardel SN et al.A computer model of major haemorrhage and resuscitation[J].Med Eng Phys,1996 ,18(4):339～343
[12] Simanonok KE,Srinivasan RS,Charles.Physiologic mechanisms effecting circulatory and body fluid losses in weightlessness as shown by mathematical modeling[J].Physiolgist,1993,36(1 suppl):S112～S113
[13] Simanonok KE,Srinivasan RS,Charles.A computer simulation of preadaption of the circulation by removal of different blood volumes to couteract central fluid shifts[J].Physiolgist,1992,35(1 suppl):S165～S168
, 百拇医药
[14] Simanonok KE,Srinivasan RS,Myrick EE et al.A comprehensive Guyton model analysis of physiologic response to preadapting the blood volume as a countermeasure to fluid shifts[J].J Clin Pharmacl,1994,34:440～453
[15] Srinivasan RS,Simanonok KE,Fortney SM et al.Simulation of the fluid retention effects of a vasopressin analog using the Guyton model of circulation[J].Physiolgist,1993,36(1):S114～S115
[16] Srinivasan RS,Simanonok KE,Charles.Computer simulation analysis of the effects of countermeasure for reentry orthostatic intolerance[J].Physiolgist,1992,35(1 suppl):S165～S168
[17] HAO Weiya,WU Xingyu,ZHANG Lifan.Mathematical modeling of human cardiovascular system for simulation of orthostatic response[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998,11(6):455～459
郝卫亚,吴兴裕,张立藩.心血管系统数学模型及其在立位应激中的应用[J].航天医学与医学工程,1998,11(6):455～459.
收稿日期：1999-09-27, 百拇医药
单位：郝卫亚(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)；张立藩(第四军医大学航空航天生理学教研室，西安 710032)；吴兴裕(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)；张卫英(第四军医大学西京医院，西安 710032)
关键词：数学模型；失重；应激生理；心血管系统；血容量；下体负压
航天医学与医学工程000406摘要： 目的 研究不同程度的血容量减少对心血管系统立位应激反应的影响，探讨血容量降低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 在仿真下体负压(LBNP)暴露时心血管系统反应模型的血液重新分配子模型中引入血容量减少因素，仿真血容量减少0～25%后LBNP时心率(HR)和血压(BP)变化。 结果 血容量减少低于总血量的5%条件下，心血管系统可以通过压力反射调节作用维持LBNP时正常的HR和BP；血容量减少超过约15%，在安静仰卧位时，HR和BP正常，但LBNP时BP迅速降低，系统可能失去稳定性。 结论 血容量减少将导致心血管系统对立位应激反应的改变。
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中图分类号：R852.22；R856.5 文献标识码：A 文章编号：1003-0837(2000)04-0259-04
A Simulated Study of Effects of Simulated Hypovolemia on Cardiovascular Response to Orthostatic Stress
HAO Wei-ya ZHANG Li-fan WU Xing-yu ZHANG Wei-ying
(The Lab of Biomedical Engineering,The Electric Engineering Department of Tsinghua University,Beijing 100084,China)
Abstract: Objective To study the effects of hypovolemia on cardiovascular response to orthostatic stress,and to investigate the role of hypovolemia in the mechanism of cardiovascular deconditioning and orthostatic intolerance induced by space weightlessness. Method The effects of loss of blood volume had been incorporated in the sub-model of blood redistribution in the model developed for simulating the cardiovascular response to lower body negative pressure (LBNP).With the help of the model,we simulated the changes of heart rate (HR) and blood pressure (BP) during LBNP after 0～25% loss of blood volume. Result When the amount of decrease of blood volume was less than 5% of the total blood volume,HR and BP could be maintained in normal range during LBNP through baroreflex regulation.When the amount of the decrease of blood volume was more than 15% of the total blood volume,HR and BP could be kept in normal rang when the subject was supine and at rest.But BP fell sharply and the cardiovascular system almost collapsed during orthostatic exposure. Conclusion Decrease of blood volume causes significant degradations of cardiovascular response to orthostatic stress.
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Key words:mathematical modeling;weightlessness;stresses;cardiovascular systerm;blood volume;lower body negative pressure
载人航天时失重环境可引起航天员的立位耐力和运动能力下降[1]。立位耐力下降主要表现为：在失重条件下受到下体负压作用时，或返回地面1 G条件下直立位时，航天员感到心慌、头晕，甚至出现晕厥，其体征则为心率过分增快，维持正常动脉血压的能力明显减弱，一般需要数日至数周才能恢复。此类症状与体征称为“心血管失调”(cardiovascular deconditioning)。这种心血管机能障碍的机理仍不甚清楚，特别是关于长期失重所致的心血管失调的机理则了解得更少[1,2]。
为阐明失重/模拟失重后立位耐力下降的机理，国内外已进行了大量的地面模拟和航天实验
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研究。目前，短期(几天)的微重力引起的立位耐力降低几乎完全可以用血容量降低解释[1]。但是中、长期失重引起的立位耐力降低似乎不能完全由血容量降低解释[1,2]。在多次的航天飞行观察中，血容量的减少量不尽相同，数据差异较大，有些观察结果互相矛盾[1]。Hoffler[1]根据多次飞行积累的数据，把航天员血容量变化的百分比与立位(站立)或模拟立位(LBNP)应激时心率的增加联系起来，发现二者成线性负相关(r=-0.54,P<0.005)，即血容量减少愈多，心率增加愈多。该结果比较直接地支持了血容量减少是立位耐力降低原因的假说[1]。但是，血容量的变化与其它血液动力学指标的关系，以及何等程度的血容量变化会严重影响立位应激的反应，仍未见报道。这主要由于人体实验受到技术、资金、机会、周期、耐限和伦理等客观因素的限制。而计算机仿真实验不仅不受这些因素的限制，而且可进行不同实验条件组合。本文利用我们建立的数学模型[3]仿真研究不同程度血容量降低对立位应激下心血管系统反应的影响，探讨这种变化对飞行后心血管失调和立位耐力降低发生机理的意义及贡献。
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方 法
一般认为，血容量减少通过以下的途径影响心血管系统对立位应激的反应[4]：血容量减少引起循环系统平均充盈压(mean circulatory filling pressure,MCFP)降低，MCFP的降低又引起中心静脉压(CVP)的降低，CVP降低又使左室舒张末容积(LVEDV)降低，经过心脏与外周的耦合作用导致血压的降低，心血管系统又通过压力反射作用力图代偿血压的下降以维持系统的稳定。
与立位应激的反应机制一样，血容量减少也是通过改变CVP的大小影响心血管系统；因此，一些人认为，急性失血效果也与立位应激相当[5,6]。基于这些原因，我们在原模型[3]中的血液分配模型中引入了血容量改变的因素。只要把原来认为心血管系统中总血容量不变的数学关系[3]由公式(1)代替，就可以仿真血容量减少对心血管系统立位应激反应的影响。
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△Vb=△VTHO+△VHUL+△VABD+△VPB+△VTHI+△VCAL+△VFT (1)
式中，ΔVTHO、ΔVHUL、ΔVABD、ΔVPB、ΔVTHI、ΔVCAL、ΔVFT分别是胸部、头和上肢、腹部、骨盆和臀部、大腿、小腿以及足部等组分在LBNP时血容量的变化；ΔVb是血容量的减少值。
正常成年人的血液总量相当于体重的7%～8%，或相当于70～80 ml/kg体重[7]。本文仿真的人体对象为一体重为75 kg的成年人。如果按照75 ml/kg的血容量计算，该对象共有5625 ml血容量。
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本文仿真了不同程度的血容量减少(0～25%)后，不同的LBNP暴露强度(0～ -20 mmHg)时心血管系统稳定后，心率(HR)、收缩压(SBP)和舒张压(DBP)的变化。仿真过程如下：系统启动后，首先设定血容量减少量为0%；然后按照文献[3]所述的方法，仿真在该程度血量减少时不同LBNP暴露强度下心血管稳定后的HR、SBP和DBP；之后，再仿真血量减少为总血量的2.5%后LBNP时心血管反应；如此往复，直至血量减少量达到25%。
结 果
仿真结果表明，不同程度的血容量减少后，心血管系统在LBNP作用约3 min后达到稳定状态。稳定后的心率和血压变化特点如下：
心率的变化
图1是不同程度的血容量减少后不同强度的LBNP暴露时HR的变化。由图可见，在相同的LBNP暴露时，血容量减少愈多，HR增加也愈多；在血容量减少一定时，LBNP暴露值愈大，HR增加也愈多。当血容量减少较小(低于5%)时，HR随着LBNP的增加量变化很小；当血容量减少超过约15%后，即使LBNP较低，HR也增加很快。例如，当血容量减少5%，LBNP为0时，HR为76 bpm；LBNP为-20 mmHg时，HR为88 bpm。当血容量减少20%，LBNP为0时，HR为96 bpm；LBNP为-20 mmHg时，HR则为132 bpm。
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图1 血容量减少对卧位下体负压时心率变化的影响
Fig.1 The effects of hypovolemia on HR changes during supine-LNBP
血压的变化
收缩压 仿真结果表明，SBP随着血容量减少而明显降低(图2)。在血容量减少变化<10%时，LBNP虽增加，但SBP变化较小。但是，在血容量减少变化>15%后，SBP随着LBNP增加而大幅度降低。
舒张压 结果显示，LBNP时，舒张压的变化与血容量的减少量十分密切。图3可以明显地看到，当血容量减少量变化<15%时，LBNP暴露时，DBP不变，或者稍有增加；但是，当血容量减少幅度大于这个界限后，DBP随着LBNP的增加大幅度降低，并且其变化率很大，系统有失去稳定性的趋势。
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图2 血容量减少对卧位下体负压时收缩压变化的影响
Fig.2 The effects of hypovolemia on SBP changes during supine-LBNP
图3 血容量减少对卧位下体负压时舒张压变化的影响
Fig.3 The effects of hypovolemia on DBP changes during supine-LBNP
讨 论
在生理状态下，循环血容量与血管容积相适应，这是形成血压的前提，也是影响血压的重要因素，两者相适应才能足够地充盈，产生一定的体循环充盈压[7]。在正常情况下，循环血容量的变化不大，因而不是使血压升降的主要原因[7]。通常，如果血容量减少不超过20%，心血管系统通过一系列的调节作用后，仍可维持血管的充盈状态，心率加速，血压正常，脉压缩小；如果血容量减少在20%～40%范围时，人体处于中度休克状态[8,9]。本文的仿真结果中，血容量减少20%，没有LBNP暴露(LBNP为0)时，HR为96 bpm，SBP为104 mmHg，DBP为78 mmHg，处于正常状态；在血容量减少达到25%时，同样没有LBNP暴露，HR已达116 bpm，SBP降至97 mmHg，说明心血管系统有一定程度的障碍。仿真结果符合临床观察结果。仿真结果还表明，当血容量减少为5%以下、受到立位应激时，心血管系统完全可以通过其调节作用维持自身的稳定。但血容量减少超过15%时，尽管在无立位应激时系统可以保持稳定，但是一旦受到(即使是较低强度的)立位应激作用时，血压将迅速下降，系统就无法维持血压的稳定。这个结果与Weissler、Warren的人体实验结果一致[5]。
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采用数学模型仿真失血后的生理、病理反应以及失血后的急救治疗措施的方法并不罕见。Silbergleit等[10]建立了出血容量与血压关系的非控制性出血模型；Simpson等[11]建立了一个大失血及大失血后急救的交互式计算机模型。诸如此类模型还有一些，但这些模型都是针对失血后临床方面的研究，都是在安静平卧位状态下、没有体位改变或其它立位应激下心血管系统的反应。
相对而言，用建模仿真的方法探讨航天中有关血容量变化的研究较少。Srinivasan、Simanonok和Charles等人合作，应用Guyton模型研究了微重力下体液丢失的生理机制[12]、航天前为防止飞行中血液的过度头向转移而进行预适应(preadaption)方法(抽取一定量的血液)的可行性[13,14]，以及作为对抗航天飞行后立位耐力降低措施—充液法(注入一定量的盐水或者含有血管加压素的盐水)的效果等方面的仿真研究[15,16]。目前还没有关于不同程度的血容量减少(或失血)对心血管系统的立位应激反应的影响的系统研究。
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与动物和人体实验相比，数学模型进行生理学仿真实验的一个突出特点就是可以在复杂系统中，不改变其它因素，单独改变一个或几个因素的控制参数，仿真研究系统对这些改变的反应[17]。在本节的仿真实验中，我们以血容量为变化参数，考察不同程度的血容量减少后，在LBNP时血液动力学变化。在仿真中，模型中其它人体参数(如静脉系统顺应性、压力反射系统等)都没有改变。
本文所采用的仿真模型已经人体实验所验证[3]，而且一些仿真结果与临床观察结果相符[8,9]。因此，我们认为，本文的仿真结果真实地反映了立位应激时心血管系统的反应与失血之间的变化关系。
总之，仿真研究结果表明，血容量的减少，改变了立位应激时正常的血液分配，加重了心血管系统的负荷，将导致心血管系统对立位应激反应的改变。这种改变与血容量减少变化密切相关。当血容量减少变化在总血容量的5%以下时，立位应激时血压、心率变化受血容量减少的影响较小；当血容量减少超过15%时，心血管系统已不能通过其反射调节作用保持系统在受到立位应激时血压的稳定，将发生不同程度的立位性低血压。失重/模拟失重后血容量减少恰为10%～15%。因此，本仿真结果支持关于血容量减少是导致航天飞行后心血管失调和立位耐力降低主要的原因和必要条件的观点。
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[参考文献]
[1] Watenpaugh DE，Hargens AR.The cardiovascular system in microgravity[C].In:Fregly MJ,Blatteis CM eds.Handbook of Physiology:Environmental Physiology Ⅲ:The Gravitational Environment 1:Microgravity,New York:Oxford University Press,1996:631～674
[2] ZHANG Li-fan.Review and perspective on research in microgravity cardiovascular physiology[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998,11:378～382
, 百拇医药
张立藩.微重力心血管生理研究的回顾与展望[J].航天医学与医学工程,1998,11:378～382
[3] HAO Wei-ya,WU Xing-yu,ZHANG Li-fan et al.Computer simulation of cardiovascular response to lower body negative pressure[J].Space Medicine & Medical Engineering,1999,12(4):262～266
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，1999,12(4):262～266
[4] Smith JJ,Porth JM.Posture and the circulation:the aging effect[J].Exp Gerontol,1991,26:141～162
, http://www.100md.com
[5] Boyers DG,Cuthbertson JG,Luetscher JA.Simulation of the human cardiovascular system:a model with normal responses to change of posture,blood loss,transfusion,and autonomic blockade[J].Simulation,1972,18:197～205
[6] Melchior FM,Srinivasan RS,Charles J.Mathematical modeling of human cardiovascular system for simulation of orthostatic response[J].Am J Physiol,1992,262:H1920～H1933
[7] 陈宜张，藏益民.生理学[M].上海:上海科学技术出版社,1992:155～244
, http://www.100md.com
[8] 徐文怀，张文杰.外科学[M].北京:北京医科大学 中国协和医科大学联合出版社,1995:21～32
[9] Liu Huaiqiong.The principle of treatment for hemorrhagic shock induced by trauma[J].China Journal of Anesthesiology,1998,18(5):318～320
刘怀琼.创伤失血性休克的救治原则[J].中华麻醉学杂志,1998,18(5):318～320
[10] Silbergleit R,Satz W,McNamara RM et al.A new model of uncontrolled hemorrhage that allows correlation of blood pressure and hemorrhage[J].Acad Emerg Med 1996 ,3(10):917～921
, http://www.100md.com
[11] Simpson SH,Menezes G,Mardel SN et al.A computer model of major haemorrhage and resuscitation[J].Med Eng Phys,1996 ,18(4):339～343
[12] Simanonok KE,Srinivasan RS,Charles.Physiologic mechanisms effecting circulatory and body fluid losses in weightlessness as shown by mathematical modeling[J].Physiolgist,1993,36(1 suppl):S112～S113
[13] Simanonok KE,Srinivasan RS,Charles.A computer simulation of preadaption of the circulation by removal of different blood volumes to couteract central fluid shifts[J].Physiolgist,1992,35(1 suppl):S165～S168
, 百拇医药
[14] Simanonok KE,Srinivasan RS,Myrick EE et al.A comprehensive Guyton model analysis of physiologic response to preadapting the blood volume as a countermeasure to fluid shifts[J].J Clin Pharmacl,1994,34:440～453
[15] Srinivasan RS,Simanonok KE,Fortney SM et al.Simulation of the fluid retention effects of a vasopressin analog using the Guyton model of circulation[J].Physiolgist,1993,36(1):S114～S115
[16] Srinivasan RS,Simanonok KE,Charles.Computer simulation analysis of the effects of countermeasure for reentry orthostatic intolerance[J].Physiolgist,1992,35(1 suppl):S165～S168
[17] HAO Weiya,WU Xingyu,ZHANG Lifan.Mathematical modeling of human cardiovascular system for simulation of orthostatic response[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998,11(6):455～459
郝卫亚,吴兴裕,张立藩.心血管系统数学模型及其在立位应激中的应用[J].航天医学与医学工程,1998,11(6):455～459.
收稿日期：1999-09-27, 百拇医药