王漢青，趙金萍，陳娟

（湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南株洲412007）

重力應(yīng)激下心血管循環(huán)系統(tǒng)建模仿真研究進(jìn)展

王漢青，趙金萍，陳娟

（湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南株洲412007）

重力應(yīng)激通過(guò)改變血液流體靜壓對(duì)人體心血管循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。了解心血管循環(huán)系統(tǒng)在不同重力應(yīng)激下的工作機(jī)制，有利于建立合理有效的防護(hù)措施?？偨Y(jié)了人體心血管循環(huán)系統(tǒng)的建模方法，回顧了適用于重力應(yīng)激下的心血管循環(huán)系統(tǒng)模型的發(fā)展進(jìn)程，闡述了重力變化對(duì)心血管循環(huán)系統(tǒng)影響的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了作者的研究成果，并指明了未來(lái)的研究發(fā)展方向。

心血管循環(huán)系統(tǒng)；數(shù)學(xué)模型；重力應(yīng)激；建模仿真；熱舒適

0 引言

人體心血管循環(huán)系統(tǒng)負(fù)責(zé)向組織、器官輸送用于新陳代謝的O2和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是維持人體各項(xiàng)生理機(jī)能正常運(yùn)行的重要保障[1]。由于人類(lèi)長(zhǎng)期在地球上生活，心血管循環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)適應(yīng)了1 G的重力環(huán)境，所以當(dāng)重力改變時(shí)，血液的流體靜壓將會(huì)隨之改變甚至消失，進(jìn)而對(duì)心血管循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。隨著人類(lèi)進(jìn)入宇宙空間機(jī)會(huì)的增多以及停留時(shí)間的延長(zhǎng)，失重環(huán)境下人體心血管循環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者的重視。失重條件下血液的重新分布會(huì)影響人體的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)，改變?nèi)梭w溫度分布，使航天員處于不舒適狀態(tài)，進(jìn)而降低工作效率、危害航天員的身體健康。因此，研究失重/微重力環(huán)境對(duì)人體心血管循環(huán)系統(tǒng)各項(xiàng)生理參數(shù)的影響以及各參數(shù)隨重力改變的變化規(guī)律，對(duì)于預(yù)防重力變化對(duì)人體心血管循環(huán)系統(tǒng)的不良影響，提高航天飛行員的健康舒適以及保證正常工作能力具有重要意義。國(guó)內(nèi)外的研究表明，對(duì)心血管循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真是研究心血管系統(tǒng)受內(nèi)外環(huán)境變化以及各種生理、病理狀態(tài)影響的有效手段。

心血管循環(huán)系統(tǒng)由心臟、動(dòng)脈、毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)及靜脈構(gòu)成。血液循環(huán)分為體循環(huán)和肺循環(huán)，機(jī)體通過(guò)神經(jīng)和體液機(jī)制對(duì)心血管循環(huán)系統(tǒng)的活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)各器官間的血液分配，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行[2]，重力對(duì)于心血管循環(huán)系統(tǒng)的影響通過(guò)改變血液的流體靜壓實(shí)現(xiàn)[3]。近年來(lái)，不同重力應(yīng)激對(duì)心血管循環(huán)系統(tǒng)模型的影響成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。本文總結(jié)了人體心血管循環(huán)系統(tǒng)的建模方法，回顧了適用于重力應(yīng)激下的心血管循環(huán)系統(tǒng)模型的發(fā)展進(jìn)程，闡述了重力變化對(duì)心血管循環(huán)系統(tǒng)影響的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了存在的問(wèn)題與解決方法以及未來(lái)的發(fā)展方向。

1 心血管循環(huán)系統(tǒng)的建模方法

目前，主要通過(guò)臨床試驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及建模仿真等方法研究人體心血管循環(huán)系統(tǒng)。臨床試驗(yàn)方法直接對(duì)人體進(jìn)行測(cè)量和試驗(yàn)，盡管此種方法最準(zhǔn)確和直觀，但是不可避免地受到了倫理道德和設(shè)備技術(shù)手段上的限制；某些生理參數(shù)不可能在人體活體上直接測(cè)量，而間接測(cè)得的許多生理參數(shù)不能保證其準(zhǔn)確性，這些成為臨床試驗(yàn)方法無(wú)法規(guī)避的弊端。由于人體與動(dòng)物在結(jié)構(gòu)、生理上存在差異，因此動(dòng)物實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)可信度較低，不能用于分析人體相應(yīng)參數(shù)的變化規(guī)律。而仿真模型不僅可以突破上述兩種方法的限制，而且能模擬完成極端條件下的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)事件的預(yù)測(cè)[4]。

心血管循環(huán)系統(tǒng)的建模仿真方法主要包括電網(wǎng)絡(luò)模型法、鍵合圖法、有限元分析法以及系統(tǒng)辨識(shí)法等[5]。電網(wǎng)絡(luò)模型法的理論基礎(chǔ)是利用電氣網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性類(lèi)比于流體網(wǎng)絡(luò)，用電學(xué)量表示血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)，用電路理論中的基爾霍夫定律描述血液循環(huán)系統(tǒng)各血管間的串/并聯(lián)關(guān)系，建立血液循環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)模型；鍵合圖法以圖形方法來(lái)描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，是對(duì)流體力學(xué)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真時(shí)有效的建模方法；有限元分析法主要用于非線性系統(tǒng)，要求對(duì)系統(tǒng)的有關(guān)生理、解剖及物理參數(shù)有詳盡的了解，可用于準(zhǔn)確模擬整個(gè)心血管循環(huán)系統(tǒng)；系統(tǒng)辨識(shí)法的理論基礎(chǔ)是系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)，建模過(guò)程中把整個(gè)系統(tǒng)看作一個(gè)非線性黑箱，利用參數(shù)辨識(shí)方法分析估計(jì)系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[5]。利用建模仿真方法研究人體心血管循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，已成為近年來(lái)心血管系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢(shì)。

2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

為模擬重力應(yīng)激對(duì)人體心血管循環(huán)系統(tǒng)的影響，需要在原有心血管循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中引入重力對(duì)血流靜壓的影響。David G. Boyers等人[6]通過(guò)改進(jìn)A. C. Guyton等人[7]提出的心血管系統(tǒng)模型，建立了能用于模擬體位變化對(duì)人體心血管系統(tǒng)生理參數(shù)影響的集總參數(shù)模型。模型由心血管受控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，受控系統(tǒng)由手臂模塊、內(nèi)臟模塊、腿部模塊、外周組織模塊、靜脈腔以及右心模塊、肺循環(huán)系統(tǒng)以及左心模塊及動(dòng)脈系統(tǒng)模塊7部分構(gòu)成，模型中血液分布受自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，通過(guò)接收動(dòng)脈壓及肺部血容量的變化信號(hào)，調(diào)節(jié)心輸出量及外周血管阻力及順應(yīng)性。該模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)心輸出量、心率、每搏輸出量、血容量及動(dòng)脈壓力等參數(shù)在不同體位時(shí)的穩(wěn)態(tài)值。

Francois M. Melchior等人[8-9]總結(jié)了模擬立位應(yīng)激需要考慮的生理機(jī)制及已有模型的解決方法。心血管循環(huán)系統(tǒng)模型分為血液動(dòng)力學(xué)模型即受控系統(tǒng)，反射控制系統(tǒng)。血液動(dòng)力學(xué)模型主要考慮血管的壓力-血流量關(guān)系及壓力-容積關(guān)系、心臟泵血作用、血管床局部循環(huán)的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用、毛細(xì)血管壁滲透性以及血管外壓力對(duì)血管半徑的影響；反射控制模型大多為經(jīng)驗(yàn)式，主要有S曲線模型、積分器模型及線性-非線性函數(shù)模型。S曲線模型將外周阻力、心臟收縮性及心率的變化集總為一個(gè)壓力信號(hào)，頸動(dòng)脈壓力感受器通過(guò)反饋壓力信號(hào)直接調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)脈壓力，該信號(hào)與系統(tǒng)動(dòng)脈壓力的關(guān)系為一條S型曲線；積分器模型將中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）視作積分器，根據(jù)CNS激發(fā)水平將輸入壓力信號(hào)積分為單位函數(shù)（unique function）作用到受控位置；線性-非線性函數(shù)模型分別考慮心率、心臟收縮性、動(dòng)脈阻力及靜脈緊張度對(duì)系統(tǒng)動(dòng)脈壓力的反射控制作用、建立線性/非線性函數(shù)。由于S曲線模型中各影響因素集總為一個(gè)壓力信號(hào)，模型的物理意義不明顯，而積分器模型的建立理論依據(jù)不充分，且作者沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的正確性，所以線性-非線性函數(shù)模型因其以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、控制機(jī)理清晰而得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)以上理論基礎(chǔ)及建模方法建立了用于0～40 mmHg下體負(fù)壓（lower body negative pressure，LBNP）條件下心血管系統(tǒng)短期響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值一致。未來(lái)模型的發(fā)展應(yīng)致力于擴(kuò)大適用范圍，使同一模型能夠用于預(yù)測(cè)不同模擬失重條件下心血管循環(huán)系統(tǒng)的生理響應(yīng)，有助于找出系統(tǒng)在各種立位應(yīng)激下生理參數(shù)變化的區(qū)別。

為了模擬心血管循環(huán)系統(tǒng)在不同立位應(yīng)激下的短期瞬態(tài)響應(yīng)行為，Thomas Heldt等人[10-12]建立了十二腔集總參數(shù)模型代表血液動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)考慮動(dòng)脈壓力反射作用和心肺反射作用，分別仿真頭上位傾斜（head up tilt，HUT）、臺(tái)架試驗(yàn)（stand test）及LBNP條件下的血液動(dòng)力學(xué)瞬態(tài)響應(yīng)。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，該模型在上述立位應(yīng)激下均有較高的準(zhǔn)確性，因而可用于重力應(yīng)激防護(hù)措施的研究開(kāi)發(fā)。

考慮到呼吸時(shí)血液中氧氣與二氧化碳含量的變化均會(huì)影響局部血管的阻力，F(xiàn)ranz Kappel等人[13]將心血管系統(tǒng)與呼吸系統(tǒng)結(jié)合，模擬了LBNP條件下系統(tǒng)阻力、非壓力靜脈容積、靜脈順應(yīng)性、心率以及心臟收縮性等參數(shù)的變化規(guī)律及其相互作用，并且與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，得知該模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)各參數(shù)變化趨勢(shì)以及變化范圍，得出心血管循環(huán)系統(tǒng)主要通過(guò)非壓力容積即血管順應(yīng)性的變化消除LBNP影響的結(jié)論。

K. Van Heusden等人[14]在心血管循環(huán)系統(tǒng)模型中引入了生物力學(xué)的觀點(diǎn)，考慮靜脈血管的粘彈性應(yīng)力松弛行為的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了HUT初期心血管循環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)情況。當(dāng)人體頭上位傾斜某一角度時(shí)，靜脈由于所受重力作用減小，因此血壓及血管容量降低，應(yīng)力松弛作用能夠減緩靜脈血管壁在血壓降低初期的收縮作用，在一定程度上降低血管容量下降速度。模擬得到在頭上位傾斜前30 s，調(diào)節(jié)動(dòng)脈血壓的主要因素是下體靜脈淤積（venous pooling）作用，而非壓力反射作用。了解體循環(huán)系統(tǒng)中靜脈系統(tǒng)的生理機(jī)制有助于研究HUT時(shí)動(dòng)脈壓力的瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)律。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)對(duì)重力應(yīng)激下心血管循環(huán)系統(tǒng)的研究起步較晚，其中最具代表性的是清華大學(xué)的白凈。1988年，Jaron和白凈建立了用于加速應(yīng)力下的心血管系統(tǒng)模型，此后在該模型基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)。利用改進(jìn)模型仿真了人體在LBNP時(shí)血壓和心率的變化，結(jié)果與同步進(jìn)行的人體LBNP實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合；仿真研究了立位應(yīng)激時(shí)血容量降低對(duì)血壓、心率和休克指數(shù)的影響，證明血容量降低是引發(fā)人體失重后立位耐力不良的主要因素之一[15]。馮岱雅等人[16]依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)人體生理參數(shù)，建立了適用于各種重力環(huán)境下的人體心血管系統(tǒng)仿真模型，仿真模擬了失重條件下人體腦血流量與血壓的變化，分析血容量降低對(duì)人體心血管系統(tǒng)的影響，為研究失重對(duì)人體心血管功能的影響及其機(jī)制提供了新的思路和方法。劉洋等人[17]建立了分布式心血管系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)調(diào)整重力沿血管方向的分量模擬人體不同的傾斜角度，研究?jī)A斜角度變化對(duì)人體心血管系統(tǒng)運(yùn)行的影響。結(jié)果表明隨著傾斜角度的增加，血管的平均血壓近似呈現(xiàn)指數(shù)變化趨勢(shì)，仿真結(jié)果與相關(guān)的人體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。該模型在模擬仿真人體心血管循環(huán)系統(tǒng)對(duì)于傾斜測(cè)試中角度變化的瞬態(tài)響應(yīng)方面具有較好的適用性，但是由于人們?cè)絹?lái)越需要長(zhǎng)時(shí)間停留在失重或模擬失重環(huán)境中，需要考慮長(zhǎng)期失重使心血管系統(tǒng)產(chǎn)生的適應(yīng)性變化，所以需要將心臟與血管功能和結(jié)構(gòu)的慢性適應(yīng)變化、神經(jīng)-體液調(diào)節(jié)以及血容量調(diào)節(jié)等機(jī)制耦合進(jìn)來(lái)。

2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，心血管循環(huán)系統(tǒng)模型已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。醫(yī)學(xué)研究中采用傾斜測(cè)試（tilt test）檢測(cè)血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)的響應(yīng)行為，用于心血管系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)以及病癥診斷。Virginie Le Rolle等人[18]通過(guò)耦合心室模型、循環(huán)系統(tǒng)模型以及自主神經(jīng)系統(tǒng)模型，并且利用進(jìn)化算法辨識(shí)具體患者的生理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)糖尿病患者在傾斜測(cè)試中的心率變異（heart rate variability，HRV）以及迷走神經(jīng)、交感神經(jīng)活動(dòng)水平的預(yù)測(cè)。該模型不僅能夠準(zhǔn)確地模擬不同患者的HRV，進(jìn)而評(píng)估患者自主神經(jīng)系統(tǒng)損傷程度，而且可以用于疾病治療手段有效性的預(yù)測(cè)。Einly Lim等人[19]基于13位健康者的傾斜測(cè)試數(shù)據(jù)建立了心血管循環(huán)系統(tǒng)模型，模擬健康者與充血性心力衰竭患者在不同角度傾斜測(cè)試中心血管系統(tǒng)的血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。為了能將模型用于充血性心力衰竭患者，原有模型中降低了心臟收縮性，增大了肺循環(huán)及體循環(huán)的基本阻力，增大了總血容量，同時(shí)降低了壓力反射系統(tǒng)敏感度，因此保證了平均動(dòng)脈壓、平均左心房壓力、平均肺動(dòng)脈壓力、平均中央靜脈壓力、心率、每搏量及心輸出量等參數(shù)的預(yù)測(cè)值在試驗(yàn)值范圍內(nèi)。結(jié)果表明，與健康者相比，充血性心力衰竭患者進(jìn)行傾斜測(cè)試時(shí)，心率及體血管阻力的增加幅度較小，而左心室舒張末期血容量、心輸出量及每搏量下降幅度均減小，并且各參數(shù)響應(yīng)明顯滯后。

心血管循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行在軍事活動(dòng)中尤為重要。軍用機(jī)飛行員或特技飛行員在飛行中受加速度變化影響時(shí)，心血管循環(huán)系統(tǒng)將受到極大考驗(yàn)，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)阻礙飛行員的安全操作。預(yù)測(cè)飛行員在特定飛行演習(xí)中血壓、心率等心血管系統(tǒng)響應(yīng)的變化規(guī)律，有助于合理設(shè)計(jì)演習(xí)方案。Liu Yang等人[20]建立了分布式心血管系統(tǒng)模型，并模擬進(jìn)行推拉動(dòng)作（push-pull maneuver，PPM）時(shí)頸動(dòng)脈壓力反射作用對(duì)+Gz耐力的影響，以及推拉效應(yīng)（push-pull effect，PPE）引發(fā)的交感神經(jīng)響應(yīng)行為。比較PPM飛行及對(duì)比飛行（control run）下的模擬結(jié)果，可知這兩種情況下，縮短頸動(dòng)脈壓力反射的延遲時(shí)間及增大增益系數(shù)對(duì)+Gz耐力的影響基本一致，即PPE不會(huì)影響頸動(dòng)脈壓力反射功能；PPM模式主要由預(yù)設(shè)G值、“推”階段初始速度、“推”階段G值及時(shí)長(zhǎng)、“拉”階段初始速度以及“拉”階段G值6個(gè)參數(shù)描述，預(yù)測(cè)比較不同模式下PPM中交感傳出神經(jīng)脈動(dòng)頻率發(fā)現(xiàn)，“推”“拉”階段的G值是輸出脈動(dòng)頻率的重要影響因素。

在航空航天領(lǐng)域，飛行后立位耐力（postfligt orthostatic intolerance, POI）限制了宇航員著陸時(shí)處理突發(fā)狀況的能力，并且減緩了飛行后工作能力的恢復(fù)，成為亟待解決的問(wèn)題。Justin Broskey和M. Keith Sharp[21]建立了包含心臟/肺、體動(dòng)脈、頭靜脈、中央靜脈及尾靜脈的五腔模型，研究了立位耐力對(duì)心血管系統(tǒng)的影響，得到毛細(xì)血管濾過(guò)作用（capillary filtration）是引發(fā)POI的主要因素。通過(guò)降低毛細(xì)血管滲透性及激發(fā)血容量代償機(jī)制可以減輕POI現(xiàn)象，而后者的作用明顯優(yōu)于前者，為防護(hù)措施的開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)。

3 作者研究成果

筆者以Mauro Ursino[22]建立的心血管循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，引入重力變化對(duì)心血管靜脈壓的影響，利用體位變化來(lái)模擬重力變化對(duì)靜脈壓的影響，利用Simulink/Matlab建立包含左心模塊、右心模塊、體循環(huán)模塊、肺循環(huán)模塊及神經(jīng)控制模塊的數(shù)字仿真模型。分別模擬正常重力環(huán)境、失重環(huán)境及微重力環(huán)境下人體心血管基本生理參數(shù)的響應(yīng)，為研究重力改變時(shí)人體熱舒適程度的變化奠定了基礎(chǔ)。

體動(dòng)脈壓力、左右心室壓力、左心室容積及左右心室血流量在失重與微重力環(huán)境下的波形與正常重力環(huán)境下基本一致（見(jiàn)圖1至圖6）。其中人體的收縮壓與舒張壓在失重環(huán)境下分別為112.62 mmHg及66.06 mmHg，在微重力環(huán)境下分別為112.64 mmHg及66.09 mmHg。與正常重力環(huán)境下的模擬結(jié)果對(duì)比，失重環(huán)境下人體舒張壓降低14.86 mmHg，收縮壓降低4.85 mmHg，馮岱雅[16]通過(guò)建模仿真得到失重條件下人體舒張壓與收縮壓相比正常重力環(huán)境下分別降低17 mmHg及3 mmHg，與本文結(jié)果基本一致。另外圖1顯示了人體心動(dòng)周期隨重力減小而增大，即正常重力環(huán)境下人體心率較失重環(huán)境下升高。

圖1 不同重力環(huán)境下體動(dòng)脈壓力-時(shí)間仿真曲線Fig.1Emulational curves of systemic arterial pressure-time under different gravitional conditions

圖2 不同重力環(huán)境下左心室壓力-時(shí)間仿真曲線Fig.2Emulational curves of left ventricle pressure-time under different gravitional conditions

圖3 不同重力環(huán)境下右心室壓力-時(shí)間仿真曲線Fig.3Emulational curves of right ventricle pressure-time under different gravitional conditions

圖4 不同重力環(huán)境下左心室容積-時(shí)間仿真曲線Fig.4Emulational curves of left ventricle volume-time under different gravitional conditions

圖5 不同重力環(huán)境下左心室血流量仿真曲線Fig.5Emulational curves of left ventricle blood flow rate under different gravitional conditions

圖6 不同重力環(huán)境下右心室血流量仿真曲線Fig.6Emulational curves of right ventricle blood flow rate under different gravitional conditions

左心室壓力的變化范圍在失重及微重力環(huán)境下分別為4.04 ～ 137.62 mmHg及4.03～137.61 mmHg（見(jiàn)圖2）；右心室壓力在失重條件下為2.42 ～28.22 mmHg。

微重力環(huán)境下為2.42～ 28.20 mmHg（見(jiàn)圖3）。與正常重力環(huán)境下相比較，二者的變化范圍均會(huì)隨著重力的減小而增大，即失重條件下人體左右心室壓力均升高。

由圖4可知，左心室容積隨著重力減小而增大。當(dāng)人體處于失重環(huán)境中時(shí)，左心室容積為54.25～136.37 mL，微重力環(huán)境下為54.24～ 136.36 mL，相比于正常重力環(huán)境下的50.65～ 111.15 mL，有了大幅度升高。由于左心室容積的最大值與最小值之差為心臟每搏輸出量，因此由圖4亦可知重力減小將引起每搏輸出量增大。

與左心室容積的變化趨勢(shì)相同，左右心室血流量在重力減小時(shí)同樣呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)。由圖5及圖6可知，失重條件下左心室血流量最大值為717.45 mL/ min，微重力環(huán)境下為716.18 mL/min，較正常重力環(huán)境下的579.55 mL/min分別升高了137.90 mL/min及136.63 mL/min；右心室血流量在失重與微重力環(huán)境下的最大值分別為486.71 mL/min及486.65 mL/min，相對(duì)正常重力條件下分別升高59.20 mL/min及59.14 mL/ min，相比左心室血流量升高幅度較小。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外適用于重力應(yīng)激下的心血管循環(huán)系統(tǒng)模型的總結(jié)分析，得出如下結(jié)論：

受試驗(yàn)條件所限，特定疾病患者的生理參數(shù)無(wú)法獲得，阻礙了心血管循環(huán)系統(tǒng)模型在病理分析及疾病防護(hù)措施研發(fā)等方面的發(fā)展。采用模糊辨識(shí)等方法獲得具體生理參數(shù)，建立適用于特定患者的心血管循環(huán)系統(tǒng)模型，將是這一問(wèn)題的有效解決辦法。

心血管模型正朝著功能多樣化的方向發(fā)展，不僅能用于研究心血管系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制以及重力應(yīng)激下的防護(hù)措施，也能用于預(yù)測(cè)患者心血管疾病的發(fā)展過(guò)程，還可以用于測(cè)試醫(yī)療儀器的臨床應(yīng)用效果。

目前少有重力變化對(duì)人體熱舒適影響的研究，因此，模擬失重/微重力環(huán)境下人體各部位血液分布，有助于深化對(duì)失重條件下人體熱舒適機(jī)理的認(rèn)識(shí)，建立失重/微重力環(huán)境下人體熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而提高航天飛行過(guò)程中人體的熱舒適程度并建立相應(yīng)的熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)。

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（責(zé)任編輯：申劍）

Modeling and Simulation of Cardiovascular System under Gravitational Stress

Wang Hanqing，Zhao Jinping，Chen Juan
（School of civil Engineering, Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Cardiovascular system is affected by blood hydrostatic pressure change due to gravitational stress. To understand the mechanism of cardiovascular system under gravitational stress is helpful for countermeasures developing. Summarizes the cardiovascular system modeling methods, reviews the model development progress, expounds the research and application status of effects of gravity changes on cardiovascular system, introduces the authors' research achievements, and finally points out the research trend of cardiovascular circulation system modeling and simulation.

cardiovascular system；mathematical model；gravitational stress；modeling and simulation；thermal comfort

Q463；TU83

A

1673-9833(2014)03-0099-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.03.020

2014-02-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51276057），湖南省研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX2013B411）

王漢青（1963-），男，湖南益陽(yáng)人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事室內(nèi)空氣品質(zhì)計(jì)算機(jī)仿真及建筑環(huán)境與設(shè)備節(jié)能技術(shù)方面的研究，E-mail：hqwang2011@126.com