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心血管可变性与脑心肺功能综合检测技术王卫东解放军总医院生物医学工程研究室摘要：心血管系统生理参数的可变性心率和血压的交变性及其起因受到了人们的广泛注意，并出现了越来越多的研究论文，也出现许多关于心率和血压交变性与心血管疾病、死亡率和自主神经系统品质关系的研究1。这些研究表明了，心血管系统生理参数的可变性分析具有潜在的意义，但是关于一些问题的认识还没有得到统一，甚至存在严重的分歧。本文陈述了心血管可变性中的问题，围绕这些问题我们对这些问题给予了澄清。在此基础上，我们讨论了脑心肺功能综合检测的可能性。关键词:心血管系统,cardiovascular system,可变性,Variability,心率,Heart rate(HR),血压,Blood Pressure(BP).1 引言关于心率与血压的逐跳波动现象很早就有描述，如呼吸窦性心律不齐(RSA)，又如血压波动中的 Traube-Hering 波(1876)等。早在 1876 年美国科学家 Mayer 就描述了心血管系统中血压振荡的测量纪录，这种血压振荡通常被称为 Mayer 波(Mayer wave)。这是一个非常有趣的事按照现在的研究方法来检验 Meyer 原始论文，因为人体中 0.1 Hz通常被称为 Mayer波。Meyer 的实验动物模型是麻醉自发呼吸的野兔，他在实验中发现，血压出现显著的振荡，其幅度在 15-40mmHg。有几点理由表明，这些振荡与我们所 Meyer 名字命名的振荡在病因学上是不太可能相同的。第一，Meyer 所观察到的血压振荡频率为 0.05Hz，然而，在野兔的实验中交感神经调节的血压振荡频率为 0.3Hz。第二，如此慢的血压振荡频率一般在低血压或衰竭开始的条件下能够被观察到，这种振荡的起因通常被认为是肌源性的。第三，在麻醉野兔的实验中，交感神经调节的血压振荡从来没有被报道过，但是，在清醒野兔的实验中，的确存在幅度为 5mmHg 的血压振荡。人们广泛关注在心血管可变性中压力感受器和交感神经对心血管的振荡调节作用。在心血管可变性重新受到关注之前，在 Meyer 发现的 75 年之后，1951 年 Guyton 和 Harris 提出了“血管舒缩波”(vasomotor waves)的术语2，其意思是一种与呼吸无关的血压振荡。这种振荡在动物失血 20%至 25%的情况下更加明显，重要的是，压力感受器(baroreceptor)去除和脊柱麻醉使得这种振荡消失。与Meyer 工作的相同之处是该振荡周期为 15 至 30 秒，即振荡频率为 0.03 至 0.06Hz，因此这比交感神经系统相关的血压振荡慢得多得多，此外，这种振荡的幅度在 20 至 40 mmHg 之间。尽管 Guyton 和他的同事们确信这种血压振荡起因于自主神经系统，但是压力感受器去除和脊柱麻醉相关的血压振动强度的减小本身并不能说明该振荡是自主神经系统产生的。大量的动物和人体实验研究已经确立了与自主神经系统相关的血压和心率振动的两个清楚的频带。这些频带一个与呼吸相关的振荡，一个较慢频率为在人体中0.1Hz的振荡。一种关于心率可变性的研究方法3,4,5已经能够计算两个频带内能量的比值，并用于评价交感-迷走神经平衡的指标。随后，出现了大量的在不同条件下关于交感-迷走神经的平衡变化的报道，这些报道涉及到麻醉、睡眠和月经周期等方面。但是，因此产生了关于这一指标有效性的种种争议。在血压和心率中的慢振荡，就是常指的低频成分，是在心血管可变性研究中最富有争议的方面。有两个完全不同的观点：第一，心率和血压的频谱分析能够提供关于交解放军总医院创新基金通信作者：王卫东，感和副交感神经品质的有用标志6,7。第二，心率和血压很大程度上是压感反射增益8,9。2 心血管可变性的数学模型A.心血管可变性的生理模型心血管可变性包含着血压和心率可变性，这两个可变性又分别涉及呼吸相关的振荡和心血管相关的振荡(慢振荡)两个方面。所谓呼吸相关的心血管可变性就是指血压和心率与呼吸振荡相关的变化，如呼吸和心率的关联性就是呼吸窦性节律不齐(RSA,Respiratory SinusArrhythmia)；所谓心血管相关的心血管可变性是指血压和心率与呼吸振荡无关的变化，而与自主神经系统、压感反射(baroreflex)和血管平滑肌相关的变化，这是一种比呼吸慢得多的振荡，简称慢振荡。关于血压慢振荡，由于高位脊椎截瘫和神经节阻断能够导致血压慢振荡的消失，所以血压慢振荡涉及到交感神经作用是一个普遍被接受观点。关于慢振荡争论的焦点在于动脉血管压力感受器是否也参与了血压慢振荡的产生。现在有足够的实验证据支持两个完全相左的论点，中枢振荡模型支持压感反射没参与慢振荡的调节，压力感受器反馈模型支持压感反射参与了慢振荡的调节。心血管可变性的起因仍存在众多争议，从心血管系统的角度还不能完全说个清楚。但是，在某些方面又能说得很明白。就血压可变性来说，出现在血压中的呼吸振荡起因于呼吸引起的胸腔和腹腔运动产生的静脉血管和心腔压力的周期性变化，从而产生静脉回流、心脏输出和血压的变化。另一方面，呼吸引起的血压变化能够被压力感受器所检测，并传至自主神经系统从而控制心脏，所以呼吸振荡节律也会出现在心律变化中。就心率可变性来说，出现在心律中的呼吸振荡除了起因于在血压中的呼吸振荡的间接作用外还与自主神经系统相关。由于在呼吸频率下自主神经系统中慢变的交感神经活动对心脏的影响能力是有限的，所以通常认为呼吸相关的心率振荡是由快变的迷走神经活动直接调节产生的。另一种说法是，心率不是固有包含呼吸相关的振荡节律，没有呼吸这种振荡也会出现在血压中，而是一种压感反射功能。但是，在动物和人体实验得到了较好的证据，窦性心律不齐的主要原因呼吸对心脏迷走运动神经元的(Cardiac Vagal Motor Neurons)推进力的神经中枢耦合机制。人体的屏气和深呼气实验可以证明呼吸系统对心率作用的中枢耦合机制，在实验中在没有呼吸运动的情况下心律的变化也会发生。在一些条件下，如心房起搏，呼吸引起的心率振荡通过直接馈送方式贡献于血压振荡，所以阻滞迷走神经后呼吸引起的血压振荡降低50%。虽然，在压力感受器作用下的闭环中，通过动物和人体实验有效地确定在血压和心率变化中的中枢耦合和压力反射的相对贡献非常困难，但是，我们可以通过数学模型来加以研究。在各种血压和心率振荡的讨论中，必须强调的是1，如果振荡是反馈的结果，那么这是反馈通路独立成分对输入响应的能力，而这种输入对这种振荡的频率和强度起到极其重要的作用。在概念上，涉及到通道的所有环节都能影响到输入和输出的增益，如血压对交感神经和副交感神经的响应和对血管系统的响应，如图 1 所示。相反，神经发放率限定阶越(rate-limiting step)主要影响低通滤波器的参数，如自然频率和衰减系数，这决定了系统如何快速响应输入中的动态变化。B.心血管可变性的数学模型根据已就掌握的心血管可变性的生理机制，本文提出了一种基于呼吸、自主神经和压感反射机制的心血管可变性的数学模型，如图1所示。在图1的大红框内，我们图示了，心脏的射血量受到心率、收缩性和胸腹腔压力的控制，心输出量=心搏量*心率，在心搏量不变得情况下心率越大心脏射血量越小，收缩性越大心脏射血量越大，胸腹部压力越大静脉回流越好，心脏射血量越大。心脏的心律受到快变的迷走神经和慢变交感神经的调节，迷走神经活性对心率起到减小的作用，慢变交感神经活性对心率起到增大的作用和对心脏得收缩力起到增强的作用，最终自主神经中枢对心脏射血量起到综合的调节作用，同时心脏射血量也受到胸腹腔压力的影响。中央副交感神经活性中央交感神经活性压力感受器收缩性心率心脏射血量主动脉血压血管外周阻抗呼吸气体交换大脑皮层肾等脏器和头部阻抗胸、腹腔压力胸腔和腹腔运动中枢快振荡力学机制中枢慢振荡中枢机制弱作用图 1 心血管可变性的数学模型在图1的粉红框内，我们图示了，主动脉血管的血压调节受到心搏量和外周血管阻力的影响，同时也受到各类脏器和头部等，尤其是肾脏的血管阻力和外周血管阻力的影响。通常，射血量增加，主动脉血流增大，因此主动脉血压也随之增加；血管外周阻力增加，主动脉血压增大；头部等脏器的血液循环加快，主动脉血压减少，即脏器的血流阻力减少主动脉血压增大，这遵循着血流分流原理。另一方面，主动脉血压增大刺激压力感受器兴奋性发放，进一步刺激中央交感神经和副交感神经兴奋，交感和副交感神经又通过反馈回路调控心脏和血管的生物力学特性，从而改变了心率、射血量和血压。中枢神经对血管生物力学特性的调节是通过不同类型的神经通路来调节的，交感神经的兴奋起到降低外周血管阻力的作用，副交感神经的兴奋起到抑制头部等器官血液循环的作用，即起到降低器官血液阻力的作用。在图1的蓝框内，我们图示了，交感和副交感神经中枢对心血管系统输入的调解和输出的反应。自主神经系统分为两部分，其一交感神经，其二副交感神经。他们分别受到大脑皮层的调节，另一方面，压力感受器产生的兴奋性信号分别传入交感和副交感神经，并起到兴奋性的作用。同时，神经系统对呼吸气体交换反应对自主神经系统产生的调节作用，其中对中央副交感神经元活动起到抑制作用，对中央交感神经元活动起到兴奋性作用，前者为弱作用，后者为强作用。在图1红、分红和篮筐之外，我们图示了，大脑皮层对心率和血压的调控通路。第一个调控通路为从大脑皮层到自主神经中枢再到的调控通路，该通路可以改变和调整呼吸节律。第二个调控通路为从大脑皮层到气体交互感受神经中枢再到自主神经中枢的调控通路，该通路调节呼吸和心跳频率。第三个通路为从大脑皮层到运动中枢再到腹部呼吸运动和节律，该通路调节静脉血液回流和心脏射血量。图1是一个非常复杂的网络，确定其相互作用的定量关系是一个复杂的系统辨识（SystemIdentification）问题，但是，利用系统辨识技术，该网络端口生理参数之间的传递函数可以部分地确定。在图2中给出了网络端口生理参数之间的传递函数之间的幅频特性1，尽管这些生理参数需要采用有损介入的方式获得，然而，这提示了我们，使用无损非介入方式研究脑心肺之间相互作用机制的可能性。(a)(b)(c)(d)图 2(a)主动脉血压与主动脉神经活性之间传递函数的幅频特性，(b)主动脉血压与交感神经活性之间传递函数的幅频特性，(c)主动脉神经活性与主动脉血压之间传递函数的幅频特性，(d)交感神经活性与肾血流之间传递函数的幅频特性3 脑心肺功能综合检测系统为了辨识图 1 所示的神经心脏呼吸(脑心肺)相互作用的定量关系，我们建立了被命名为“心息神”的实验系统，如图 3 所示。该实验系统根据心血管可变性的可测量性实现脑心肺功能的实验和无损检测。图 1 可以被看成多输入输出(MIMO,Multi-Input Multi-Output)系统，一方面可以利用物理因子刺激人体该多输入多输出系统，如超声信号刺激颈动脉窦调节神经活性、激光信号刺激鼻窦调节血液红细胞活性，另一方面还可以通过肺呼吸、腹式呼吸、屏气、吹起、体位等动作控制协议来调节人体的生理参数，同时利用多功能多参数生理监护仪测量脑、心、肺的生理参数，如脑电、血流、血压、血氧饱和度、呼吸、心电等。然后，通过物理刺激、动作控制与生理参数的相关性分析，实现心血管可变性分析和测量，进而实现脑心肺相互作用网络的辨识，综合出脑心肺的功能。现在的关键问题就是，如何通过改变姿态(仰卧平躺、自然站立、锻炼练习等)、控制呼吸(自然呼吸、深呼吸、吹气、屏气练习等)、刺激穴点(颈动脉窦、针灸穴位等)等方式，采集和分析人体不同状态下的生理功能数据？图 3 给出了解决该关键问题的原理框图。在系统框图中，通过采集各种物理刺激和刺激后心血管可变性的变化信号，并对这些信号进行分析从而辨识出脑心肺的功能。图 3 脑心肺功能综合检测系统原理示意图参考文献：1Malpas SC.Neural influences on cardiovascular variability:possibilities and pitfalls.AmJPhysiol Heart Circ Physiol 282:H6H20,2002.2Guyton AC and HarrisJW.Pressoreceptor-autonomic oscillation:a probable cause ofvasomotor waves.AmJPhysiol 165:158166,1951.3Malliani A,LombardiF,and PaganiM.Power spectrum analysis of 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