引言
血压为血液的流动提供动力,血压波是反映血流动力学的重要指标之一,血压波的传播也一直是心血管动力学研究的主要内容.血流在脉动压力的驱使下,对内皮、平滑肌等细胞的通过力学刺激而产生的生理影响,是心血管类疾病的发生和发展的重要力学因素,也是力学生物学研究的核心内容之一.血压在动脉中,尤其是在主动脉中的传播,已被学者们广为研究[1-5].
动脉血管是一种复合材料,它的应力应变存在非线性和滞后性,它们还会在恒应力下蠕变,在恒应变下松弛.在分析血液流动和压力传播的过程中,通常将血管看做是线弹性的薄壁管道.在病理条件下,血管的弹性会发生变化,甚至在有些疾病的病因中,血管的弹性变化占据着重要的地位.可以通过对血管弹性的分析来对某些疾病进行诊断已成为共识.
神经可以快速的对动脉血压进行调节.主动脉血管外膜处存在动脉压力感受器,当动脉血压偏离正常值时,压力感受器会将信号通过迷走神经传输到延髓,延髓经过处理将信号通过交感神经和副交感神经传输到心脏和小动脉,通过改变心输出量和小动脉外周阻力来调节动脉血压.但在实际生理环境下,神经对血压的调节远非上述描述的这么简单,比如,Jessica 等[6]发现星状神经节和迷走神经间的不同相互作用状态下,血压会产生很大的变化.这也就证明了神经对血流动力学有着一定的影响.
然而在实际的临床中,存在很多的血压变化并不符合上述理论的情况,比如血压在无分叉动脉内的变化,显然并不是受到心输出量或者外周阻力的影响.针对这些情况,我们提出假设:神经可以通过改变主动脉力学性能来直接影响血压传播.为了验证这一假设,本文通过在犬腹主动脉测得的不同神经状态下的压力数据进行分析,最终归结到不同神经状态对血管力学性能的影响.
1 实验
1.1 实验对象
实验选择成年比格犬腹主动脉段.实验用犬均由上海交通大学附属第一人民医院动物实验中心提供.腹主动脉具有长直、少分叉、血管内径沿血管变化幅度小、管内流动稳定等特点,同时成年比格犬的腹主动脉内径为毫米量级,便于进行压力和血管直径的测量.血管控制神经选择为胸交感神经.
1.2 实验布置及设备
实验示意图如图 1(仅为示意图,并非真实比例).实验采用压力传感器来对动脉血压进行测量,将两个压力传感器探针分别由两侧股动脉穿刺进入上游腹主动脉中.其中探针 P1 为实验组,用以测量肾动脉到髂动脉间的压力;探针 P2 为对照组.实验采用 B 超仪,在测量管内压力的同时对管径进行测量.实验中对犬进行开胸手术,以便于对胸交感神经进行操作.
1.3 实验方法
实验压力测量方案如图 2 所示,探针 P2 为对照组,其位置固定在髂动脉分叉上游流场稳定处,如图 control 所示位置.探针 P1 为实验组,用以测量腹主动脉内的压力波形,其中第一个点位于肾动脉下方流场稳定处,随后向远心端以 5 cm 的间隔依次测量,共四个点.
通过对照组将各点的压力波形进行同步.我们假设在压力波稳定的情况下,各实验点波形与对照组波形的相位差的差值即为各点间波形的相位差.
这样我们可以仅使用两个探针同时测量来得到动脉内的压力波形数据,避免了由于探针过多而导致的相互之间的影响.经验证,在上述实验方案下,两个探针同时测量所得波形与分别单独测量所得波形基本一致.即,两探针同时测量时,由于探针存在造成的对压力波形测量的影响可以忽略.实验选择在三种不同的神经状态下进行压力测量,以大写英文字母表示为:A 神经正常状态,B 神经刺激状态,C.神经离断状态.后面的文章中以 A、B 和 C 表示.
压力测量的同时,使用 B 超测量各测量点的血管内径.压力测量结束后,将实验血管段取出,在无内压状态下再次测量各测量点的血管内径.
2 实验结果和分析
2.1 同步后的压力波
随着犬状态的变化,各测量点及对照点测得压力波的周期会有较明显的波动,波动的存在会对各测量点的同时性产生较大的影响.我们定义波动率为测量点周期与对照点周期的比值.在选择压力波形时,除了考虑波形稳定等因素外,更应考虑波动率的影响.经过上述条件筛选并同步后,得到的不同神经状态下的压力波形图如图 3 所示.
2.2 周期分析
我们注意到在不同的神经状态下,压力波的周期存在较大差异.各状态下各测量点平均周期如图4 所示,相应的期望和方差分析结果见表 1.当不对胸交感神经做任何处理时,血压周期波动较大.当持续刺激胸交感神经时,血压周期维持在一个相对稳定的值附近,几乎没有波动.而当离断胸交感神经后,血压周期明显增大,波动依然存在但相对于存在胸交感神经调控的情况,波动幅度明显减小.可以得出结论,胸交感神经对血压周期存在调控作用,但并非是唯一的调控方式,这与之前研究得到的结论一致.因此在后面的分析中,我们认为状态A为神经调控状态,状态B为无神经调控状态,状态 C 为无胸交感神经调控状态.
2.3 振幅分析
各状态各测量点压力波振幅变化如图 5 所示,将不同神经状态下各点的收缩压变化进行对比如图 6 所示.图 5(b)所得到的压力变化图与我们现在普遍认可的结论相一致,即在主动脉中,由近心端到远心端收缩压逐渐增大而舒张压逐渐减小.实验显示,这一结论在无神经调控的状态下成立,而在正常生理状态下,神经对血压振幅存在很大的影响.图 6 中可以看到,刺激交感神经使收缩压升高,离断交感神经使收缩压降低,而正常生理状态下的收缩压则介于两者之间,结合图 5(c)可以推断,胸交感神经是血压振幅的主要调控神经.
2.4 相位分析
以各峰值点时间坐标为依据进行相位分析,并将相位变化取期望得对比图见图 7.可以看到等间距的实验测量点间的相位变化基本一致,在不同神经状态下,相位变化的大小各不相同.考虑到不同神经状态下压力波的周期并不相同,将上述相位值除以对应压力波的周期,即将绝对相位变化转变为相对相位变化,如图 8 所示.从图中可以看出,对相对相位而言,等间距测量点间的相位变化依然基本一致,不同的是,这一变化值在不同神经状态下基本相同.可见,神经对相位的影响主要通过影响周期来实现.
2.5 血管弹性分析
为了分析不同神经状态下血管的弹性性能,我们假设血管为薄壁弹性管,且外压为 0.对血管进行弹性分析,有【1】
我们使用式(3)分析不同神经状态下血管的弹性,其中a和0a 通过测量得到, p 通过对压力波积分平均得到,见表 2.计算后得到血管弹性如图9 所示.目前研究普遍认为神经对血压的调控通过影响心脏及小动脉来实现,而将主动脉看做弹性管道进行被动的响应.从我们的实验结果可以看出,在神经的调控下,血管不同位置所反应的弹性性能并不相同.当刺激神经时,血管弹性维持在一个较高的值,其所产生的波动更多的是受到实验中血管内径测量截断误差的影响.也就是说,神经会对主动脉弹性产生较大影响.主动脉在神经的参与下,不再是一个完全被动的血流通道.
3 结语
本文通过实验测量了不同神经状态下犬腹主动脉内的压力波传播情况,并从周期、振幅、相位和血管弹性四个角度进行分析,得出如下结论:(1) 在神经的调控下,血压周期会产生较大波动,而当持续刺激胸交感神经时,神经调控维持在一个稳定水平,可以近似认为得到无神经调控的状态;(2) 普遍认可的主动脉末端收缩压升高舒张压降低的结论仅在无神经调控状态下成立,当存在神经作用时,血压振幅存在较大波动,出现不同的表现;(3) 神经对血压波相位的影响主要通过影响血压波周期来实现;(4) 神经会对主动脉弹性性能产生较大的影响,不应单纯的将主动脉看做被动的弹性管.
本文通过实验及简单的模型定性分析出神经在压力传播过程中的重要影响,对于具体的作用机理,以及使用较为完善的力学模型进行定量的分析,都还有待进一步研究.
