基于左心室-体循环动态耦合模型的极限心脏输出功率穿戴式估测方法研究

慢性心衰是多种心血管疾病发展到终末期的主要临床表现，但初期临床症状不明显，很难被及时发现，易导致患者病情延误，存活率下降。临床研究表明，运动状态下测量的极限心脏输出功率（心输出量和血压的乘积）对初期心衰有明显的指示作用。本项目拟研究一种极限心脏输出功率的穿戴式估测方法，用于日常监测极限心脏输出功率，以指示初期心衰的发生。首先，通过建立左心室-体循环动态耦合心血管模型，建立左心室收缩期与主动脉血压的定量关系。在此基础上，改进现有的血压脉搏波传输时间法，建立左心室收缩期为变量情况下的新型血压估测理论和方法。融合新型血压估测方法和申请人以往的研究成果（基于脉搏波时间反射比的穿戴式心输出量估测方法），建立极限心脏输出功率的穿戴式估测方法。本项目的成功研究，将为发展一种极限心脏输出功率的日常监测方法奠定必要的理论和实验基础，也进一步为新型穿戴式医疗仪器的研发提供理论和实验依据。

背景 慢性心衰在发病初期具有很强的隐匿性。研究表明，运动状态下检测的极限心脏输出功率（极限运动状态下心输出量和主动脉平均血压的乘积）对初期心衰具有明显的指示作用，具有重要的临床价值。目标 研究一种极限心脏输出功率的穿戴式估测方法，为实现极限心脏输出功率的日常检测提供理论和实验基础。方法 采用理论研究和实验验证相结合的思路。首先建立了新型左心室-体循环动态耦合模型。该模型以Mulier提出的左心室压力源模型和Campbell提出的T管模型为基础，完成了三点改进：1）将左心室压随心率变化的规律以数学形式导入压力源模型的指数型方程；2）利用泰勒级数展开等数学方法，实现了压力源模型的简化；3）将血管非线性顺应性引入T管模型。第二步，通过将模型仿真结果与以往文献中在体实验结果进行对照，验证了模型的有效性。第三步，数值仿真穿戴式系统中实际测量的脉搏波到达时间（pulse arrival time, PAT）与主动脉血压（aortic blood pressure, ABP）之间的理论关系，并通过同时仿真其它血流动力学参数在PAT-ABP关系中所起的作用，揭示PAT-ABP关系的生理机理。基于模型仿真的结果，建立了运动状态下新的测压方法，提出了一种极限心脏输出功率的穿戴式估测方法。最后，通过30例健康人的运动实验，验证所提出方法的有效性。 结果 模型仿真结果显示，当心脏射血状态或心动周期发生改变时（心室前负荷、心室收缩力、心率的变化），PAT与血压呈现负相关关系；当周边血管阻力改变时，PAT与血压呈现正相关关系；当主动脉顺应性变化时，PAT与血压没有显著的相关性。仿真结果进一步证明，在运动状态下，多种因素协同作用，导致收缩压和平均血压与PAT呈现稳定的负相关关系。30名健康被试的运动实验结果显示，本项目提出的方法血压估测的平均误差和误差均值为-1.76 ± 8.12 mmHg, 心输出量的相对估测误差置信区间位于 ±30%以内,基本符合现有血压和心输出量检测标准要求。结论 PAT与血压之间的关系蕴含复杂的生理机制。运动状态下，多种生理因素协同变化，PTT和PEP皆与血压呈反向变化，故PAT与血压之间呈现稳定的负相关关系，这是我们提出的极限心脏输出功率估测方法的理论基础。本项目的成功研究，为相关心衰辅助诊断技术的研究和后期穿戴式医疗仪器的研发，提供了必要的理论和实验依据。