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(7.52)--47呼吸频率调节下切断家兔迷走神经对心率变异和血压即时变异影响的.pdf

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资源描述

1、第 26卷第2 _2017年4 月实用心电学杂iJournal of Practical ElectrocardiologyVol.26 No.2 Apr.2017专题主持/沈仲元呼吸频率调节下切断家兔迷走神经对心率变异和 血压即时变异影响的研究摘 要 目 的在呼吸频率调节下,观察家兔切断双侧迷走神经前后、呼吸停止前后的心率变 异(heart rate variability,HRV)、血压即时变异(blood pressure instant variability,BPIV)与呼吸的关 系。方 法 选 取 10只标准实验家兔,建立兔机械通气模型,在麻醉下施行呼吸机机械通气,潮气 量恒定10

2、 ml/kg,呼吸频率70次/min。切断双侧迷走神经前后和呼吸停止前后连续记录心电、呼吸和血压;分析呼吸频率变化与HRV、BPIV变化的关系&结果在切断双侧迷走神经前,R-R 间期、BP-BP与呼吸相呈同步周期性变化,趋势一致,HRV及 BPIV的中心频率均与呼吸功率谱 密度中心频率一致,在切断双侧迷走神经后,R-R 间期、BP-BP与呼吸同步周期性变化和趋势一 致性被破坏,HRV及 BPIV的中心频率基本消失,与呼吸功率谱密度中心频率不一致;呼吸停止 后 HRV及 BPIV消失。结论呼吸调节下的 HRV、BPIV符合呼吸性窦性心律不齐的生理机制,是 R-R 间期变化的二次效应,反映了自主神

3、经平衡调节的结果,符合肺牵引受体兴奋所引起的 Hering-Breuer反射的机制。关键词呼吸调节;随意性呼吸;切断迷走神经;血压即时变异;心率变异中图分类号R542.2 文献标志码A 文章编号2095-9354(2017)02-0077-07DOI:10.13308/j.issn.2095-9354.2017.02.001Influence of rabbit vagus nerves cutting on heart rate variability and blood pressure instant variability under respiratory rate regulati

4、on Shen Zhong-yuan,Zhu Ying-qi,Yan Shi-biao2,Shin Lin3(1.Shanghai Qigong Institute,Shanghai University of Traditional Chinese Medicine,Shanghai 200030;2.Institute of Cardiovascular Disease,the First Affiliated Hospital of Liaoning Medical University,Jinzhou Liaoning 121001,China;3.Department of Biop

5、hysical Research C e nter,University of California,Irvine,C A 92697,U S A)Abstract Objective T o observe the relationship between blood pressure instant variability(B P I V),heart rate variability(H R V)and respiration in rabbits separately before and after hibateral vagus nerves cutting and respira

6、tory arrest under respiratory rate regulation.Methods Ten standard experiment rabbits were selected and rabbit model of mechanical ventilation was established.The rabbits were conducted with mechanical ventilation under anesthesia by ventilator,with a constant tide volume of 10 m L/k g and respirato

7、ry rate of 70 times/m i n.Continuous recording of E C G,respiration and blood pressure was performed separately before and after hibateral vagus nerves cutting and respiratory arrest.The relationship between changes of H R V,B P I V and respiratory rate was analyzed.Results Before cutting hibateral

8、vagus nerves,R-R interval and B P-B P were synchronized基金项目:国家自然科学基金资助项目(81072853)作者单位:200030上海,上海中医药大学气功研究所(沈仲元,竺英祺);121001辽宁錦州,辽宁医学院附属第一医院心血管研究所(闫世彪);92697美国加利福尼亚,加州大学尔湾分校生物物理研究中心(Shin Lin)作者简介:沈仲元,研究员,主要从事医学生理、生物医学工程研究,E-mail:szyl 78 实用心电学杂志第26卷with the respiratory phase,with the same trend.The c

9、entral frequencies of H R V and B P I V were both consistent with the central frequency of respiratory power spectral density.After cutting hibater-al vagus nerves,the synchronous periodic change and trend consistency of R-R interval,B P-B P and respiration was destroyed;the central frequency of H R

10、 V and B P I V almost disappeared and was inconsistent with the central frequency of respiratory power spectral density;H R V and B P I V disappeared after respiratory arrest.Conclusion The changes of H R V and B P I V under respiratory rate regulation accord with the physiological mechanism of resp

11、iratory sinus arrhythmia.It is the secondary effect of R-R interval change which reflects the result of balance adjustment of autonomic nerve.It also coincides with the mechanism of Hering-Breuer reflex induced by excitation of the tow receptor in the lung.Key words respiratory rate regulation;volun

12、tary breathing;vagus nerves cutting;blood pressure instant variability;heart rate variability呼吸是生命的表征,身体随着代谢率的改变通过 调节呼吸的深度和频率以适应机体代谢的需要。呼 吸是导致正常人出现循环系统多项指标表现出变异 性的根源。现代医学已经证明在人体的生命活动中,呼吸这种活动既是被动的,不受主体控制的非随意性 活动,但又能部分主动控制的随意性活动;呼吸活动 既能反映自主神经活动的特点,又能影响自主神经活 动的平衡。呼吸调节研究和自主神经的平衡调节与 中枢控制的相互作用研究证明了上述观点14。

13、多 年来已有大量的心率变异(heart rate variability,H R V)基础研究 和 临 床 应 用,关于H R V 不再在此 多述。血压是人体最主要的生命体征之一,是身心反 应最敏感的调节内容之一,也是身心平衡被打破而引 起血压系统失调(高血压)的主要原因之一,高血压 的风险不仅取决于血压水平,还取决于血压波动。血 压调节是一个非常复杂的过程,相关的生理学和基础 临床研究表明,血压变异同样接受神经和体液的调 节。交感和副交感神经活动异常,血管压力感受器的 反射活动异常以及体液因素(如血管紧张素、内皮素、氧化亚氮、缓激肽、胰岛素等)异常分泌都能导致血压 的异常变化7_9。血压变异

14、可分为短时变异(心动周期、分钟、时 段),长时变异(日、月、季节、年度),以往的研究主 要集中在对血压的短时变异上,主要是观察24 h 内 以 15 60 m i n 为一次测量单位的动态血压变化,探 索昼夜节律特征,解读血压生理和临床血压变化以 及相关的药理作用,研究血压调节与自主神经平衡 调节的关系,但这类研究并不反映血压即时变异的 动态过程。血压即时变异(blood pressure instant variability,B P I V)是指相邻二次心动周期连续血压 值测量的变化,也是人类血压最基本的生理特征之 一1。著名的心血管和血压变异研究学者 Gi-useppe M a n c

15、i a教授在2012年欧洲第22届高血压科 学年会上指出:每次心跳之间的血压变异性和血压 变化速度的变异,高血压患者血压变化的速度要比 血压正常的人更迅速11,这些现象的临床意义仍未 被阐明。目前,关于 B P I V 和 H R V 的关系、B P I V 和 呼吸的关系、H R V 与自主神经调节的关系还较少有 人研究,另外H R V 已被证实是能反映心脏自主神经 平衡调节的窗口,B P I V 是否也能够作为反映血压的 自主神经调节平衡的窗口也较少见到相关的基础 与临床研究。本文旨在这方面作些探讨。1 资料和方法1.1 研究资料健康雄性日本大耳白兔10只上海斯莱克实验 动物有限责任公司,

16、许可证号:S C X K(沪)(2006-2009),由辽宁医学院实验动物中心提供。体质量(2.5 0.5)k g,兔龄5 6个月。实验前将其置于通 风避音房间单笼饲养1 2 周,自由进食、水。并给予 光照-黑暗周期(12 h:12 h,早 06:0018:00光照,晚18:00次日06:00黑暗),保持动物饲养房湿度(354)%,温度(242)。(:。1.2 研究方法1.2.1兔呼吸控制模型建立称重,耳缘静脉注射 3%戊巴比妥钠30 m g/k g 麻醉(戊巴比妥钠由德国 进口,北京化学试剂公司分装),取仰卧位固定于手 术台。无菌条件下行气管切开,插入带有侧口(HI)的气管插管,建立机械呼吸

17、通道,气管插管侧口 H)插入热敏呼吸记录电极感应吸气与呼气的气 流温度变化(呼出气体温度较高,形成向上波形,吸 气时气体温度较低,形成向下波形)并封闭12。用注射用维库溴胺(成都天台山制药有限公司)0.1 m g/k g由耳缘静脉肌松,每 0.5 h 追加0.1 m g第2 期沈仲元,等.呼吸频率调节下切断家兔迷走神经对心率变异和血压即时变异影响的研究 79 持续泵入维持至实验结束0 注射维库溴铵后呼吸 波形振幅逐渐降低,及时连接呼吸机(浙江医科大 学仪器实验厂)行机械通气,根据家兔生理性呼吸 指 标,设置呼吸机参数:吸呼比(I:E)为 1:2。确 定实验基础状态:潮气量10 m L/k g,

18、呼吸频率50 70次/mina j 射维库溴铵后呼吸波形振幅逐渐降 低,及时连接呼吸机行机械通气,呼吸机代替兔随 意呼吸。模拟 i、n 或 m 导联连接方式用记录电极 尖端刺入兔肢体皮下,用 S K Y-A 4 三通道生理记录 仪(复旦大学医学院仪器实验厂)同步显示和采集 呼吸、心电、动脉压等生理波形和记录数据,数据 稳定后开始实验干预和记录。1.2.2 实验记录按实验程序的时间先后分为4 个时段:兔气管插管呼吸控制模型建立后,自主 神经分离前(指气管插管之后,颈动脉及自主神经 分离之前,以避免该操作对自主神经产生损伤影 响);颈部气管旁钝性分离血管、自主神经,颈动 脉插入生理压力换能器后;切

19、断双侧迷走神经(甲状软骨水平)后;停止呼吸机机械呼吸后。1.2.3实验干预按频率和通气量:呼吸频率调节 为 50607 0 次/m i n,通气量调节为在呼吸 60次/min,s81012 m L/k g 0 每次调节时间为 5 m i n,休息5 m i n。呼吸停止是指家兔实验干预结 束后,停止呼吸机机械呼吸至死亡之间能记录到的 心电和血压波形(需记录完整256次以上的心跳和 血压波型,以 满 足 分 析 需 要 本 文 就 呼 吸 频 率 70次/m i n,通气量10 m L/k g 条件下,切断双侧迷走 神经前后和停止呼吸机机械呼吸后的H R V、B P I V 及其他相关的结果进行

20、分析讨论。1.3 数据收集和分析1.3.1信号采集与处理用S K Y-A 4 三通道生理记 录仪(复旦大学医学院仪器实验厂)同步显示和采集 呼吸、心电、动脉压等生理波形和记录数据。原始记 录数据(同步记录的心电、血压、呼吸信号(图 1),由 B R S&H R V 2.0打开文件,修正早搏、心动过速、长间 歇等心律失常及干扰伪差,选取 R-R 和 B P-B P 记录 比较乎稳段分析。无特别说明,本文出现的R-R 是 指相邻二次R 波的时间值,B P-B P 是指相邻二次的动 脉收缩压值,B P I V 是指相邻二次的动脉收缩压差异。1.3.2 H R V、B P I V分析采用快速傅立叶变换

21、(F F T)自回归(A R)模型功率谱密度(power spectral density,P S D)单位采用 m s2/H z。分析参数 设置:R-R 间期序列长度为256Q 兔频谱成分范围 划分:根据呼吸峰移位情况,呼吸与心率的谱相关 性15 _16校正 H F 段,并计算高频峰功率(H F)。2 结果2.1 切断家兔迷走神经前呼吸调节与心率变异、血 压即时变异的关系从图2、图3 中可以看到,70次/m i n 的呼吸调 节下,R-R 变异趋势、B P-B P 变异趋势和呼吸波变化 趋势都完全同步。呼吸节律和每次心搏的R-R 间 期变化、收缩压值变化同步。完全符合吸气时(呼 吸波向下)R

22、-R 变小,收缩压值变大,呼气时(呼吸 波向上)R-R 变大,收缩压值变小。呼吸峰中心频 率(呼吸活动谱成分)与心率变异中心频率、B P-B P 变异中心频率完全一致通过计算,心率变异的中 心频率峰(H F 段)和 B P-B P 变异的中心频率(H F 段)=呼吸频率/心搏频率。L F 段的功率很小,与呼 吸的关系可以忽略不计。-12.50:S 600.00 0.00J,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,0.00 2.00 4.00(00:00:00)时间/s(00:00:04)图1 记录的原始心电、动脉压、呼吸波形 Fig.1 The originally recorded wave

23、forms of ECG,angiosthenia and respiration2.2 切断家兔迷走神经后呼吸调节与心率变异,血 压即时变异关系呼吸相变化与B P-B P 变化、R-R 变化失去了 同步性;原来的B P-B P 变化、R-R 变化的连续曲线 被破坏;呼吸频率与心搏频率比值改变与B P-B P 变异、R-R 变异的中心频率变化呈不相关或不完全 相关;与切断前比较H F 功率明显减小;R-R,收 缩压同步变异趋势呈现出低频的正旋波(图4),或 叠加有呼吸变化的低频不规则正旋波(图5),尤其 是 B P-B P 变异的L F 功率明显增大。2.3 呼吸调节停止后R-R和 BP-BP

24、的变化趋势 从图6、图7 可以看出,呼吸机调节停止,家兔 呼吸停止后的一段时间里虽然可以记录到心电、血 压波形,但 B P-B P 变化、R-R 变化已没有了类似呼 吸节律的变化波,呈现心率变慢、血压下降的无变 异节律的趋势,直至死亡。80 实用心电学杂志第26卷呼吸:70次/min,心率:280次/min;H F段中心频率:0 256 Hz,功 率:HRV=0 80,BPIV=0 015 2;L F段中心频率:0.062 Hz,功率:HRV=0.043,BPIV=0.471 6图 4 0 6号家兔术后 R-R间期、BP-BP、呼吸同步变异趋势(A)和呼吸同步功率谱(B)Fig.4 The s

25、ynchronous variation trend of R-R interval,BP-BP and respiration(A)and respiratory power spectrum(B)after the operation on No.06 rabbit呼吸:70 次/m in,心率:210 次/m in;HF 段中心频率:0 347 H z,功率:HRV=1 957 5,BPIV=0 152 1;LF 段中心频率:0.060 H z,功率:HRV=0.001 8,BPIV=0.00 0 6图 3 0 8号家兔术前 R-R间期、BP-BP、呼吸同步变异趋势(A)和呼吸同步功率谱

26、(B)Fig.3 The synchronous variation trend of R-R interval,BP-BP and respiration(A)and respiratory power spectrum(B)before the operation on No.08 rabbit呼吸:70 次/min,心率:291 次/min;HF 段中心频率:0 244 Hz,功率:HRV=0 137 7,BPIV=0 214 8;LF 段中心频率:0 060 Hz,功率:HRV=0 005 0,BPIV=0 064 2图 2 0 6号家兔术前 R-R间期、BP-BP、呼吸同步变异趋势(

27、A)和呼吸同步功率谱(B)Fig.2 The synchronous variation trend of R-R interval,BP-BP and respiration(A)and respiratory power spectrum(B)before the operation on No.06 rabbit0.0,0.9J(ZH/SU1XSE/M.(ZH/ASXAS)/.瑯 齋 吞-鞞 齋 诨 dCQ-dCQ 瑯 籥 吞 堪 釤 I TL XI 4 05 2 0 6 I13瑜 馨 f21 gjpoej、i Mir八 欷 额 田 媒 咨 OHe l Jcq(ZH/SSXSS)/(Z

28、H/N M H)/(zh/asxae)/铿 籥 诨 PH e-PH m舉 籥 诨 澎 誃 I T心电/mV心率/(次.min_ 1)呼吸/m V 动脉压/mmHgO I OO 00so ok)too 01 I booO K)BP-BP收缩压趋势呼吸波功率谱 BP-BP功率谱 R-R功率谱/(mVxmV/Hz)/(mmHgA 2/Hz)/(msxms/Hz)p p o p 一 p|s JO 40 OO O O心率次.miir1)呼吸/m V 动脉压/m m H g心电/mV I I U)boo oPN N N 01 0 K O O L h呼吸波/mV BP-BP收缩压趋势 R-R间期趋势/ms禁

29、 一I s)项 p o 50.0 0 2.5Q 5.00 0 0:0 0:2 1)l M/s(00:00:26)淘:7 0 許/min,5:2 1 0 涔/min;HF 勉 书 建#:0.326 Hz,绍 姐:HRV 0.550,_v=0 0 2 7;L F-fr 截 姐:0 0 8 8 Hz,&#:HRV=p 619,BPIV=p 767函 5 0 8-7 l t R-R f B l a w p-B I f B l l w(A)f B l l&M(B)after the operation on No.o QOrabbit函 6 06-I h p p s/I c&aJlffiK irLIm(

30、A)$z R-R f B l a w p-B p l l w(B)Fig.6 Hlle continuous recordings o f w n G and angiosthenia(A)and the synchronous variation of-interval and BP.BP(B)after respiratory arrest of No.06 rab o-itll7 0 8-I h p p s c&aJlffiK irLI(A)$z R-R f B l a w p-B p l l w(B)Fig.7 The continuous recordings ofwCG and a

31、ngiosthenia(A)and the synchronous variation o f-其 s-terval and BP.BP(B)after respiratory arrest of No.08 rab o-it 2 濫.81 82 实用心电学杂志第26卷3 讨论3.1 呼吸调节与心率变异、血压即时变异关系呼吸是影响心率变异性的一个重要影响因素。呼吸与心率变异的关系已有大量的研究,在此不再 赘述。我们的以往研究也已证实:心率变异(H R V)的 呼吸峰频率=呼吸频率(m i n)/心跳频率(m i n)17。动脉血压的形成是与每次心搏出量、外周阻 力、大动脉管壁的弹性、循环血量与

32、血管容积的比 和每次心搏的R-R 间期长短等多种因素有关,在其 他因素不变下,每次心搏的R-R 间期长短就是形成 动脉压变化的主要因素。在一定的条件下,R-R 间 期的变化又是与呼吸的变化完全相关的。吸气时,R-R 间期变短,心率加快,心脏的舒张期缩短,血管 内的血液未能充分流走,舒张期留在血管内的血量 增加,收缩压相应上升。呼气时,R-R 间期变长,心 率减慢,心脏的舒张期延长,血管内的血液未能充 分流走,舒张期留在血管内的血量减少,收缩压相 应下降。因此本研究结果说明在正常呼吸调节下,动脉 B P I V 完全符合呼吸性窦性心律不齐的生理机 制,也符合呼吸性窦性心律不齐形成的心率变异机 制

33、18_19,是 R-R 间期变化的二次效应,这在我们以 前的研究也已证实。3.2 呼吸调节下切断迷走神经对心率变异与血压 即时变异的影响呼吸可以分为非随意性呼吸和随意性调节呼 吸。非随意性呼吸节律和频率形成的研究已大量 报道。呼吸是生命的表征,身体随着代谢率的改变 通过调节呼吸的深度和频率以适应机体代谢的需 要。孙兴国等21_23研究指出,根据整体整合生理学 医学理论体系的呼吸循环代谢一体化调控理论,以 氧化能量物质为特征,以新陈代谢为生命体功能活 动的核心。在呼吸调控环路中,呼吸调控信号在大 部分时间是在血液中传送;而在神经通路中的传导 时间短、速度快。心脏的射血功能、心率、血压、阻 力、血

34、流速度等因素均会影响呼吸调控信号从肺脏 流经肺静脉、左心房、左心室到体循环动脉的传送。因此呼吸的深度和频率是通过神经体液对呼吸的 调控作用完成的,但化学感受器的反应要慢于神经 通路。非随意性呼吸引起的二次心跳之间的时间差 异是由呼吸系统和循环系统之间存在着复杂的交 互作用呼吸引起的,其作用通路和机制尚未完全明 确。目前的研究认为,心率变异性(heart rate variability,H R V)主要有三个调节机制:肺牵弓丨受体 兴奋所引起的Hering-Breuei反射,即肺部迷走神经 由于肺伸缩对心脏产生的反馈;呼吸和心脏迷走 神经的中枢偶联;动脉血管压力感受器导致的心 率的波动18。肺

35、牵张反射的肺扩张反射的作用在 于阻抑吸气过长过深,促使吸气及时转入呼气。切 断了两侧迷走神经后,中断了肺牵张反射的传入通 路,使肺牵张反射的生理作用被取消。最终导致呼 吸运动的加深变慢。贺书云等24进行的“迷走神经 在心率变异性中的作用”的实验结果发现双侧迷走 神经切断后,L F 及 H F 的功率明显下降,心率加快 及 L F/H F 增大均较单侧迷走神经切断时明显。但 以往研究都没有涉及在随意性呼吸调节下,双侧迷 走神经切断与血压变化的同步关系。随意性呼吸(在一定范围的频率和通气量内调 节)不考虑化学感受器对呼吸调控信号的作用,只 考虑对自主神经和肺牵引压力感受器的影响,从本 实验结果看,

36、把双侧迷走神经切断后,呼吸相与 H R V、B P I V 的同步性关系就被破坏了,尤其是B P I V 的 H F 段部分甚至完全消失,而明显增加了 L F 段的 功率。说明切断了两侧迷走神经后,中断了肺牵张 反射的传入通路,肺牵张反射的生理作用被取消 后,由呼吸运动引起的H R V、B P I V 也明显减弱了。同时,本实验的家兔呼吸停止后B P-B P 变化消失、R-R 变化消失从另一个角度也证实了上述结论。另 外,传统观点认为迷走神经是各种因素对H R V 影响 的最终通路,W a m e i等25用药物阻断狗的迷走神经 可使R S A 消失,Harris等26使用阿托品阻断松鼠迷 走

37、神经后同样发现R S A 消失。本实验手术方式切 断迷走神经后,有些家兔仍然存在呼吸与 H R V、B P I V 弱化了的同步变化关系,可见呼吸对H R V 和 B P I V 的调节除迷走神经通路外,还可能存在非迷走 神经机制参与,El-Omai等19及 Perlini等27的研究 结果与本实验相似。说明这种同步变化关系可能 不完全受迷走神经最终通路控制,还可能存在非迷 走神经因素,这需进一步的研究。血压即时变异(B P I V)是一个既新又老的题目,技术原因影响了它的发展和应用,但其对心血管疾 病研究的重要性是不容置疑的。因此,加强血压即 时变异的研究,包括连续收缩压变异的研究、连续 舒

38、张压变异的研究、收缩压和舒张压的连续压差变 异研究等对心血管疾病,尤其是高血压的基础和临 床研究有着重要的意义。参考文献 1 Dick TE,Mims JR,H sieh YH,et al.Increased Cardio-re-第2 期 沈仲元,等.呼吸频率调节下切断家兔迷走神经对心率变异和血压即时变异影响的研究 83 spiratory coupling evoked by slow deep breathing can persist in normal h u m an sJ.Respir Physiol N eurobiol,2014,2 4:9 9-1 1 1.2 朱蕾,刘又宁,纽

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