多空间尺度循环系统模型中的耦合关键问题研究

The multiscale modeling has become the hotspot of circulatory modeling study. The geometrical multiscale modeling of circulatory system, which considers the structural, functional and regulatory characteristics of systemic and local circulation, is one of the main directions of multiscale modeling. Due to lack of efficient coupling method, the present geometrical multiscale models cannot incorporate the microcirculation. As a result, the applicability of the model is limited in studying the multiscale interactions between systemic circulation and microcirculation in cardiovascular diseases such as hypertension. This project intends to propose a novel model coupling method, which focuses on integrating the microcirculation to the systemic circulation by selecting proper coupling parameters and building multiscale regulatory models. The model constructed using the novel coupling method will be used to simulate various pathophysiologic conditions, and particularly, to study the influence of dysfunctions of the multiscale regulatory system on the generation and development of hypertension. The proposed method provides a novel technique for the circulatory multiscale modeling study. The model constructed based on the proposed technique can promote the pathophysiologic study of circulatory system, and is promising to offer an alternative approach to the research of cardiovascular diseases such as hypertension.

多尺度数学模型是当前循环系统模型研究的热点。其中，综合考虑整体与局部循环系统结构、功能与调控特性的多空间尺度模型是其重要的研究方向之一。现有多空间尺度模型研究由于缺乏有效的耦合技术，难以融合微循环系统，阻碍了模型对高血压等重大心血管疾病中整体循环与微循环尺度间相互作用过程的研究，降低了模型的应用价值。本项目试图建立新型模型耦合技术，解决边界条件的选取问题和跨空间尺度调控模型的建立问题，应用该技术构建整体循环与微循环系统耦合的模型，仿真人体生理、病理情况，重点研究高血压情况下，跨空间尺度调控通路中各环节病变对于疾病发生与发展的影响。本项目的研究成果可为循环系统多空间尺度模型的建立提供一种新的技术方法，基于该研究成果所建立的模型可更好地辅助和支持生理研究以及疾病病理研究，有望为高血压等重大疾病提供新的研究手段。

多尺度数学模型是循环系统模型研究中的热点。本课题针对多尺度循环系统数学模型中整体与微循环系统耦合的关键问题展开研究，主要研究了整体循环系统模型的建立，微循环系统模型的建立和两者的耦合技术。在整体循环层次，建立了血流动力学模型与自主神经系统调节模型耦合的数学模型；在微循环层次，建立了血流动力学模型与血管结构自调节模型耦合的数学模型；提出基于不同尺度血管阻力与顺应性相关的特性耦合整体与微循环系统模型的建模方法。应用所建立的模型，在整体层次、微循环层次和跨尺度层次开展应用。在整体层次，应用所建模型阐明了新型临床诊断参数——心率减速能力与自主神经系统活动性的关系以及影响其性能的因素，为参数的临床应用提供支持；在微循环层次，提出了基于改进量子粒子群算法的血管结构自调节模型参数设置方法，可将模型应用于一般血管网络上；研究了脉搏波衰减的机制，发现阻力与顺应性是导致血压波脉动性在微循环迅速衰减的主要原因；在跨尺度层次，通过对比整体与微循环的脉搏波传导速度（Pulse wave velocity, PWV），发现了微循环PWV与大动脉PWV和血管特性的相关性有所不同，为今后在临床上应用微循环PWV提供了重要的参考；通过跨尺度仿真发现微循环阻力和顺应性的病理性变化可引起血压升高，而微血管壁厚的变化则对血压影响不大。综上所述，本研究所建立的多尺度循环系统模型可为今后联合宏观和微观层次研究高血压等心血管疾病提供一种新的手段。