竺英祺 沈仲元 Shin Lin 夏春梅 朱大年 曹銀祥

呼吸調(diào)節(jié)對(duì)心肌缺血大白鼠的心率和血壓變化影響的實(shí)驗(yàn)研究

竺英祺 沈仲元 Shin Lin 夏春梅 朱大年 曹銀祥

目的 探討呼吸頻率的改變對(duì)心血管自主神經(jīng)平衡的調(diào)節(jié)作用及其對(duì)心肌缺血后心律失常的影響。方法 選取17只標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)大白鼠，其中正常組9只，心肌缺血模型組8只，在麻醉下施行呼吸機(jī)機(jī)械通氣改變大白鼠的呼吸頻率，基礎(chǔ)潮氣量恒定10 mL／kg，改變呼吸頻率（在基礎(chǔ)呼吸頻率上升高10%、20%和降低10%、20%）。連續(xù)記錄心率和血壓，分析呼吸頻率變化與心率變異（heart rate variability，HRV）、血壓即時(shí)變異（blood pressure instant variability，BPIV）變化的關(guān)系；觀察呼吸頻率與心率變化、血壓變化趨勢(shì)的同步性；觀察降低呼吸頻率對(duì)兩組心電的影響。結(jié)果 RR間期、血壓與呼吸頻率呈同步周期性變化；HRV及BPIV的中心頻率均與呼吸功率譜密度中心頻率一致，呼吸頻率、心率和血壓的變化趨勢(shì)基本一致，尤其是心率和血壓的變化趨勢(shì)完全一致。結(jié)論 呼吸調(diào)節(jié)下的HRV、BPIV符合呼吸性竇性心律不齊的生理機(jī)制，是RR間期變化的二次效應(yīng)，反映了自主神經(jīng)平衡調(diào)節(jié)的結(jié)果。心率和血壓的同步性趨勢(shì)變化與心搏頻率有關(guān)。降低呼吸頻率可能能減少心肌缺血引起的心律失常。

呼吸頻率調(diào)節(jié)；自主神經(jīng)；心率變異；血壓即時(shí)變異；心肌缺血

目前，有關(guān)呼吸頻率改變與心血管自主神經(jīng)的平衡調(diào)節(jié)已有很多研究，并已證明了呼吸頻率改變會(huì)引起心率變異（heart rate variability，HRV）和血壓即時(shí)變異（blood pressure instant variability，BPIV）的變化［1－3］，但呼吸頻率改變對(duì)心率和血壓變化，以及對(duì)心肌缺血引起的心律失常的影響較少有相關(guān)報(bào)道。本文通過大白鼠呼吸頻率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，將心肌缺血大白鼠和正常大白鼠進(jìn)行對(duì)照，希望進(jìn)一步研究呼吸頻率的調(diào)節(jié)變化對(duì)心率和血壓變化以及心律失常的影響。

1 資料和方法

1.1 研究資料

標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)大白鼠17只，其中正常組9只，心肌缺血組8只，體質(zhì)量（200±29）g。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)大白鼠由上海復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院生理系動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及操作流程 剪毛，常規(guī)消毒皮膚，大白鼠使用6%水合氯醛0.5 mL／100 g體質(zhì)量腹腔注射麻醉，分離右側(cè)股動(dòng)脈和股靜脈，將充滿0.1%肝素鈉生理鹽水的聚乙烯塑料導(dǎo)管插入股動(dòng)脈向心端，通過三通管接口連接血壓換能器并經(jīng)SMUP-PC型生物信號(hào)處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)，連續(xù)記錄動(dòng)脈壓和心率。經(jīng)喉氣管插管（氣管不切開），接RES3020動(dòng)物呼吸機(jī)。實(shí)驗(yàn)前計(jì)數(shù)每只大鼠的自主呼吸頻率，記錄一段正常自主呼吸頻率下的心率和動(dòng)脈壓。采用RES3020動(dòng)物呼吸機(jī)機(jī)械通氣，先給予與該大鼠自主呼吸頻率相同的呼吸頻率，基礎(chǔ)潮氣量10 mL／kg，持續(xù)2 min，吸呼比1∶1，記錄心電和動(dòng)脈壓。在基礎(chǔ)自主呼吸頻率的基礎(chǔ)上，按如下方式調(diào)整呼吸機(jī)呼吸頻率。A.基礎(chǔ)呼吸頻率；B.呼吸頻率升高10%（約升高10次／min），保持潮氣量不變，持續(xù)2 min；C.呼吸頻率升高20%（約升高20次／min），保持潮氣量不變，持續(xù)2 min，再恢復(fù)A；D.呼吸頻率降低10%（約降低10次／min），保持潮氣量不變，持續(xù)2 min；E.呼吸頻率降低20%（約降低20次／min），潮氣量保持不變，持續(xù)2 min，再恢復(fù)A。部分動(dòng)物在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)情況略作適當(dāng)調(diào)整。

1.2.2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型復(fù)制前先記錄正常時(shí)心電圖，并去除心電圖異常者；參照經(jīng)典文獻(xiàn)方法，對(duì)左冠狀動(dòng)脈前降支結(jié)扎方法略作改進(jìn)。動(dòng)物用6%水合氯醛0.5 mL／100 g體質(zhì)量腹腔注射麻醉。剪毛，常規(guī)消毒皮膚。經(jīng)喉氣管插管（氣管不切開），接小動(dòng)物呼吸機(jī)。以心搏最明顯的水平面為中心，沿胸骨正中線縱向剪開皮膚，切口約1.5～2 cm，大致位于兩前肢后緣連線至第5肋骨水平。分離皮下筋膜，用彎止血鉗鈍性分離第3～5肋的胸大肌，鉗夾閉塞血管后，在靠近胸骨處剪開胸大肌，顯露肋骨。剪斷第3、4肋，盡量不損傷胸膜。用開胸器撐開兩側(cè)肋骨顯露術(shù)野，用眼科鑷夾起心包膜，剪開一小口后用止血鉗擴(kuò)大創(chuàng)口，顯露胸腺下緣和心臟。用無菌棉球向上推開胸腺，在胸腺和心底交界處輕輕提起心包，剪開心包后，于左緣左心耳根部下緣1～2mm處的冠狀動(dòng)脈左前降支下穿0／6號(hào)無損傷縫合線，從肺動(dòng)脈圓錐旁出針。結(jié)扎后先不剪斷絲線，觀察心電圖的改變和心肌顏色的變化。結(jié)扎線遠(yuǎn)端心肌顏色改變表明結(jié)扎成功，如果首次結(jié)扎沒有成功，輕輕提起縫合線在靠近心底部再次結(jié)扎。采用針形電極插入大鼠四肢皮下，記錄標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ?qū)?lián)心電圖。

1.3 數(shù)據(jù)收集和分析

1.3.1 信號(hào)采集與處理 采用SMUP-PC型生物信號(hào)處理系統(tǒng)SKY-A4三通道生理記錄儀（復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院儀器實(shí)驗(yàn)廠）同步記錄心電、動(dòng)脈血壓（部分實(shí)驗(yàn)加左心室內(nèi)壓）波形（圖1）。將生成的MFL文件導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，用MFLab301軟件將其轉(zhuǎn)換生成BRS文件，再利用MFLab301和BRS＆HRV2.0打開數(shù)據(jù)文件，并進(jìn)行相應(yīng)分析。

1.3.2 HRV、BPIV頻譜分析 頻譜轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型采用傅立葉變換AR模型法（選取RR間期變化平穩(wěn)段分析，RR間期序列長(zhǎng)度為256次心搏）。HRV、BPIV頻譜有多個(gè)峰，呼吸活動(dòng)譜成分體現(xiàn)為“呼吸峰”，波形較窄，振幅較大，通過“呼吸峰中心頻率”（呼吸頻率／心率）描述其相對(duì)位置。見圖2。

2 結(jié)果

2.1 呼吸周期和頻率對(duì)RR間期及血壓的影響

RR間期和血壓波動(dòng)與呼吸頻率呈同步周期性變化。吸氣時(shí)RR間期逐漸減小，血壓逐漸升高；呼氣時(shí)RR間期逐漸增大，血壓逐漸降低。

圖1 記錄的原始心電、動(dòng)脈壓及左心室室內(nèi)壓波形Fig.1 The originalw ave shapes of ECG，angiosthenia and intraventricular pressure of left ventricle

圖2 RR間期和動(dòng)脈壓波動(dòng)呈同步變化Fig.2 Synchronous changes of RR interval and angiosthenia

圖3 呼吸頻率40次／m in、心率512次／m in時(shí)的HRV、BPIV和呼吸功率譜密度圖Fig.3 HRV，BPIV and respiratory power spectral density graph at a respiratory rate of 40 times／m in and heart rate of 512 times／m in

2.2 呼吸頻率對(duì)HRV、BPIV呼吸峰的影響

在各呼吸頻率下，HRV及BPIV的呼吸峰（中心頻率）均與呼吸功率譜密度呼吸峰（中心頻率）在同一頻段。隨著呼吸頻率的降低，呼吸峰中心頻率逐漸左移；隨著呼吸頻率的升高，呼吸峰中心頻率逐漸右移。見圖3～圖6。

2.3 呼吸頻率、心率變化和血壓變化的趨勢(shì)一致性

在呼吸頻率調(diào)節(jié)變化時(shí)，可以觀察到大白鼠的呼吸頻率、心率和血壓的變化趨勢(shì)基本一致。見圖7、圖8。

圖4 呼吸頻率60次／m in、心率509次／m in時(shí)的HRV、BPIV和呼吸功率譜密度圖Fig.4 HRV，BPIV and respiratory power spectral density graph at a respiratory rate of 60 times／min and heart rate of 509 times／m in

圖5 呼吸頻率80次／m in、心率511次／m in時(shí)的HRV、BPIV和呼吸峰功率譜密度圖Fig.5 HRV，BPIV and power spectral density graph of respiratory peak at a breathing rate of 80 times／m in and heart rate of 511 times／m in

圖6 呼吸頻率110次／m in、心率520次／m in時(shí)的HRV、BPIV和呼吸峰功率譜密度圖Fig.6 HRV，BPIV and power spectral density graph of respiratory peak at a breathing rate of 110 times／m in and heart rate of 520 times／m in

圖7 7號(hào)心肌缺血大白鼠呼吸頻率、心率變化和血壓的變化趨勢(shì)Fig.7 The variation trend of respiratory rate，heart rate and blood pressure of No.7 rat with myocardial ischem ia

圖8 1號(hào)正常大白鼠呼吸頻率、心率變化和血壓的變化趨勢(shì)Fig.8 The variation trend of respiratory rate，heart rate and blood pressure of No.1 normal rat

2.4 呼吸頻率的變化對(duì)心律失常的影響

在對(duì)部分正常大白鼠的連續(xù)記錄中，可以觀察到當(dāng)大白鼠的呼吸頻率從60次／min—50次／min—40次／min—30次／min逐步降低時(shí)，在30次／min過慢呼吸后出現(xiàn)明顯的室性早搏二聯(lián)律（圖9）。而在對(duì)部分心肌缺血大白鼠的連續(xù)記錄中，可以觀察到大白鼠的室性早搏二聯(lián)律隨著呼吸頻率從120次／min—70次／min—60次／min—55次／min—45次／min降低明顯減少（圖10）。

3 討論

3.1 呼吸頻率對(duì)心率變異和血壓即時(shí)變異的影響

本實(shí)驗(yàn)通過呼吸頻率調(diào)節(jié)同步記錄心電、血壓波形，觀察到呼吸頻率的改變引起了RR間期及血壓周期性的變化。呼吸引起的心率變化即呼吸性竇性心律不齊，其產(chǎn)生機(jī)制如下：①心血管和呼吸中樞通過呼氣驅(qū)動(dòng)直接調(diào)節(jié)迷走神經(jīng)節(jié)前神經(jīng)元；②通過肺擴(kuò)張反射性抑制迷走神經(jīng)的傳出活動(dòng)；③通過呼吸引起的血壓波動(dòng)激活壓力感受器，反射性調(diào)節(jié)迷走神經(jīng)傳出功能；④呼吸引起心房跨壁壓改變，造成對(duì)竇房結(jié)的機(jī)械牽拉，使P細(xì)胞自律性發(fā)生周期性改變。而呼吸引起的血壓變化稱為呼吸性BPIV，可能與呼吸引起的心率及胸腔內(nèi)壓的周期性變化有關(guān)。我們前期在家兔實(shí)驗(yàn)［1－2］和Akselrod等［3］在狗的實(shí)驗(yàn)中都證實(shí)呼吸對(duì)BPIV的影響主要來自心率的周期性變化，為RR間期變化的二次效應(yīng)，可能與心率周期性改變致心輸出量和心臟舒張期時(shí)間周期性改變，繼而引起血壓波動(dòng)有關(guān)。同時(shí)，呼吸可致胸腔內(nèi)壓周期性改變，影響靜脈回流，進(jìn)而影響心輸出量，造成血壓周期性波動(dòng)。本文中的大白鼠實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證了呼吸頻率變化與相鄰二次的心跳和動(dòng)脈壓的關(guān)系：HRV、BPIV的呼吸頻譜峰＝呼吸頻率／心率［1－2］。

圖9 1號(hào)正常大白鼠呼吸與心電記錄Fig.9 The respiratory and ECG recordings of No.1 normal rat

圖10 7號(hào)心肌缺血大白鼠呼吸與心電記錄Fig.10 The respiratory and ECG recordings of No.7 rat with m yocardial ischem ia

3.2 呼吸頻率對(duì)心率及血壓趨勢(shì)變化的影響

通過呼吸頻率調(diào)節(jié)同步記錄心電、血壓波形，我們觀察到大白鼠的呼吸頻率與心率及血壓的變化趨勢(shì)有基本一致的作用，這在呼吸頻率降低時(shí)較為明顯。上述結(jié)果與以往學(xué)者通過人體試驗(yàn)得出的結(jié)論有相同之處。我們認(rèn)為，這與降低呼吸頻率致迷走神經(jīng)張力增大，有助交感-迷走平衡移向迷走神經(jīng)有關(guān)［4］。而心率和血壓的變化更趨向于一致，這和影響血壓變化的因素有關(guān)。在其他條件不變的情況下，每搏輸出量的多少會(huì)直接影響動(dòng)脈血壓的高低，每搏輸出量多，血壓升高；輸出量少，血壓下降。心輸出量則取決于每搏輸出量和每分鐘的心搏頻率。如果每搏輸出量不變而心搏頻率升高，則動(dòng)脈血壓明顯上升，對(duì)舒張壓影響較大。如果心搏頻率不變而每搏輸出量增多，則收縮壓明顯升高。因此，通過呼吸訓(xùn)練來降低呼吸頻率，增強(qiáng)迷走神經(jīng)興奮，抑制心臟活動(dòng)，降低心率和心輸出量，從而降低動(dòng)脈血壓，對(duì)人體應(yīng)激下調(diào)節(jié)血壓、避免心血管傷害是有可能的。

3.3 呼吸頻率對(duì)正常和心肌缺血的心律失常的影響

以往很多研究都認(rèn)為呼吸頻率降低對(duì)增加迷走神經(jīng)張力有益，從而能改善和調(diào)節(jié)自主神經(jīng)平衡。Pramanik等［4］研究證實(shí)慢呼吸可緩解壓力，與迷走神經(jīng)興奮有關(guān)。很多學(xué)者認(rèn)為交感神經(jīng)興奮、迷走神經(jīng)張力減小在一些心血管疾病（如高血壓、冠心病、心衰等）的病理生理過程中起著重要作用［5－7］，因此有可能通過降低呼吸頻率來增大迷走神經(jīng)張力，使交感-迷走平衡移向迷走神經(jīng)，從而對(duì)心血管疾病的防治發(fā)揮一定的作用［8］。然而，本實(shí)驗(yàn)的部分結(jié)果顯示：在對(duì)部分心肌缺血大白鼠的連續(xù)記錄中，可以觀察到大白鼠的心律失常（室性早搏）隨著呼吸頻率的降低而改善，同時(shí)在對(duì)正常大白鼠的連續(xù)記錄中呼吸頻率過慢時(shí)卻出現(xiàn)心律失常，二者相矛盾。我們認(rèn)為這可能與實(shí)驗(yàn)對(duì)象的基礎(chǔ)自主呼吸頻率有關(guān)。基礎(chǔ)自主呼吸頻率是由自身整體的機(jī)體平衡要求決定的，在未經(jīng)訓(xùn)練的情況下，過分降低呼吸頻率會(huì)引起機(jī)體在神經(jīng)、生化、代謝等方面的失衡，從而出現(xiàn)包括心律失常在內(nèi)的各種反應(yīng)。這與我們?cè)诓糠秩梭w試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象是一致的。在未經(jīng)訓(xùn)練的情況下，當(dāng)呼吸頻率降到5～8次／min時(shí)，就能觀察到BPIV與呼吸和心率的變化產(chǎn)生不同步現(xiàn)象［2］，這就不能用本文前面論述的機(jī)制來解釋，而需要用更多類似的實(shí)驗(yàn)加以進(jìn)一步研究。同時(shí)，上述結(jié)果也提醒我們，在養(yǎng)生鍛煉的呼吸訓(xùn)練中，呼吸頻率可能并非越低越好，而是應(yīng)根據(jù)鍛煉者的實(shí)際情況確定合理、科學(xué)的呼吸訓(xùn)練方法，后續(xù)我們將開展這方面的研究。

4 結(jié)論

大白鼠的呼吸頻率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了大白鼠的HIV和BPIV能隨著呼吸頻率的變化而同步變化，是短時(shí)或即時(shí)變化，符合呼吸性竇性心律不齊的生理機(jī)制，為RR間期變化的二次效應(yīng)，反映了自主神經(jīng)平衡調(diào)節(jié)的結(jié)果。心率和血壓的同步性趨勢(shì)變化與心搏頻率有關(guān)，因此有可能通過呼吸訓(xùn)練降低呼吸頻率、增強(qiáng)迷走神經(jīng)興奮來抑制心臟活動(dòng)，從而降低心率和心輸出量，降低動(dòng)脈血壓。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，降低呼吸頻率有可能能減少心肌缺血引起的心律失常，但過分降低呼吸頻率則可能會(huì)引起機(jī)體失衡（如心律失常）。

［1］沈仲元，Shin Lin，閻世彪，等.家兔呼吸調(diào)節(jié)下血壓即時(shí)變異與心率變異關(guān)系的研究［J］.上海中醫(yī)藥雜志，2013，47（3）：72－75.

［2］沈仲元，Shin Lin，竺英祺，等.正常人體呼吸頻率調(diào)節(jié)下血壓即時(shí)變異與心率變異關(guān)系的研究［J］.江蘇實(shí)用心電學(xué)雜志，2013，22（1）：486－491.

［3］Akselrod S，Gordon D，Madwed JB，et al.Hemodynamic regulation：investigation by spectral analysis［J］.Am J Physiol，1985，249（4Pt2）：H867－H875.

［4］Pramanik T，Pudasaini B，Prajapati R.Immediate effect of a slow pace breathing exercise Bhramari pranayama on blood pressure and heart rate［J］.Nepal Med Coll J，2010，12（3）：154－157.

［5］He FJ，MacGregor GA.A comprehensive review on salt and health and current experience ofworldwide salt reduction programmes［J］.J Hum Hypertens，2009，23（6）：363－384.

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In fluence of respiratory regulation on the changes of heart rate and blood p ressure in rats with m yocardial ischem ia

Zhu Ying-qi1，Shen Zhong-yuan1，Shin Lin2，Xia Chun-mei3，Zhu Da-nian3，Cao Yin-xiang3（1.ShanghaiQigong Institute，Shanghai University of Traditional Chinese Medicine，Shanghai 200030；2.Department of Biophysical Research Center，University of California，Irvine，CA 92697，USA；3.Department of Physiology，Medical School of Fudan University，Shanghai200433，China）

Objective To explore the role of respiratory rate change in regulating the balance of cardiovascular autonomic nerve and its influence on arrhythmia aftermyocardial ischemia.Methods Seventeen standard laboratory rats including9 in normal group and 8 inmyocardial ischemiamodel group were conducted with mechanical ventilation by ventilator to change respiratory rates.The fundamental tidal volume was constantly set at10 mL／kg while respiratory rate changed（increasing by 10%and 20%，and decreasing by 10%and 20%of fundamental respiratory rate）.Blood pressure and heart rate were recorded continuously；the influence of respiration rate regulation on heart rate variability（HRV）and blood pressure instant variability（BPIV）was analyzed；the synchronismof respiration rate with changes of heart rate and blood pressure was observed；the effect of reduced respiration rate on HRV in the two groups was evaluated.Resu lts The cyclical changes of RR interval and blood pressure coincided with respiratory rate.The central frequencies of HRV and BPIV were both consistentwith thatof respiratory power spectral density.The variation trend of respiratory rate was essentially in agreementwith that of heart rate and blood pressure，and especially，the variation trend of heart rate and blood pressurewas completely identical.Conclusion HRV and BPIV under respiratory regulation correspond with physiologicalmechanism of respiratory sinus irregularity.It is the secondary effect of RR interval changes and reflects the results of autonomic nervous balance.The frequency of heart beat contributes to the synchronous changes of heart rate and blood pressure.It may reduce the incidence ofmyocardial-ischemia-induced arrhythmia to slow respiratory rate.

respiratory rate regulation；autonomic nerves；heart rate variability；blood pressure instant variability；myocardial ischemia

R542.2

A

2095－9354（2017）02－0094－05

10.13308／j.issn.2095－9354.2017.02.003

2017－01－12）

（本文編輯：顧艷）

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81072853）；上海市教委預(yù)算內(nèi)科研資助項(xiàng)目（2015YSN31）；上海市衛(wèi)計(jì)委青年科研資助項(xiàng)目（20134Y181）

200030上海，上海中醫(yī)藥大學(xué)氣功研究所（竺英祺，沈仲元）；92697美國加利福尼亞，加州大學(xué)爾灣分校生物物理研究中心（Shin Lin）；200433上海，復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院生理系（夏春梅，朱大年，曹銀祥）

竺英祺，助理研究員，主要從事醫(yī)學(xué)生理、生物醫(yī)學(xué)工程研究。

沈仲元，E-mail：szy1128＠hotmail.com