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本文提出了一种创新的集总参数模型，将五室视网膜血管网络与响应静水压变化而动态耦合的眼内压（IOP）模块相结合，用于模拟重力及体位改变对血流的影响。该模型成功复现了头低位倾斜（HDT）实验数据，揭示了眼动脉压和IOP通过视网膜循环非线性传播的规律，指出中央视网膜动脉（CRA）及小动脉段是血流调节紊乱和视神经损伤的关键易损点。这一模型为深入理解空间飞行相关神经眼综合征（SANS）的发病机制提供了量化工具，并为青光眼、高血压性视网膜病变等陆地疾病的研究开辟了新途径。
引言
空间飞行相关神经眼综合征（SANS）是人类长期太空飞行面临的一项重大生理挑战。它表现为宇航员在长期暴露于微重力后出现的一系列眼部及神经眼科改变，包括视盘水肿、脉络膜皱褶、眼球变平及远视漂移。尽管最初归因于颅内压（ICP）升高和跨筛板压力梯度的改变，但越来越多的证据表明，SANS是一种由头向流体转移、脑静脉充血、局部脑脊液动力学和类淋巴清除功能障碍共同驱动的多因素疾病。这些相互关联的病理生理机制改变了眼部灌注、脉络膜循环和视网膜血管自我调节，导致结构和功能的视觉改变，甚至在返回地球后也可能持续存在。然而，由于在飞行中难以获取ICP和眼部循环的测量数据，SANS的精确病理生理学仍然只是部分地被理解。
当前模型的局限性
研究人员依靠头低位倾斜（HDT）卧床研究作为地面模拟，来研究头向流体转移和SANS相关机制。为了更好量化重力变化、颅内和眼部血流动力学之间复杂的相互作用，计算模型已成为重要的补充工具。然而，目前的眼部模型仍然无法完全捕捉不同眼室之间的复杂性和相互作用。例如，现有的模型要么未考虑视网膜血管系统，要么没有将视网膜血管系统与IOP的变化动态耦合起来。
本研究的动机与创新点
考虑到其高代谢需求和对于氧合及灌注波动的敏感性，视网膜在空间飞行引起的视觉障碍中扮演着核心角色。为了弥补现有模型的不足，本研究开发了一个计算模型，通过将流体再分布动力学与因身体倾斜引起的IOP变化相耦合，来模拟重力和体位变化对视网膜循环的影响。模型的一个显著创新在于整合了两个不同但相互关联的模型：一个来自Guidoboni等人（2014）的视网膜血管网络模型，以及一个来自Nelson等人（2017）的响应重力定向的IOP模型。通过耦合这些组件，该模型提供了眼部循环的生理学精确表示，反映了IOP波动与视网膜血流动力学之间的真实相互作用。
材料与方法
模型结构与原理
本研究采用集总参数建模方法，将视网膜血管系统划分为五个隔室：中央视网膜动脉（CRA）、小动脉、毛细血管、小静脉和中央视网膜静脉（CRV）。每个血管段被建模为电路中的元件，其中压力对应电压，流量对应电流，血管特性则通过电阻和电容来建模。与之前将IOP视为固定边界条件的模型不同，本研究将IOP建模为一个动态的状态变量。这一方法基于Nelson等人（2017）最初提出的数学模型，并经过Petersen等人（2022）和Fois等人（2024）的改进。这使得模型能够捕捉在微重力和HDT等重力条件改变下，理解瞬态效应和血流动力学响应所必需的反馈机制。
边界条件与体位效应
模型的主要输入参数是眼动脉上游的血压（Pin）。为了模拟HDT操作，模型考虑了相对于水平轴的多个倾斜角度（90°、0°、-6°、-15°、-30°）。通过将静水压分量（Ph= ρgh·sinθ）添加到直立条件（90°）下的输入压力来计算不同倾斜角度下的动脉输入压力。此外，根据Nelson等人（2017）的经验关系，巩膜外静脉压（EVP）也随倾斜角而变化。这些压力依赖的边界条件使模型能够根据身体位置动态调整动脉和静脉压力，从而提高了其在模拟重力对眼部血流动力学影响的生理准确性。
结果
眼部平均动脉压、眼内压与视网膜血流量
模型预测的眼部平均动脉压（MAPeye）从90°时的56.92 mmHg逐渐增加到-30°时的86.17 mmHg，显示出清晰的静水压梯度，与Petersen等人（2022）的实验数据趋势一致。IOP表现出明显的体位依赖性，从直立位置（90°）的16.27 mmHg增加到-30°倾斜时的29.52 mmHg，增幅约81%。相比之下，眼部灌注压（OPP = MAPeye- IOP）在倾斜角度范围内保持相对稳定，仅从0°时的57.92 mmHg略微下降到-30°时的56.65 mmHg。
模型预测的视网膜总血流量在直立位置（90°）为38.86 μl/min，这落在Garhofer等人（2012）报道的健康受试者实验数据的四分位范围内。随着倾斜角减小，血流量的变化幅度较小且符合生理预期。
沿血管段的血压变化
不同视网膜血管中的血压随倾斜角减小而逐渐增加，在θ = -30°时观察到最高值。在中央视网膜动脉段，压力波形显示出明显的收缩期上升，而脉动性在下游迅速衰减：小动脉仅表现出小幅振荡，微血管隔室的波形振幅很低。值得注意的是，在θ = -30°时，峰值和谷底压力均高于θ = 90°时。
收缩期峰值速度
模型预测的中央视网膜动脉收缩期峰值速度（PSV）与Sirek等人（2014）报道的实验数据趋势一致，即PSV随倾斜角增大（至-6°）而增加，之后略有下降。此外，根据Mader等人（1993）在抛物线飞行实验中观察到的微重力引起的血管收缩现象，在-6°和-30°倾斜角下引入4%的CRA直径减少后，模型的PSV预测值显著提高，与实验数据的吻合度得到改善。
其他血流动力学参数
随着身体从-30°头低位倾斜过渡到平卧位（0°），视网膜血流量和舒张末期速度（EDV）均逐渐增加。而当恢复直立姿势（90°）时，两者均下降。与此同时，阻力指数（RI）从-30°时的0.679下降到0°时的0.64，然后在90°时上升到0.75。
讨论
模型准确地再现了实验观察到的生理趋势的方向和幅度，凸显了其在不同重力状态下的稳健性和生理可靠性。模拟显示CRA压力波形具有明显的脉动性，这与CRA作为眼动脉直接分支、能够传递系统性动脉压力振荡而阻尼最小的解剖学特征相符。
OPP的相对稳定性，尽管IOP随体位变化显著增加，提示存在有效的视网膜血流动力学反应机制。这种补偿性保护反应对于在急性重力挑战下保护视盘免受缺血性损伤至关重要。然而，在长期或极端的重力暴露下，或对于血管自我调节功能受损的个体，这种保护可能变得不足，这可能是SANS发展的一个促成因素。
CRA到下游隔室的脉动衰减反映了血管阻力和顺应性对传递压力波的被动阻尼作用。体位依赖性基线压力的增加与HDT下颅内静水压的重新分布一致，这可能影响IOP。
引入4%的CRA直径减少后，模型在负倾斜角度下与PSV实验数据的吻合度提高，支持了微重力引起的血管收缩有助于观察到的PSV趋势这一假说。
局限性与未来发展
当前模型存在一些局限性。首先，它无法完全复制太空飞行的复杂生理环境。其次，模型目前缺乏个体间的生理变异性。此外，模型未纳入辐射诱导的血管效应。从方法论角度看，对泊肃叶定律的应用假设了刚性、圆柱形血管和牛顿流体行为，这可能过度简化了视网膜微循环的复杂流变特性。本框架未明确解析脉络膜循环或主动的视网膜自我调节反馈（肌源性张力、血流介导的扩张）。未来的发展将包括将框架扩展至全眼模型，增加睫状体和脉络膜段以及主要的房水通路，并引入简单的小动脉自我调节机制。该框架未来还可以与已建立的脑脊液动力学和脑血流动力学模型集成，创建一个研究颅眼相互作用的综合平台。
结论
本研究提出了一个基于生理学的计算模型，捕捉了不同重力和体位条件下的视网膜血流动力学响应。通过将IOP与血管循环动态耦合，该模型超越了之前的静态框架，能够预测体位引起的静水压转移如何影响视网膜灌注和眼压调节。结果表明，体位改变导致视网膜血管隔室的压力发生显著重新分布，其中中央视网膜动脉和小动脉等动脉段表现出最大的敏感性。该模型为深入理解空间飞行相关神经眼综合征（SANS）的发病机制提供了机制性见解，并为青光眼、高血压性视网膜病变等涉及眼内压和血管调节紊乱的陆地疾病的研究提供了一个可转移的工具。
