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体外反搏是一种通过体外无创性机械式按压下半身,使主动脉舒张压大幅增高,辅助心脏做功,增加脏器舒张期血流灌注的辅助循环方法,对心脑血管缺血性疾病的预防、治疗和康复具有重要的临床意义。体外反搏作用于人体后,引起了人体血流重分布,其通过提高舒张压增加冠状动脉血流量,改善心肌的缺血状况;通过提高平均动脉压来提高脑灌注压,使脑血管的血流量保持在一个较高的水平,改善大脑缺血状况,是为体外反搏的即时血流动力学效应。而体外反搏长期作用于人体的过程中,以血管内皮细胞为靶目标,通过改善其局部血流动力学环境,从而修饰血管炎症反应、保护血管内皮和改善血管功能、促进血管的良性重构,是为体外反搏的远期血流动力学效应。即时效应和远期效应对缺血脏器血流动力学的改善,对于心脑血管疾病的康复治疗都具有显著的意义。然而,目前传统的体外反搏临床治疗只以舒张压/收缩压（Q=D/S≥1.2）为目标,该指标缺乏血流动力学机制的解释,由此导致体外反搏的科学治疗存在一些局限性。首先,体外反搏的血流动力学效应定量化机理方面缺乏深入研究:在反搏过程中,不同的反搏模式与人体血流重分布、病变血管局部血流动力学环境变化的定量关系尚不清楚;并且针对不同的适应症,如冠心病和缺血性脑卒中,体外反搏缺乏区别性、专门化的治疗策略,导致体外反搏的精准治疗方面技术创新不足,治疗效果因病而异;另外,对不同患者个体,缺乏个性化的治疗方案,造成部分患者体外反搏疗效不佳,个性化差异较大。因此,本研究定量地探索了不同反搏模式对于心脑血管的血流动力学效应,并针对不同适应症、不同患者,开发了基于血流动力学效应优化的专门化、个性化体外反搏治疗策略,具体研究内容如下:1.通过建立闭环式血液循环系统集中参数模型,研究了不同反搏模式的宏观即时血流动力学效应,包括舒张压、平均动脉压及心脑血管血流灌注的变化等。模型中考虑了反搏施加于人体后引起的下肢动脉血管塌陷机制,以及循环系统和心脑脏器的神经调节机制。研究发现,压力幅值的增大和每个心动周期内加压时长的延长都会导致平均动脉压、冠脉血流量和脑血流量的提升,利于心脑血管即时血流动力学效应的改善,并且加压时长的影响更为显著。另外,本研究通过仿真结果与临床报导数据的对比验证了模型计算的准确性和有效性。2.通过建立0D/3D耦合的冠状动脉和脑动脉几何多尺度模型,精细化探索了反搏过程中心脑血管局部血流动力学环境的变化,提取的力学参数包括壁面切应力（Wall shear stress,WSS）、振荡剪切指数（Oscillatory shear index,OSI）等,以评估以血管内皮细胞为靶目标的体外反搏远期血流动力学效应。研究发现,反搏状态下冠脉狭窄下游的WSS明显增高,OSI降低,并且施加越高的压力幅值效果越明显,形成抑制动脉粥样硬化进展的良好血流动力学环境,利于促进血管的良性重构。而不同反搏模式的影响的研究结果则与即时血流动力学效应规律相似。压力幅值的增大和加压时长的延长都会导致冠状动脉和脑动脉WSS的提高,降低OSI。然而,由于加压时长的影响较为显著,过长的加压时长会导致冠状动脉整体的时间平均壁面切应力（Time-averaged WSS,TAWSS）过高,局部危险血流动力学区域增加,并且狭窄处过高的TAWSS可能是引起斑块破裂的危险信号。而与冠脉不同的是,脑动脉整体的TAWSS在较长的加压时长下则处于良性合理范围。因此,对冠心病患者来说不建议进行每个心动周期内较长时间的加压治疗,可通过增加压力幅值改善远期疗效;而对脑卒中患者则可以通过适当延长加压时长从而提高远期治疗收益。3.远期效应是体外反搏疗效的重要因素,而影响远期效应的力学参数在临床中无法实时测量。因此,本研究进行了临床实验,针对冠心病和脑卒中,建立两种不同适应症的体外反搏远期血流动力学效应数学评价模型,通过临床可测的宏观血流动力学指标评价远期疗效。基于冠状动脉和脑动脉的几何多尺度模型,定量模拟了不同反搏模式下的宏观指标与影响远期效应的血流动力学参数,通过曲线拟合的方法确定二者的函数映射数学模型,即体外反搏治疗心脑血管疾病的远期血流动力学效应评价模型,从而可以基于临床可测的血流动力学指标实时地评估反搏模式的远期疗效。4.针对不同患者,开发了体外反搏个性化治疗策略规划系统。首先基于临床收集的30例生理数据,开发了血液循环系统集中参数模型个性化算法,用于个性化体外反搏血流动力学仿真。结合远期效应评价模型,个性化集中参数模型仿真计算得出的宏观指标可用于评估当前反搏模式的远期治疗效果。而后基于体外反搏干预循环系统即时血流动力学的规律,以改善心脑血管疾病的远期血流动力学效应为目标,并结合患者个性化的狭窄病变程度,实现反搏治疗模式的优化。针对不同疾病、不同患者,最终形成基于血流动力学效应优化的专门化、个性化精准体外反搏治疗策略。另外,本研究开发了个性化体外反搏治疗策略规划系统,为辅助临床体外反搏治疗提供了技术手段。综上,本研究定量阐明了体外反搏作用于人体后引起的即时血流重分布规律和心脑血管的远期血流动力学效应,分别对冠心病和缺血性脑卒中患者定性地提出了体外反搏专门化治疗方法的建议;通过建立定量的远期效应评价模型,开发个性化体外反搏血流动力学仿真方法,从血流动力学效应优化的角度出发,为不同适应症、不同患者制定优化的反搏治疗策略,为辅助临床体外反搏的科学治疗提供了血流动力学理论依据。同时,基于以上研究内容,开发了个性化体外反搏治疗策略规划系统,为提高临床的治疗收益提供了理论解决方案和技术手段,对缺血性心脑血管慢性疾病患者的康复治疗具有潜在的应用价值。