基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型的制作方法
【專利摘要】基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型，包括體循環(huán)子模型、肺循環(huán)子模型、心臟子模型、肺動(dòng)脈瓣和主動(dòng)脈瓣，心臟子模型中，左心房、左心室，右心房、右心室的游離壁均用依次串聯(lián)的第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、時(shí)變倒電容和電阻表示，心室中間的耦合壁的彈性用電容表示，左心房和左心室之間的二尖瓣用依次串聯(lián)在左心房的電阻端和左心室的電阻端之間的電感、電阻和伯努利阻抗表示；右心房和右心室之間的三尖瓣用依次串聯(lián)在右心房的電阻端和右心室的電阻端之間的伯努利阻抗、電阻和電感表示。本發(fā)明滿足構(gòu)造模型的基本原則,體現(xiàn)了心血管系統(tǒng)的細(xì)節(jié)特征,為心音信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理分析奠定了基礎(chǔ)。
【專利說(shuō)明】基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型。

【背景技術(shù)】
[0002] 心血管系統(tǒng)是一個(gè)封閉的管道系統(tǒng)，是人體生理過(guò)程中最為重要的系統(tǒng)之一。心 血管系統(tǒng)的仿真計(jì)算模型，能夠反映出人體生理特征參數(shù)、血液動(dòng)力學(xué)變量以及心音聽(tīng)診 參數(shù)之間的關(guān)系，還能體現(xiàn)出心臟各個(gè)組成部分的功能和狀態(tài)。通過(guò)對(duì)心血管系統(tǒng)的仿真 模型的研究，可以為正常或病態(tài)的心音產(chǎn)生機(jī)理提供了一種可行的理論依據(jù)，并且心血管 系統(tǒng)仿真模型是學(xué)習(xí)心臟的生理機(jī)能和研究心臟聽(tīng)診的很好的工具。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提出一種基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型，利用心血管系統(tǒng) 仿真模型去分析心室心房血容量、心房心室壓力、動(dòng)脈血流量和表征正常和非正常心血管 狀態(tài)。本發(fā)明基于流體力學(xué)與電氣網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)基礎(chǔ)理論，建立一種基于集總參數(shù)的心血管 系統(tǒng)仿真模型。該心血管系統(tǒng)仿真模型分為三個(gè)子模型：體循環(huán)子模型、肺循環(huán)子模型及心 臟子模型。重點(diǎn)分析了體循環(huán)子模型和心臟子模型，給出收縮壓，舒張壓，射血分?jǐn)?shù)等血流 參數(shù)和仿真波形圖，并對(duì)心音產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析。然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，增加了肺循 環(huán)、血管、耦合壁等，使其形成一個(gè)閉合的循環(huán)回路，構(gòu)成了心血管系統(tǒng)仿真模型，利用狀態(tài) 變量分析法建立該模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并進(jìn)行模擬仿真，得出心室心房血容量、心房心室壓 力、動(dòng)脈血流量等仿真結(jié)果，并且可以利用該模型仿真高血壓病態(tài)和心衰病態(tài)狀況。
[0004] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型，包括體循 環(huán)子模型、肺循環(huán)子模型、心臟子模型、右心室和肺循環(huán)子模型之間的肺動(dòng)脈瓣，以及左心 室和體循環(huán)子模型之間的主動(dòng)脈瓣，其中心臟子模型包括左心房、左心室，右心房、右心室 四個(gè)腔室和心室中間的耦合壁，其特征是：
[0005] 所述心臟子模型中，左心房、左心室，右心房、右心室的游離壁均用依次串聯(lián)的第 一壓力傳感器、第二壓力傳感器、時(shí)變倒電容和電阻表示，心室中間的耦合壁的彈性用電容 表示，其中，第一壓力傳感器端接地，電阻端為輸出端，左心房和左心室之間的二尖瓣用依 次串聯(lián)在左心房的電阻端和左心室的電阻端之間的電感、電阻和伯努利阻抗表示；右心房 和右心室之間的三尖瓣用依次串聯(lián)在右心房的電阻端和右心室的電阻端之間的伯努利阻 抗、電阻和電感表示，其中，第一壓力傳感器表示胸廓內(nèi)壓，第二壓力傳感器表示心包壓，時(shí) 變倒電容表示心肌的彈性系數(shù)，電阻表征血流粘性阻力，電感表示血流慣性，伯努利阻抗表 示血流粘性的動(dòng)態(tài)阻力。
[0006] 所述肺循環(huán)子模型由肺動(dòng)脈，肺靜脈以及肺毛細(xì)血管級(jí)聯(lián)組成，肺動(dòng)脈、肺靜脈和 肺毛細(xì)血管均由兩條并聯(lián)的肺循環(huán)支路組成，第一肺循環(huán)支路由依次串聯(lián)的第一支路電阻 和第一支路電感組成，第二肺循環(huán)支路由依次串聯(lián)的第二支路電阻、第二支路電容和第二 支路壓力傳感器組成，肺動(dòng)脈、肺靜脈和肺毛細(xì)血管的第一肺循環(huán)支路依次連接；其中，第 一支路電阻表示血液流動(dòng)產(chǎn)生的阻力，第一支路電感表示血流的慣性，第二支路電阻表示 彈性腔的內(nèi)部阻力，第二支路電容表示血管的順應(yīng)性，第二支路壓力傳感器表示胸內(nèi)壓。
[0007] 所述體循環(huán)子模型由主動(dòng)脈、動(dòng)脈、毛細(xì)血管、靜脈和腔靜脈組成，主動(dòng)脈用依次 串聯(lián)的主動(dòng)脈電容、主動(dòng)脈第一電阻、主動(dòng)脈電感和主動(dòng)脈第二電阻表示，動(dòng)脈、毛細(xì)血管、 靜脈和腔靜脈均用兩條并聯(lián)的體循環(huán)支路表示，第一體循環(huán)支路由第一血管電阻和第一血 管電容串聯(lián)組成，第二體循環(huán)支路由第二血管電感和第二血管電阻串聯(lián)組成，其中電容表 示血液的順應(yīng)性，電阻表示血流粘性阻力，電感表示血流慣性；主動(dòng)脈、動(dòng)脈的第一體循環(huán) 支路、毛細(xì)血管的第一體循環(huán)支路、靜脈的第一體循環(huán)支路和腔靜脈的第一體循環(huán)支路依 次首位連接。
[0008] 所述右心室和肺循環(huán)子模型輸入端之間的肺動(dòng)脈瓣用依次串聯(lián)的電阻、伯努利阻 抗和電感表示，其中，電阻表示肺動(dòng)脈瓣的血流阻力，電感表示肺動(dòng)脈瓣中血液的慣性效 應(yīng)，伯努利阻抗Bpv表示血流粘性的動(dòng)態(tài)阻力；
[0009] 所述左心室和體循環(huán)子模型輸入端之間的主動(dòng)脈瓣用依次串聯(lián)的電阻、伯努利阻 抗和電感，電阻表示主動(dòng)脈瓣的血流阻力，電感表示主動(dòng)脈瓣中血液的慣性效應(yīng)，伯努利阻 抗Bav表示血流粘性的動(dòng)態(tài)阻力。
[0010] 心血管系統(tǒng)建模是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，為了使模型盡可能的符合實(shí)際情況，構(gòu)造心血 管系統(tǒng)仿真模型應(yīng)遵循如下原則：
[0011] (1) 一致性原則：是指通過(guò)模型所得到的參數(shù)或仿真波形盡可能與實(shí)測(cè)的參數(shù)或 波形相一致。
[0012] (2)可解釋原則：是指設(shè)計(jì)的心血管系統(tǒng)仿真模型可以解釋心血管的生理機(jī)制以 及心音的產(chǎn)生機(jī)制，并且能用狀態(tài)變量來(lái)表示生理學(xué)上的心血管參數(shù)，可以通過(guò)觀測(cè)狀態(tài) 變量的變化趨勢(shì)來(lái)研究心臟的生理狀態(tài)。
[0013] (3)可控制原則：是指通過(guò)改變模型的一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)能夠模擬出心血管系統(tǒng)的 健康或者病態(tài)的情形，以及研究系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)變化與心音變化以及心血管參數(shù)變化的關(guān) 系。
[0014] 有益效果：研究心血管系統(tǒng)的特性對(duì)心血管疾病發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)、疾病的預(yù)防和 治療有重要的意義。本發(fā)明提出集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型滿足了構(gòu)造模型所需的三 個(gè)基本原則，體現(xiàn)了心血管系統(tǒng)的一些細(xì)節(jié)特征，為心音信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理分析奠定了良好 的基礎(chǔ)，也為心血管疾病的研究提供了一種新途徑。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型的框圖；
[0016] 圖2心臟子模型；
[0017] 圖3體循環(huán)子模型；
[0018] 圖4肺循環(huán)中的血管模型；
[0019] 圖5基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 首先按照構(gòu)造心血管系統(tǒng)仿真模型的原則分別設(shè)計(jì)出體循環(huán)子模型、肺循環(huán)子模 型及心臟子模型，如附圖2、3、4所示；然后根據(jù)一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)血流的流經(jīng)方向以及各段 血管的血流量將心臟、體循環(huán)和肺循環(huán)進(jìn)行連接，得到基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模 型如附圖5所示。
[0021] 基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型的框圖如附圖1所示。
[0022] 如圖5所示，基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型，包括體循環(huán)子模型、肺循環(huán)子 模型、心臟子模型、右心室和肺循環(huán)子模型之間的肺動(dòng)脈瓣，以及左心室和體循環(huán)子模型之 間的主動(dòng)脈瓣，其中心臟子模型包括左心房、左心室，右心房、右心室四個(gè)腔室和心室中間 的耦合壁。
[0023] 1.心臟子模型
[0024] 如圖2所示，右心房由依次串聯(lián)的第一壓力傳感器Pit、第二壓力傳感器Ppc、時(shí)變 倒電容era和電阻sra組成，第一壓力傳感器Pit表示胸廓內(nèi)壓，第二壓力傳感器Ppc表示 心包壓，時(shí)變倒電容era表示左心房游離壁，電阻sra表征血流粘性阻力。
[0025] 右心室由依次串聯(lián)的第一壓力傳感器Pit、第二壓力傳感器Ppc、時(shí)變倒電容erv 和電阻srv組成，第一壓力傳感器Pit表示胸廓內(nèi)壓，第二壓力傳感器Ppc表示心包壓，時(shí) 變倒電容erv表示右心房游離壁，電阻srv表征血流粘性阻力。
[0026] 左心房由依次串聯(lián)的第一壓力傳感器Pit、第二壓力傳感器Ppc、時(shí)變倒電容ela 和電阻sla組成，第一壓力傳感器Pit表示胸廓內(nèi)壓，第二壓力傳感器Ppc表示心包壓，時(shí) 變倒電容ela表示左心房游離壁，電阻sla表征血流粘性阻力。
[0027] 左心室由依次串聯(lián)的第一壓力傳感器Pit、第二壓力傳感器Ppc、時(shí)變倒電容erv 和電阻srv組成，第一壓力傳感器Pit表示胸廓內(nèi)壓，第二壓力傳感器Ppc表示心包壓，時(shí) 變倒電容elv表示左心室游離壁，電阻slv表征血流粘性阻力。
[0028] 右心室和肺循環(huán)子模型輸入端之間的肺動(dòng)脈瓣用依次串聯(lián)的電阻Rpv、伯努利阻 抗Bpv和電感Lpv表示，其中，電阻Rpv表示肺動(dòng)脈瓣的血流阻力，電感Lpv表示肺動(dòng)脈瓣 中血液的慣性效應(yīng)，伯努利阻抗Bpv表示血流粘性的動(dòng)態(tài)阻力；
[0029] 左心室和體循環(huán)子模型輸入端之間的主動(dòng)脈瓣用依次串聯(lián)的電阻Rav、伯努利阻 抗Bav和電感Lav表示，電阻Rav表示主動(dòng)脈瓣的血流阻力，電感Lav表示主動(dòng)脈瓣中血液 的慣性效應(yīng)，伯努利阻抗表示血流粘性的動(dòng)態(tài)阻力。
[0030] 心臟的主要?jiǎng)恿?lái)自心臟的周期性舒張和收縮運(yùn)動(dòng)，心臟子模型按五部分（左、 右心室游離壁，左、右心房游離壁以及心室中間的耦合壁）來(lái)進(jìn)行等效建模，描述心臟的周 期性舒張和收縮運(yùn)動(dòng)，心室游離壁的時(shí)變特性用一個(gè)時(shí)變倒電容來(lái)等效表示，左心室游離 壁的時(shí)變倒電容elv的表達(dá)式如下：
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型，包括體循環(huán)子模型、肺循環(huán)子模型、心臟子 模型、右心室和肺循環(huán)子模型之間的肺動(dòng)脈瓣，以及左心室和體循環(huán)子模型之間的主動(dòng)脈 瓣，其中心臟子模型包括左心房、左心室，右心房、右心室四個(gè)腔室和心室中間的耦合壁，其 特征是：所述心臟子模型中，左心房、左心室，右心房、右心室的游離壁均用依次串聯(lián)的第一 壓力傳感器、第二壓力傳感器、時(shí)變倒電容和電阻表示，心室中間的耦合壁的彈性用電容表 示，其中，第一壓力傳感器端接地，電阻端為輸出端，左心房和左心室之間的二尖瓣用依次 串聯(lián)在左心房的電阻端和左心室的電阻端之間的電感、電阻和伯努利阻抗表示；右心房和 右心室之間的三尖瓣用依次串聯(lián)在右心房的電阻端和右心室的電阻端之間的伯努利阻抗、 電阻和電感表示，其中，第一壓力傳感器表示胸廓內(nèi)壓，第二壓力傳感器表示心包壓，時(shí)變 倒電容表示心肌的彈性系數(shù)，電阻表征血流粘性阻力，電感表示血流慣性，伯努利阻抗表示 血流粘性的動(dòng)態(tài)阻力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型，其特征是，所述肺循 環(huán)子模型由肺動(dòng)脈，肺靜脈以及肺毛細(xì)血管級(jí)聯(lián)組成，肺動(dòng)脈、肺毛細(xì)血管和肺靜脈均由兩 條并聯(lián)的肺循環(huán)支路組成，其中，第一肺循環(huán)支路由依次串聯(lián)的第一支路電阻和第一支路 電感組成，第二肺循環(huán)支路由依次串聯(lián)的第二支路電阻、第二支路電容和第二支路壓力傳 感器組成，肺動(dòng)脈、肺毛細(xì)血管和肺靜脈的第二肺循環(huán)支路依次首尾連接；其中，第一支路 電阻表示血液流動(dòng)產(chǎn)生的阻力，第一支路電感表示血流的慣性，第二支路電阻表示彈性腔 的內(nèi)部阻力，第二支路電容表示血管的順應(yīng)性，第二支路壓力傳感器表示胸內(nèi)壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型，其特征是，所述體循 環(huán)子模型由主動(dòng)脈、動(dòng)脈、毛細(xì)血管、靜脈和腔靜脈組成，主動(dòng)脈用依次串聯(lián)的主動(dòng)脈電容、 主動(dòng)脈第一電阻、主動(dòng)脈電感和主動(dòng)脈第二電阻表示，動(dòng)脈、毛細(xì)血管、靜脈和腔靜脈均用 兩條并聯(lián)的體循環(huán)支路表示，第一體循環(huán)支路由第一血管電阻和第一血管電容串聯(lián)組成， 第二體循環(huán)支路由第二血管電感和第二血管電阻串聯(lián)組成，主動(dòng)脈與動(dòng)脈、毛細(xì)血管、靜脈 和腔靜脈的第二體循環(huán)支路依次首位連接，其中電容表示血液的順應(yīng)性，電阻表示血流粘 性阻力，電感表示血流慣性。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型，其特征是，所述右心 室和肺循環(huán)子模型輸入端之間的肺動(dòng)脈瓣用依次串聯(lián)的電阻、伯努利阻抗和電感表示，其 中，電阻表示肺動(dòng)脈瓣的血流阻力，電感表示肺動(dòng)脈瓣中血液的慣性效應(yīng)，血流粘性的動(dòng)態(tài) 阻力； 所述左心室和體循環(huán)子模型輸入端之間的主動(dòng)脈瓣用依次串聯(lián)的電阻、伯努利阻抗和 電感表示，電阻表示主動(dòng)脈瓣的血流阻力，電感表示主動(dòng)脈瓣中血液的慣性效應(yīng)，伯努利阻 抗表示血流粘性的動(dòng)態(tài)阻力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型，其特征是，左心室游 離壁的時(shí)變倒電容elv的表達(dá)式如下：
其中表示收縮期心室壓力達(dá)到峰值的時(shí)刻，取值為0. 3s，Elva，Elvb表示左心室時(shí)變 倒電容的系數(shù)，改變?cè)撓禂?shù)為E_，E"b則表示右心室倒電容的系數(shù)，用于計(jì)算右心室的游離 壁的時(shí)變倒電容erv，^是一個(gè)比例因子，用來(lái)描述心室時(shí)變倒電容與心室容量之間的非線 性特性，^由下式來(lái)描述： KL=l_vlv/vmax ⑵ 其中vmax是正常人的最大的心臟流體體積900ml，vlv是指左心室的容量，描述右心室時(shí) 將其變?yōu)? 所述心房游離壁的時(shí)變倒電容的計(jì)算方式如下，左心房ela時(shí)變倒電容為：
其中ta。表示心房開(kāi)始收縮的時(shí)刻，取值為0. 696s，表示心房開(kāi)始舒張，取值為 0.835s，t,表示的是一個(gè)心動(dòng)周期，取值為0. 855s，Elaa，Elab表示左心房倒電容的系數(shù)，改 變?cè)撓禂?shù)為Eraa，E Mb則表示右心房倒電容的系數(shù)，用于計(jì)算右心房的游離壁的時(shí)變倒電容 era，τ?3。，、"分別表示一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)左心房收縮期持續(xù)的時(shí)間以及舒張期持續(xù)的時(shí) 間，τΜ。，分別表示一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)右心房收縮期持續(xù)的時(shí)間以及舒張期持續(xù)的時(shí)間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型，其特征是，所述心臟 模型的表達(dá)式如下：
其中Es表示稱合壁的彈性，是一個(gè)常數(shù)，Plv，Prv分別表示左右心室的壓力，vlv, vrv 分別表示左右心室的容量，elv，erv表示左右心室的時(shí)變倒電容。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于集總參數(shù)的心血管系統(tǒng)仿真模型，其特征是，所述心臟 子模型中的參數(shù)值如下表：
【文檔編號(hào)】G09B23/28GK104050857SQ201410324480
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】成謝鋒, 陳泓, 傅女婷, 李偉, 姬漢貴, 嚴(yán)誌, 邱奕然 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)