分布式心血管系統(tǒng)仿真模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生理信號仿真技術(shù)，特別涉及一種基于非線性、分布式的人體心血管 系統(tǒng)仿真模型。
【背景技術(shù)】
[0002] 所謂系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)，即為了研宄、分析而構(gòu)造一個與真實系統(tǒng)具有某種相 似性的模型，并在模型上進行各種仿真實驗研宄。其目的是通過研宄系統(tǒng)模型的方法來研 宄一個真實系統(tǒng)的特性。目前這種方法已在許多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，并顯現(xiàn)出許多其他實驗 手段所無法比擬的優(yōu)越性。其特點是：可不受時空的限制，對系統(tǒng)反應(yīng)進行預(yù)測；可實現(xiàn)極 端條件下的模擬研宄，以考慮系統(tǒng)在各種條件下的可能反應(yīng)；可對眾多的實驗及觀察資料 進行系統(tǒng)分析與整合，并提出新的假說；可作為預(yù)研手段為真實系統(tǒng)運行奠定基礎(chǔ)，可以節(jié) 約研宄經(jīng)費，縮短實驗周期、減少風(fēng)險、提高效率。
[0003] 人體生理系統(tǒng)是一個相當(dāng)復(fù)雜的非線性連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)，對它進行定量推理的研宄 還剛剛開始，而且難度比較大，但是由于絕大部分實驗都不能直接在人體上進行，對其進行 仿真研宄將是十分有意義的，而且具有普遍性。循環(huán)系統(tǒng)是人們了解得較為深入細致的生 理系統(tǒng)，尤其是血液在血管中流動的規(guī)律性是由流體動力學(xué)主宰的，因此，對于血液循環(huán)系 統(tǒng)，往往可以根據(jù)一些基本的物理學(xué)定律，通過建立參數(shù)模型來進行研宄。
[0004] 心血管系統(tǒng)是一個重要的人體生理系統(tǒng)，也是較早且較為成功的運用建模與仿真 進行研宄的生理系統(tǒng)之一。對于血液循環(huán)系統(tǒng)的仿真研宄，不僅開拓了人們對于循環(huán)系統(tǒng) 生理、病理和機理的認識，還增加了對于循環(huán)系統(tǒng)輔助裝置的優(yōu)化控制能力。血液循環(huán)系 統(tǒng)的仿真成果較多，對于循環(huán)系統(tǒng)的各個生理過程，幾乎都建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，如心 臟電活動模型、心泵的彈性腔模型[RideoutVC.Mathematicalandcomputermodeling ofphysiologysystems.NewJersey:PrenticeHall,EnglewoodCliff, 1991]、血管管壁 特性模型[RachevA,StergiopulosN,MeisterJJ.Theoreticalstudyofdynamicof arterialwallremodelinginresponsetochangeinbloodpressure.JBiomechanics 1996 ;29 (5) :635 - 642]等。還建立了模擬循環(huán)系統(tǒng)發(fā)病機理和治療方案的模型，如心衰模 型、輸液對心血管系統(tǒng)作用的模型[BaiJ,YingK,JaronD.Cardiovascularresponsesto ECP:acomputersimulation.MedBiolEngComp1992;30:317 - 323]、主動脈內(nèi)氣囊反搏 及體外反搏模型[BaiJ,LinH,YangZB,etal.Astudyofoptimalconfigurationand controlofamulti-chamberballoonforintraaorticballoonpumping.AnnBiomed Eng. 1994 ;22(5) :524 - 531]等。根據(jù)仿真目的不同，各種模型都有各自的側(cè)重點和應(yīng)用范 圍。
[0005] 心血管系統(tǒng)模型主要包括兩大類：集總參數(shù)模型和分布式模型。集總參數(shù)模型通 常較為簡單，只包括電阻和電容等基本組件，可以很好的描述壓力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的 相互作用，但卻很難表達血液動力學(xué)參數(shù)在空間上的變化及分布。分布式模型相對復(fù)雜，需 充分考慮人體解剖結(jié)構(gòu)引起的系統(tǒng)循環(huán)的分布性及血液的傳播性，因此模型包含多段血管 樹。
[0006] 目前，心血管系統(tǒng)仿真主要有以下研宄：Balar等[BalarSD,RoggeTR,Young DF.Computersimulationofbloodflowinthehumanarm.JBiomech1989 ；22 (6 -7):691 - 697]用有限元方法分析了上肢動脈內(nèi)壓力-流量的傳遞問題，其仿真結(jié)果表明 利用燒動脈的壓力-流量波形可以分析大血管的病變。Karamanoglu等[Karamanoglu M,GallagerDE,AvolioAP,etal.Functionaloriginofreflectedpressurewaves inamultibranchedmodelofthehumanarterialsystem.AmJPhysiol1994 ； 267(36) :H1681 -H1688]建立了人體動脈系統(tǒng)多分支模型。Ursino建立了一個具有動脈壓 力感受器的心血管系統(tǒng)模型[UrsinoM.Interactionbetweencarotidbaroregulation andthepulsatingheart:amathematicalmodel.AmJPhysiolHeartCircPhysiol 1998 ;275:H1733 -H1747]，仿真急性失血時調(diào)節(jié)機制的作用，2000年他研宄了心血管系 統(tǒng)對缺氧和有氧運動的反應(yīng)[UrsinoM,MagossoE.Acutecardiovascularresponseto isocapnichypoxia.AmJPhysiolHeartCircPhysiol2000 ；279 (4):149 - 175]〇Heldt 等[HeIdtT,EunBS,RogerDK,etal.Computationalmodelingofcardiovascular responsetoorthostaticstress.JApplPhysiol2002 ;92 (3):1239 - 1254]建立 了可對人體立位耐力不良進行仿真研宄的模型。2005年Liang和Liu[LiangF,Liu H.SimulationofhemodynamicresponsetotheValsalvamaneuver:Anintergrative computationalmodelofthecardiovascularsystemandtheautonomicnervous system.JPhysiolSci. 2006 ;56 (I) :45 - 65]建立了一個針對心血管系統(tǒng)的閉環(huán)集總參數(shù) 模型° 2006 年Korakianitis和Shi[KorakianitisT,ShiY.Aconcentratedparameter modelforthehumancardiovascularsystemincludingheartvalvedynamicsand atrioventricularinteraction.MedEngPhys. 2006 ;28 (7) :613 - 628]在Ursino的工作 基礎(chǔ)上建立了一個包含心臟瓣膜動力學(xué)和心房與心室間交互作用的心血管系統(tǒng)集總式參 數(shù)模型。
[0007] 上述模型繁簡不一，各有所長，有的是采用非線性血管單元，有的考慮了中樞控制 機制，其心臟、血管的表示、脈管系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)及構(gòu)成單元的數(shù)目亦有很大不同。大部分模 型結(jié)構(gòu)較為簡單，且在仿真效果上，是"刺激專一"（Stimulus-specific)的，即僅能針對某 一種特殊刺激或因素進行仿真研宄。因此，不能反映不同應(yīng)激作用對心血管系統(tǒng)的不同影 響，也不能更深入了解各組分間的相互作用關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一個可全面仿真心血管響應(yīng)的分布式模型，利用該模型可以 仿真心室心房壓力、各血管段血流量及壓力等參數(shù)的變化，以及心血管系統(tǒng)對外界的應(yīng)激 響應(yīng)。
[0009] 為達到以上