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功率鍵合圖方法在多分支血液循環(huán)系統(tǒng)建模和仿真中的應用研究

時間:2022-12-06 10:45:37 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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功率鍵合圖方法在多分支血液循環(huán)系統(tǒng)建模和仿真中的應用研究

摘要:應用功率鍵合圖方法,建立了一種多分支血液循環(huán)系統(tǒng)的計算機仿真模型,即描述血液循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)血流動力學變量變化規(guī)律的狀態(tài)方程。該仿真模型較為細致地刻畫了血液循環(huán)系統(tǒng)的生理特性,形成了較完整的人體血液循環(huán)系統(tǒng)的計算機模型,此模型可模擬血液循環(huán)系統(tǒng)的生理和病理特性,得出相應的心血管動力學仿真數(shù)據(jù)和波形,為進行血液循環(huán)系統(tǒng)生理和病理的醫(yī)學研究提供了新的研究手段。
關(guān)鍵詞:血液循環(huán)系統(tǒng) 計算機仿真 功率鍵合圖法
0 引 言  功率鍵合圖法是一種系統(tǒng)動力學建模方法,它以圖形方法來表示、描述系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu),是對流體系統(tǒng)進行動態(tài)數(shù)字仿真時有效的建模工具。通過已有的研究工作表明,功率鍵合圖方法可以較好地應用于生物流體系統(tǒng)仿真,特別是人體循環(huán)系統(tǒng)的建模和數(shù)字仿真[10]。 我們在以前的工作當中,建立了一個簡化的血液循環(huán)系統(tǒng)模型[10],驗證了功率鍵合圖法的可行性和有效性。鍵合圖建模方法的優(yōu)點是直觀形象,便于獲得狀態(tài)空間方程,有利于數(shù)值化計算,避免了電模擬方法中推導狀態(tài)方程困難的弱點 。本文對血液循環(huán)系統(tǒng)進行了較細致和全面的劃分,建立了一個包括動脈系統(tǒng)、靜脈系統(tǒng)、心臟(左、右心室和心房)以及冠脈循環(huán)、外周循環(huán)的多分支血液循環(huán)系統(tǒng)仿真模型! 霉β舒I合圖方法對血液循環(huán)系統(tǒng)進行建模和仿真的基本規(guī)則是,(1)把血液循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及各主要動態(tài)影響因素以圖示模型形式,即功率鍵合圖加以表示,(2)從功率鍵合圖出發(fā),建立系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型——狀態(tài)空間方程,(3)在數(shù)字計算機上對狀態(tài)方程進行求解。1 多分支血液循環(huán)系統(tǒng)模型的建立1.1 系統(tǒng)描述  血液循環(huán)系統(tǒng)模型如圖1所示[4]。在心血管循環(huán)系統(tǒng)中,血液在心臟“泵”的作用下所進行的循環(huán)流動,可以看作是一種功率流的流動、傳輸、分配和轉(zhuǎn)換的過程。血液在左右心室有節(jié)律地收縮作用下,被泵向人體的各個部分,其中包括:體循環(huán)區(qū)(血液由左心室經(jīng)主動脈、大動脈、外周循環(huán)區(qū)和腔靜脈,回到右心房),肺循環(huán)區(qū)(血液由右心室流經(jīng)肺動脈和肺靜脈到左心房。),腹部內(nèi)循環(huán),頸部和頭部循環(huán),以及冠脈循環(huán)等。在心房和心室、心室和主動脈之間存在著防止血液倒流的膜瓣,如二尖瓣、三尖瓣、主動脈瓣等。
圖1 血液循環(huán)系統(tǒng)模型1.2 功率鍵合圖模型  應用功率鍵合圖建模方法的第一步是將原系統(tǒng)表達為功率鍵合圖的圖示模型。功率鍵合圖由功率鍵、結(jié)點和作用元等主要元素構(gòu)成,多分支血液循環(huán)系統(tǒng)的功率鍵合圖如圖2所示。rnv chv rhh cha rna

圖2 多分支血液循環(huán)系統(tǒng)功率鍵合圖模型(此圖有省略)   參考圖2,繪制多分支血液循環(huán)系統(tǒng)功率鍵合圖的步驟可簡述如下: (1)根據(jù)對多分支循環(huán)系統(tǒng)各個功率流程分支的分析,依次確定各0結(jié)點和1結(jié)點。 0結(jié)點表示集總的流容容腔,如心室腔、主動脈彈性腔,在0結(jié)點處血液壓力為等值,而該結(jié)點輸入的血流量等于輸出的血流量。1結(jié)點表示集總的流阻管路或流感管路,如大動脈血管,在1結(jié)點處血流量為等值,而該結(jié)點的壓力降等于上流壓力值減去下流壓力值。在圖2 的循環(huán)系統(tǒng)模型中共有15個0結(jié)點和21個1結(jié)點。 (2)畫上各結(jié)點周圍的功率鍵,并標注功率流向。 功率鍵是帶有箭頭和因果線表示功率的線段。本模型中構(gòu)成功率的兩個變量是血壓和血流。箭頭表示系統(tǒng)作用元中的功率流向,即循環(huán)血液的流動方向。 (3)在功率鍵的一端標注上相應的c、r、l作用元! 榱四軌蛉、細致地刻畫系統(tǒng)特性,本模型中應用了三種作用元:流容、流阻和流感。 流容反映血管的順應性,畫在0結(jié)點上,用c來表示,簡稱c元。例如,圖2 中的cta、car、cvn、cpa、cpv是分別表示與圖1相對應部分的胸主動脈、大動脈、腔靜脈、肺動脈和肺靜脈順應性的流容。 流感反映血流的慣性特性,畫在1結(jié)點上,用l來表示,簡稱l元。如圖2中的lta、lar、lvn、lpa、lpv、lco是分別表示相對應的胸主動脈、大動脈、腔靜脈、肺動脈、肺靜脈及冠狀動脈血流慣性的流感。 流阻反映血流粘滯阻力的特性,簡稱r元,畫在1結(jié)點上。例如圖2中rta、rar、rvn、rpa、rpv和rco是分別表示胸主動脈、大動脈、腔靜脈、肺動脈、肺靜脈及冠狀動脈血流粘滯阻力的阻性作用元。 (4)在各功率鍵上標注因果線,以便于建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。 功率鍵上的因果線表示各作用元上流量與壓力兩變量之間的因果關(guān)系,確定了自變量和因變量,便于建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程。對于c元,其功率鍵上兩個變量間,自變量是流量,因變量是壓力;對于l元和r元,其功率鍵上兩個變量間壓力是自變量,流量是因變量。 經(jīng)過以上步驟,就完成了循環(huán)系統(tǒng)的功率鍵合圖模型。可以看出,鍵合圖模型就是通過結(jié)點、功率鍵和作用元這些元素對心血管循環(huán)系統(tǒng)直觀而形象的描述和反映。在將循環(huán)系統(tǒng)翻譯成鍵合圖模型后,就可以方便、有條不紊地推導系統(tǒng)數(shù)學模型。2 系統(tǒng)數(shù)學模型 功率鍵合圖建模方法的第二步是推導系統(tǒng)的數(shù)學模型。在推導系統(tǒng)動態(tài)過程的數(shù)學模型——狀態(tài)方程時,首先要確定狀態(tài)變量。應用鍵合圖方法建模的方便之處就在于對狀態(tài)變量的確定有一定之規(guī),可遵循固定的法則。 由于系統(tǒng)的狀態(tài)方程是一階微分方程組,在其變量間有導數(shù)關(guān)系,而在鍵合圖中,只有流容c和流感l(wèi)作用元中的兩個變量間才有導數(shù)或積分關(guān)系,所以應當從c元和l元各自的變量間取一個變量作為狀態(tài)變量。 對于c元,自變量為流量,因變量為壓力,其關(guān)系為:         (1) 對于l元,自變量為壓力,因變量為流量,其關(guān)系為: (2) 對于r元,流量和壓力之間的關(guān)系有: (3) 根據(jù)規(guī)則,取c元功率鍵上的壓力變量p和l元功率鍵上的流量變量q為狀態(tài)變量,狀態(tài)變量的一階導數(shù)即為狀態(tài)方程。 因此,對于0結(jié)點,由(1)式兩邊取導數(shù)可得: (4)其中, 是第i個0結(jié)點處的壓力, 為輸入血流量, 為輸出血流量, 是第i個0結(jié)點處的流容。 對于1結(jié)點,由(2)式和(3)式可得: (5)其中, 是第i個1結(jié)點處的血流量, 為上流壓力, 為下流壓力, 分別是第i個1結(jié)點處的流阻和流感! γ總0節(jié)點和1結(jié)點都建立類似(4)和(5)的關(guān)系式,則可以得到系統(tǒng)的數(shù)學模型。本模型的數(shù)學模型是36階的狀態(tài)空間方程,即模型由36個一階微分方程組成。下面列出了主動脈循環(huán)部分的狀態(tài)方程: (6) (7) (8) (9) (10) (11) 其中,cta、caa、car分別是胸主動脈、腹主動脈、外周動脈的流容;lta、laa、lar、lvn分別是胸主動脈、腹主動脈、外周動脈和腔靜脈的流感;rta、raa、rsa、rpc和rsv是分別表示胸主動脈、腹主動脈、外周動脈、外周循環(huán)和腔靜脈的流阻。ptao、paao、psar和qtao、qaao、qsar分別是動脈循環(huán)中的胸主動脈、腹主動脈、外周動脈部分的壓力和流量! ⊙貉h(huán)是由心臟的舒張-收縮動作推動的,本文采用了心室時變流容 來表示這種舒張-收縮動作, 是時間的周期函數(shù)。 對于循環(huán)系統(tǒng)中的膜瓣作用,可以作為模型的約束條件加入到系統(tǒng)數(shù)學模型當中:當血液正向流動時,膜瓣阻力為一較小的數(shù)值;當血液反向流動時,膜瓣阻力為無窮大,即阻止血液倒流! ”灸P椭械牧魅、流阻和流感參數(shù)參照文獻[4]。3 計算機仿真  本文采用4階定步長runge-kutta法來求解模型的狀態(tài)方程,設(shè)定仿真步長為0.0001s,在奔騰586 pc機上進行數(shù)字仿真。 當加入邊界約束條件,設(shè)置各狀態(tài)變量初始參數(shù)之后,狀態(tài)變量便以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)被同步地展開。在每一步,血液循環(huán)系統(tǒng)各部分的壓力和流量值根據(jù)狀態(tài)方程被分別計算出來。待仿真數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定后,由系統(tǒng)輸出方程可以得到每個心動周期內(nèi)系統(tǒng)各部分的血壓p、血流量q、血液容量v以及心輸出量co和射血分數(shù)ef等各項生理參數(shù)數(shù)值,從而可以對多項生理特性進行計算機仿真。本文進行了正常生理條件下和高血壓、血管剛性的病理條件下的生理特性仿真。3.1 正常生理狀態(tài)仿真  設(shè)定各狀態(tài)變量的初始參數(shù)為正常值[4,5],對系統(tǒng)模型進行計算,即可得到正常生理條件下,血液循環(huán)系統(tǒng)血流動力學參數(shù)的仿真數(shù)據(jù)。 圖3給出了在正常狀態(tài)時,三個心動周期(每個心動周期為0.8秒)內(nèi)的左心室壓力和主動脈血的仿真波形壓的仿真波形。從壓力仿真波形圖中可以看出,心室壓力和主動脈壓力在每個心動周期內(nèi)的壓力脈動是十分顯著的。圖4是肺動脈血壓和肺靜脈血壓的仿真波形。肺動脈壓的壓力脈動也較為顯著,而在肺靜脈中,血液的壓力脈動就不很明顯。
圖3 左心室和主動脈的壓力變化仿真 140
01.6
t/s
(a)左心室血液容量的周期變化140
01.6
t/s
(b)右心室血液容量的周期變化
圖4 肺動脈和肺靜脈的壓力變化仿真 在表1中給出了血液循環(huán)系統(tǒng)主要血流動力學變量在正常狀態(tài)時條件下的仿真數(shù)值。由生理學規(guī)律可知 ,左心室收縮壓范圍一般在17~18 kpa,主動脈壓力范圍在12~17 kpa,肺動脈壓在2 kpa左右。因此,仿真所得波形和數(shù)據(jù)與實際的生理規(guī)律是相符的。 表1中還給出了評定心臟功能的兩個有用的指標:心輸出量co和射血分數(shù)ef,仿真所得到的數(shù)據(jù)為:心輸出量5256 ml/min,射血分數(shù)61%,都符合實際的生理規(guī)律 表1 血液循環(huán)系統(tǒng)主要血流動力學變量計算機仿真數(shù)值仿真實驗 項目左心室壓峰值 lvpp(kpa)主動脈壓ap(kpa)左心室舒張末容積lvedv(ml)右心房壓rap(kpa)肺動脈壓pap(kpa)右心室舒張末容積rvedv(ml)冠脈血流量cf(ml/min)心輸出量co(ml/min)射血分數(shù)ef(%)正常17.9616.821230.62.13130228525661高血壓21.2818.631260.62.26130230498954血管剛性19.2917.101240.62.13130229501058
3.2 高血壓仿真 由于動脈管徑窄縮,或是動脈壁增厚等原因常常會使動脈血管的阻力增大,使得心臟在收縮期向主動脈噴血時耗費更多的功,從而引起高血壓癥狀。因此在本實驗中,增大鍵合圖模型中的主動脈和外周動脈的流阻rta、raa、rar的數(shù)值,可以實現(xiàn)高血壓的仿真。 表1中給出了高血壓時各血流動力學變量的仿真數(shù)據(jù)。從仿真數(shù)據(jù)中可以看到,左心室壓和主動脈壓分別達到21.28 kpa和18.63 kpa,血壓值明顯升高,但是心輸出量4989 ml/min和射血分數(shù)54%的數(shù)值卻比正常狀態(tài)顯著降低,這表明高血壓時心臟的功能在減弱。3.3 血管剛性仿真 血管順應性的倒數(shù)1/c被稱為血管剛性,血管剛性越大,血管順應性則降低,使心室射血阻抗增大,導致心室噴射壓力和動脈血壓升高,心輸出量和射血分數(shù)降低。在本實驗中,將主動脈與外周血管的流容cta、caa、car分別降低至正常值的50%,可以模擬血管順應性降低時的生理特性。 表1給出了各項血流動力學變量的計算機仿真數(shù)值。從仿真數(shù)據(jù)中可以看到,左心室壓19.29 kpa和主動脈壓17.10 kpa偏高,而心輸出量5010 ml/min和射血分數(shù)58%的數(shù)值比正常數(shù)值降低,符合實際的生理規(guī)律。4 討 論  本文提出了一個多分支血液循環(huán)系統(tǒng)功率鍵合圖模型,敘述了以鍵合圖建模方法、狀態(tài)空間分析和計算機仿真為基礎(chǔ)的心血管動力學分析方法,并用該模型進行了基本的生理仿真實驗。 將功率鍵合圖建模方法應用于人體循環(huán)系統(tǒng)的仿真研究,能夠較好地處理循環(huán)系統(tǒng)仿真中的建模問題,特別是從功率鍵合圖可以很方便地推導出狀態(tài)空間方程,從而正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)特征。這一點特別有利于在醫(yī)學研究人員中推廣計算機仿真技術(shù)這種有用的研究手段。同時,這種仿真模型對循環(huán)系統(tǒng)特性的刻畫也較為全面和細致,生理仿真的實驗結(jié)果在波形和定量上與人體檢測的結(jié)果是相吻合的。結(jié)合臨床對各項生理特性進行計算機仿真,將為醫(yī)學研究提供一種新的強有力的研究手段。
參 考 文 獻[1] bai jing, ying k, jaron d. cardiovascular responses to external counterpulsation: a computer simulation[j]. med

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