- 相關(guān)推薦
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
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:
圖3 左心室和主動脈的壓力變化仿真
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
【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】相關(guān)文章:
提高淺靜脈穿刺成功率的方法08-22
數(shù)學建模論文模板07-22
數(shù)學建模論文模板07-22
論提高數(shù)字化圖件輸出精度方法08-08
數(shù)據(jù)建模論文格式06-29
數(shù)學建模A優(yōu)秀論文08-01
簡單的數(shù)學建模小論文09-02