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基于人体组织电导率精细化建模设计的胸腔电阻抗仿真方法技术

技术编号:27060473 阅读:18 留言:0更新日期:2021-01-15 14:40
本发明专利技术涉及一种基于人体组织电导率精细化建模设计的胸腔电阻抗仿真方法,属于医用检测技术领域。该方法根据胸腔各组织的细胞组成、构成成分以及导电能力进行分类建模,确定仿真激励源参数以及各区域的电磁场约束条件、场域方程以及边界条件,分区构建胸腔数学物理模型,然后利用有限元仿真方法实现胸腔仿真模型的构建,进行仿真实验分析和各项参数测试,确定肺部空气参数与胸腔电阻抗仿真值的变化关系。本发明专利技术能够很好的模拟实际胸腔电阻抗的检测情形,能够根据激励信号有效反应胸腔各部位的电学特性和各项参数,为后续有关胸腔电阻抗测量和肺功能检测即肺部呼吸能力检测实验提供理论依据,有较高的参考和指导价值。

【技术实现步骤摘要】
基于人体组织电导率精细化建模设计的胸腔电阻抗仿真方法
本专利技术属于医用检测
,涉及基于人体组织电导率精细化建模设计的胸腔电阻抗仿真方法。
技术介绍
现有技术中,常见肺功能检测方案主要有两种方式:第一种是容量测定型,仪器通过测量与检测者呼吸道相连的浮筒或者活塞腔体的气体体积变化,从而实现对肺部气体体积变化规律的检测;第二种是流量测定型,仪器通过测定流过截面积一定的气体流量,再对时间积分得到呼吸气体体积,从而实现对肺部气体体积变化的检测。上述两种检测方法都存在着一些不可忽视的问题:1)使用容量测定型检测仪进行检测时,其浮筒的惯性与活塞运动时的摩擦力会导致测量结果失真严重。再者,浮筒与活塞的储气腔体与呼吸管道在使用中会被重复利用,交叉感染风险极大。2)流量测定型检测仪较容量测定型检测仪准确度更高,仪器价格与耗材比较昂贵;测试过程中部分气道仍会被重复利用,仍有一定的交叉感染风险。由于这两种常见的肺功能检测仪都需要将呼吸气道与仪器测量气道相连,不可避免的都存在交叉感染的隐患。患者在测量中还会产生不适感,导致检测时依从性较差。且不能进行实时在线监护,无法满足准确、安全和便捷的要求。
技术实现思路
有鉴于此,本专利技术的目的在于提供一种基于人体组织电导率精细化建模设计的胸腔电阻抗仿真方法,针对现有肺功能检测技术所存在的检测成本高、交叉感染风险大以及单一模式化测量等问题,分区构建胸腔电阻抗电路模型,确定胸腔的电学特性与肺部空气量之间存在的关系,在建立检测方法的基础上对胸腔进行分区搭建数学物理模型进行电磁学性质的计算,并构建胸腔仿真模型,实时反映具体肺部电场分布情况。为达到上述目的,本专利技术提供如下技术方案:一种基于人体组织电导率精细化建模设计的胸腔电阻抗仿真方法,根据生物组织细胞组成、构成成分及导电能力进行分类建模,分区构建胸腔数学物理模型,通过有限元仿真方法实现胸腔仿真模型的建立,在此基础上进行仿真实验、测试各项参数,具体包括以下步骤:S1:根据胸腔各组织的细胞组成、构成成分以及电学特性对其进行分类,构建等效电路模型实现精细化建模;将胸腔组织依照其细胞组成、构成成分以及导电能力分为四类,具体为:第一类:全部由一般细胞组成,含水量为75%-85%,电导率为0.138-0.613S/m,导电能力良好的器官组织类;第二类:由表皮死细胞、一般细胞和脂肪细胞等组成,含水量为15%-35%,脂肪含量约占人体全部脂肪含量的65%-70%,电导率为0.031S/m,导电能力中等的皮肤组织类;第三类:由无核细胞、血浆组成,含水量为90%,电导率为0.734S/m,导电能力优秀的血液类;第四类:由一般细胞和无机盐组成,含水量为15%-25%,羟基磷酸钙等钙质成分为65%-75%,电导率为0.0032S/m,导电能力差的骨骼类;含有大量细胞、拥有一定脂类和水分、有一定导电能力的器官组织类;含有一定量细胞、拥有大量脂类、电导率较低的皮肤组织类;含一定量细胞、拥有大量水分、电导率最高的血液类;含有少量细胞、拥有大量羟基磷酸钙、电导率最低的骨骼类;S2:根据肺组织体积Vf、空气体积Vk和肺组织中各类物质体积Vz关系,确定呼吸过程中肺部空气量参数与肺组织电导率的变化关系;S3:确定仿真激励电流的参数量以及各区域的电磁场约束条件、求解域方程以及边界条件,分区构建胸腔数学物理模型;S4:基于有限元仿真软件COMSOL,设置胸腔各部分求解域的仿真参数,实现胸腔仿真模型的构建;进行仿真实验分析和各项参数测试,确定肺部空气参数与胸腔电阻抗仿真值的变化关系。进一步,步骤S1中,所述器官组织类包括:肌肉、心脏和肺脏;器官组织类等效电路模型通过生物组织等效模型描述,等效集中参数总阻抗为:其中,Zc表示含大量细胞的组织器官的等效阻抗,Ri表示器官的等效内电阻,Re表示器官的等效外电阻,Cm表示器官的等效膜电容,ω表示角速度。进一步,步骤S1中,所述皮肤组织类包括:皮肤、皮下组织与脂肪组织;皮肤组织类用含皮肤接触电阻的生物组织简化等效电路模型表示,等效集中参数总阻抗为:其中,Zs表示含皮肤接触电阻的生物组织等效阻抗,R′i表示生物组织的等效内电阻,R′e表示生物组织的等效外电阻,C′m表示生物组织的等效膜电容,Rc表示电极与皮肤之间接触的等效电阻,Cc表示电极与皮肤之间接触的等效电容,Cf表示脂肪组织的等效电容。进一步,步骤S1中,所述血液类用电阻电容并联的电路模型表示,等效集中参数总阻抗为:其中,Zb为等效电阻,Rb代表血液的等效电阻,Cb代表血液的等效电容。进一步,步骤S2中,假设肺组织体积Vf由空气体积Vk和肺组织中各类物质体积Vz构成;设空气填充比例系数V为空气体积与肺组织中各类物质体积的比值;呼吸过程中肺部空气量的变化导致肺部体积的变化,在电学特性上表示为肺部组织的介电常数和电导率发生改变;呼吸过程中肺部空气量参数与肺组织电导率的变化关系参数模型为:Vf=Vk+Vzσ=a·Vb其中,参数a∈(0.1455,0.148),b∈(-0.1998,-0.1886),电导率当肺部空气体积增大时,胸腔电导率会随着肺部吸入空气体积的增大而减小,胸腔电阻抗与肺部空气量呈正相关关系。进一步,步骤S3中,分区构建胸腔数学物理模型,具体包括:当电极接触皮肤时,正弦电流会产生时变电磁场;使用的激励电流工作频段设定在64KHz-1MHz,使用多频点变频检测方法在该频段内选取多个检测频率,达到获取最优化测量结果的目的;注入电流与仿真注入电流的幅值设定为500μA-1.5mA;肌肉、心脏和肺脏的电磁场约束条件及求解域方程表达式为:其中,Dc=ε0εrcEcBc=μcHcJc=σcEc+jωDc+Je皮肤、皮下组织与脂肪组织电磁场约束条件及求解域方程表达式为:其中,Ds=ε0εrsEsBs=μsHsJs=σsEs+jωDs+Je血液的电磁场约束条件及求解域方程表达式为:其中,Db=ε0εrbEbBb=μbHbJb=σbEb+jωDb+Je骨骼的电磁场约束条件及求解域方程表达式为:其中,Do=ε0εroEoBo=μoHoJo=σoEo+jωDo+Je其中,E为电场强度,为电位,J为电流密度,D为电位移矢量,B为磁感应强度,H磁场强度,σ为电导率,Q为电荷量,不同下角标代表不同部位的电场强度;εrx为相对介电常数,x为不同部位对应的下角标;ω为角速度,为散度。更进一步,设定电流为均匀分布,边界电位和求解域分布保持一致,得到边界条件为:皮肤接触非空气及骨骼区域:本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人体组织电导率精细化建模设计的胸腔电阻抗仿真方法,其特征在于,该方法根据生物组织细胞组成、构成成分及导电能力进行分类建模,分区构建胸腔数学物理模型,通过有限元仿真方法实现胸腔仿真模型的建立,在此基础上进行仿真实验、测试各项参数,具体包括以下步骤:/nS1:根据胸腔各组织的细胞组成、构成成分以及电学特性对其进行分类,构建等效电路模型实现精细化建模;/n将胸腔组织依照其细胞组成、构成成分以及导电能力分为四类,具体为:/n第一类:全部由一般细胞组成,含水量为75%-85%,电导率为0.138-0.613S/m,导电能力良好的器官组织类;/n第二类:由表皮死细胞、一般细胞和脂肪细胞组成,含水量为15%-35%,脂肪含量约占人体全部脂肪含量的65%-70%,电导率为0.031S/m,导电能力中等的皮肤组织类;/n第三类:由无核细胞、血浆组成,含水量为90%,电导率为0.734S/m,导电能力优秀的血液类;/n第四类:由一般细胞和无机盐组成,含水量为15%-25%,钙质成分为65%-75%,电导率为0.0032S/m,导电能力差的骨骼类;/nS2:根据肺组织体积V

【技术特征摘要】
1.一种基于人体组织电导率精细化建模设计的胸腔电阻抗仿真方法,其特征在于,该方法根据生物组织细胞组成、构成成分及导电能力进行分类建模,分区构建胸腔数学物理模型,通过有限元仿真方法实现胸腔仿真模型的建立,在此基础上进行仿真实验、测试各项参数,具体包括以下步骤:
S1:根据胸腔各组织的细胞组成、构成成分以及电学特性对其进行分类,构建等效电路模型实现精细化建模;
将胸腔组织依照其细胞组成、构成成分以及导电能力分为四类,具体为:
第一类:全部由一般细胞组成,含水量为75%-85%,电导率为0.138-0.613S/m,导电能力良好的器官组织类;
第二类:由表皮死细胞、一般细胞和脂肪细胞组成,含水量为15%-35%,脂肪含量约占人体全部脂肪含量的65%-70%,电导率为0.031S/m,导电能力中等的皮肤组织类;
第三类:由无核细胞、血浆组成,含水量为90%,电导率为0.734S/m,导电能力优秀的血液类;
第四类:由一般细胞和无机盐组成,含水量为15%-25%,钙质成分为65%-75%,电导率为0.0032S/m,导电能力差的骨骼类;
S2:根据肺组织体积Vf、空气体积Vk和肺组织中各类物质体积Vz关系,确定呼吸过程中肺部空气量参数与肺组织电导率的变化关系;
S3:确定仿真激励电流的参数量以及各区域的电磁场约束条件、求解域方程以及边界条件,分区构建胸腔数学物理模型;
S4:基于有限元仿真方法,设置胸腔各部分求解域的仿真参数,实现胸腔仿真模型的构建;进行仿真实验分析和各项参数测试,确定肺部空气参数与胸腔电阻抗仿真值的变化关系。


2.根据权利要求1所述的胸腔电阻抗仿真方法,其特征在于,步骤S1中,所述器官组织类包括:肌肉、心脏和肺脏;器官组织类等效电路模型通过生物组织等效模型描述,等效集中参数总阻抗为:



其中,Zc表示含大量细胞的组织器官的等效阻抗,Ri表示器官的等效内电阻,Re表示器官的等效外电阻,Cm表示器官的等效膜电容,ω表示角速度。


3.根据权利要求1所述的胸腔电阻抗仿真方法,其特征在于,步骤S1中,所述皮肤组织类包括:皮肤、皮下组织与脂肪组织;皮肤组织类用含皮肤接触电阻的生物组织简化等效电路模型表示,等效集中参数总阻抗为:



其中,Zs表示含皮肤接触电阻的生物组织等效阻抗,R′i表示生物组织的等效内电阻,R′e表示生物组织的等效外电阻,C′m表示生物组织的等效膜电容,Rc表示电极与皮肤之间接触的等效电阻,Cc表示电极与皮肤之间接触的等效电容,Cf表示脂肪组织的等效电容,ω表示角速度。


4.根据权利要求1所述的胸腔电阻抗仿真方法,其特征在于,步骤S1中,所述血液类用电阻电容并联的电路模型表示,等效集中参数总阻抗为:



其中,Zb为等效电阻,Rb代表血液的等效电阻,Cb代表血液的等效电容,ω表示角速度。


5.根据权利要求1所述的胸腔电阻抗仿真方法,其特征在于,步骤S2中,假设肺组织体积Vf由空气体积Vk和肺组织中各类物质体积Vz构...

【专利技术属性】
技术研发人员:汪金刚闫阳天张一鸣
申请(专利权)人:重庆大学
类型:发明
国别省市:重庆;50

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