一种基于瞬变特性的心血管系统数据平台内置处理方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于瞬变特性的心血管系统数据平台内置处理方法，包括如下步骤：构建考虑动态摩阻和管壁粘弹性的心血管系统血液流动瞬变方程；建立计算网格，根据特征线法将双曲偏微分方程组转化为常微分方程组，积分得到特征线方程；求解血管壁迟滞应变对时间的偏微分；将Kagawa动态摩阻模型和偏微分引入特征线方程；考虑边界条件，得出并处理计算结果。本发明专利技术采用一维模型代替了现有的三维CFD进行建模，突破了现有心血管系统数据平台难以采用一维模型进行建模的技术瓶颈，不但使得建模简单、通用性强、模拟时间短，而且考虑了血管壁的动态摩阻效应和粘弹性效应，更符合实际情况，提升了平台的仿真精度。提升了平台的仿真精度。提升了平台的仿真精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于瞬变特性的心血管系统数据平台内置处理方法


[0001]本专利技术属于流体力学数值模拟计算
，涉及心血管系统数据平台，具体涉及一种基于瞬变特性的心血管系统数据平台内置处理方法。

技术介绍

[0002]心血管系统又称“循环系统”，是一个由心脏和血管构成的封闭管道系统。心脏在神经系统支配下发生节律性的收缩和舒张，保证血液沿一定方向循环流动，因此可以看做一个泵。正常情况下，心脏泵血通过血管输送至全身各个部位。心血管系统数据平台作为数据集成和共享的中心，不仅需要获取心血管的各项数据，对于仿真计算同样提出了更高的要求。
[0003]人体心血管系统建模是实现心血管系统仿真计算的重要步骤。现有的心血管系统数据平台是基于三维CFD建模来获取整个系统的血液流态状况，该方法通过计算能够实现心血管系统血液流动可视化，并获得仿真计算数据。但是三维CFD系统建模困难，通用性差，且计算时间长，需要通过大型服务器来满足计算要求，难以实现平台大数据的实时仿真。一维建模方法是目前工程学领域的常规计算方法，其优点是模型简单，适用性广，计算效率高，可以实现系统级别的实时模拟。需要指出的是，一维建模是三维模型的精简版，必须充分考虑到系统的简化假设问题，对于必要的信息必须采取合理的假设才能使得仿真结果准确，现有的心血管系统数据平台还无法实现这些。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于瞬变特性的心血管系统数据平台内置处理方法，可解决现有心血管系统数据平台仿真模拟模型复杂、数据获取时间长等问题。
[0005]技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种基于瞬变特性的心血管系统数据平台内置处理方法，包括如下步骤：
[0006]S1：构建考虑动态摩阻和管壁粘弹性的心血管系统血液流动瞬变方程；
[0007]S2：建立计算网格，根据特征线法将双曲偏微分方程组(心血管系统血液流动瞬变方程)转化为常微分方程组，积分得到特征线方程；
[0008]S3：求解血管壁迟滞应变对时间的偏微分；
[0009]S4：将Kagawa动态摩阻模型和偏微分引入特征线方程；
[0010]S5：考虑心脏边界条件，根据步骤S4处理后的特征线方程，得出并处理计算结果。
[0011]进一步地，所述步骤S1中构建的心血管系统血液流动瞬变方程为：
[0012][0013][0014]式中，H为血管壁压力；V为血管中血液的平均流速；ε
r
为血管壁迟滞应变；a为声波在血液中的速度；g为重力加速度；x为沿血管轴线的距离；t为时间；D为血管壁内径；ρ为血液密度；τ
w
为血管壁剪切应力，τ
w
＝τ
s
+τ
u
，τ
s
和τ
u
分别表示稳态摩阻和动态摩阻。
[0015]进一步地，所述步骤S2中常微分方程组具体为：
[0016][0017][0018]式中，τ
w
＝τ
u
+τ
u
＝ρfV|V|/8+τ
u
，f为达西
‑
维斯巴赫系数，当f为定值时为稳态摩阻，f＝f
q
时为准稳态摩阻，f
q
为准稳态摩阻系数。
[0019]进一步地，所述步骤S2中将常微分方程组分别沿正负特征线积分得到特征线方程：
[0020][0021][0022]式中，H
P
、H
A
、H
B
分别为P、A、B点的血液压力；Q
P
、Q
A
、Q
B
分别为P、A、B点的血流量；η为积分近似控制系数，η＝0.5～1；Δt为计算时间步长。
[0023]进一步地，所述步骤S3具体为：
[0024]求解血管壁迟滞应变对时间t的偏微分，由广义K
‑
V模型可知：
[0025][0026]式中，ε
r
(t)为ε
r
的时间函数；α为泊松比；e为血管壁厚度；H(t)为压力H的时间函数；J(t*)为随时间t*变化的蠕变柔量，t*为微分变量；将积分转换为和函数，即
[0027][0028]式中，N为积分分段总数；ε
rk
(t)为ε
r
(t)的第k个分段值；J
k
和τ
k
为相应的粘弹性力学模型参数；
[0029]根据卷积求导公式，上式求导得：
[0030][0031]即
[0032][0033]根据换元法、分部积分，省略高阶无穷小项，可得到的一阶近似解：
[0034][0035]式中，
[0036][0037][0038]CO_A3＝CO_A1
·
CO_A2
ꢀꢀ
(14)
[0039]CO_A4＝CO_A1(1
‑
CO_A2)
ꢀꢀ
(15)
[0040]将公式(11)带入公式(10)可得：
[0041][0042]进一步地，所述步骤S4具体为：
[0043]对于Kagawa动态摩阻模型：
[0044][0045]式中，
[0046][0047]其中，系数m
i
＝(1；1.16725；2.20064；3.92861；6.78788；11.6761；20.0612；34.4541；59.1642；101.59)；n
i
＝(26.3744；72.8033；187.424；536.626；1570.6；4618.13；13601.1；40082.5；118153；348316)；ν为血液动力粘度；
[0048]将公式(16)和(17)带入特征线方程，则有
[0049][0050][0051]式中，
[0052][0053][0054]令B＝a/gA,R＝faΔt/2gDA2，则有
[0055]B
A
＝B+ηR|Q
A
|
ꢀꢀ
(23)
[0056][0057]B
B
＝B+ηR|Q
B
|
ꢀꢀ
(25)
[0058][0059]在编程时，为了统一编写，可添加如下参数：
[0060]H
P
＝C
P
‑
B
P
Q
P
ꢀꢀ
(27)
[0061]H
P
＝C
M
+B
M
Q
P
ꢀꢀ
(28)
[0062]式中，
[0063][0064]因此，
[0065][0066][0067]进一步地，所述步骤S5具体为：
[006本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于瞬变特性的心血管系统数据平台内置处理方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：构建考虑动态摩阻和管壁粘弹性的心血管系统血液流动瞬变方程；S2：建立计算网格，根据特征线法将心血管系统血液流动瞬变方程转化为常微分方程组，积分得到特征线方程；S3：求解血管壁迟滞应变对时间的偏微分；S4：将Kagawa动态摩阻模型和偏微分引入特征线方程；S5：考虑边界条件，根据步骤S4处理后的特征线方程，得出并处理计算结果。2.根据权利要求1所述的一种基于瞬变特性的心血管系统数据平台内置处理方法，其特征在于，所述步骤S1中构建的心血管系统血液流动瞬变方程为：征在于，所述步骤S1中构建的心血管系统血液流动瞬变方程为：式中，H为血管壁压力；V为血管中血液的平均流速；ε
r
为血管壁迟滞应变；a为声波在血液中的速度；g为重力加速度；x为沿血管轴线的距离；t为时间；D为血管壁内径；ρ为血液密度；τ
w
为血管壁剪切应力，τ
w
＝τ
s
+τ
u
，τ
s
和τ
u
分别表示稳态摩阻和动态摩阻。3.根据权利要求1所述的一种基于瞬变特性的心血管系统数据平台内置处理方法，其特征在于，所述步骤S2中常微分方程组具体为：C
+
:C
‑
:式中，τ
w
＝τ
u
+τ
u
＝ρfV|V|/8+τ
u
，f为达西
‑
维斯巴赫系数，当f为定值时为稳态摩阻，f＝f
q
时为准稳态摩阻，f
q
为准稳态摩阻系数。4.根据权利要求3所述的一种基于瞬变特性的心血管系统数据平台内置处理方法，其特征在于，所述步骤S2中将常微分方程组分别沿正负特征线积分得到特征线方程：C
+
:C
‑
:式中，H
P
、H
A
、H
B
分别为P、A、B点的血液压力；Q
P
、Q
A
、Q
B
分别为P、A、B点的血流量；η为积分近似控制系数，η＝0.5～1；Δt为计算时间步长。
5.根据权利要求1所述的一种基于瞬变特性的心血管系统数据平台内置处理方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：求解血管壁迟滞应变对时间t的偏微分，由广义K
‑
V模型可知：式中，ε
r
(t)为ε
r
的时间函数；α为泊松比；e为血管壁厚度；H(t)为压力H...

【专利技术属性】
技术研发人员：周聪，周领，郭丽，李赟杰，吴金远，王宁，胡垠盈，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：