一种基于集总参数的人体心血管系统及其建模方法和应用技术方案

本发明专利技术公开了一种基于集总参数的人体心血管系统建模方法，属于医学模型技术领域，用动力泵模拟心脏，弹性时变模型模拟心室，单向二极管模拟瓣膜，弹性的圆形管模拟血管，不可压缩的牛顿流体模拟血液，并结合人体心血管系统标准结构，构建人体心血管系统模型，并通过建立地模型构建心室的压力

【技术实现步骤摘要】
一种基于集总参数的人体心血管系统及其建模方法和应用


[0001]本专利技术涉及医学模型
，特别是涉及一种基于集总参数的人体心血管系统及其建模方法和应用。

技术介绍

[0002]心血管系统是由心脏和血管组成的大型器官系统。它是人体的主要运输和分配系统，心血管循环系统是最复杂的生命系统之一，具有高度的动态特性。心血管系统有时被描述为两个独立的循环：全身循环和肺循环。在全身循环中，含氧的血液离开心脏的左侧，穿过动脉进入毛细血管，然后以脱氧的血液形式通过静脉返回心脏的右侧。脱氧的血液从心脏的右侧通过肺动脉在肺循环中传播，在肺的毛细血管中再次被氧化，然后通过肺静脉返回心脏的左侧。
[0003]心血管系统模型，能够反映出人体生理特征参数、血液动力学变量以及心音听诊参数之间的关系,还能体现出心脏各个组成部分的功能和状态。心血管系统模型的建立，可以为正常或病态的心音产生机理提供一种可行的理论依据。
[0004]目前，现有技术中建立的心血管模型无法有效模拟心室行为，例如，专利号CN111916183A，公开了一种动态心血管系统的建模方法、装置、设备及存储介质。该方法包括：获取待手术病人的CMR数据和CTA数据；采用CMR数据构建待手术病人的动态心室模型；根据动态心室模型和预设心脏模型构建待手术病人的动态心脏模型；采用CTA数据构建待手术病人的冠状动脉血管模型；根据动态心脏模型和冠状动脉血管模型构建待手术病人的动态心血管系统模型，能够针对不同病人构建个性化的动态心血管系统模型，将该个性化的动态心血管系统模型设置到血管介入模拟器中。
[0005]基于此，现有技术确实有待进一步改进。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要解决的技术问题是现有技术中建立的心血管模型无法有效模拟心室行为的问题。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]本专利技术的目的之一，在于提供一种基于集总参数的人体心血管系统建模方法，所述方法包括：
[0009]用动力泵模拟心脏，弹性时变模型模拟心室，单向二极管模拟瓣膜，弹性的圆形管模拟血管，不可压缩的牛顿流体模拟血液，并结合人体心血管系统标准结构，构建人体心血管系统模型；
[0010]通过如下公式(1)建立心室的压力
‑
容积曲线关系：
[0011]P(t)＝E(t)(V(t)
‑
V
d
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(1)
[0012]其中，P(t)表示心室的压力；V(t)表示心室的血容量随时间的变化；V
d
表示心室收缩末期无张力的心室容积；E(t)是一个时变弹性函数，在生理意义上E(t)表示心肌的弹性
系数。
[0013]进一步，所述心室的弹性功能形式通过如下公式(2)描述：
[0014][0015]其中，E max，v
是最大心室弹性，单位为mmHg/mL，E min，v
是最小心室弹性，单位为mmHg/mL，f(t)是双希尔函数，f max
是整个心动周期长度上双希尔的最大值。
[0016]进一步，所述双希尔函数f(t)如下公式(3)所示：
[0017][0018]其中，α1，α2，和是用于确定双山函数的分布形状参数，T是心动周期时间段，t是心动周期内的当前时间。
[0019]本专利技术的目的之一，在于提供一种根据上述的方法建立的人体心血管系统。
[0020]本专利技术的目的之一，在于提供一种如上所述的人体心血管系统在模拟心室行为中的应用。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0022]本专利技术通过合理地建模，并通过建立地模型构建心室的压力
‑
容积曲线关系，可以有效地模拟心室行为，可以模拟多种情况下的心室状态，其模拟结果对临床具有很强的指导意义。
附图说明
[0023]图1是本专利技术的左心室的压力
‑
体积曲线图。
[0024]图2是本专利技术的心血管回路电路图。
[0025]图3是本专利技术的弹性与顺应性之间的关系图。
[0026]图4是本专利技术的心动周期中左心压力与容量图。
[0027]图5是本专利技术的心动过缓的ECG波形图。
[0028]图6是是本专利技术的心动过速的ECG波形图。
具体实施方式
[0029]以下列举的部分实施例仅仅是为了更好地对本专利技术进行说明，但本专利技术的内容并不局限在应用于所举的实施例中。所以熟悉本领域的技术人员根据上述
技术实现思路
对实施方案进行非本质的改进和调整而应用于其他实施例中，仍在本专利技术的保护范围之内。
[0030]本专利技术实施例提供一种基于集总参数的人体心血管系统建模方法，所述方法包括：
[0031]用动力泵模拟心脏，弹性时变模型模拟心室，单向二极管模拟瓣膜，弹性的圆形管模拟血管，不可压缩的牛顿流体模拟血液，并结合人体心血管系统标准结构，构建人体心血管系统模型；
[0032]通过如下公式(1)建立心室的压力
‑
容积曲线关系：
[0033]P(t)＝E(t)(V(t)
‑
V
d
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(1)
[0034]其中，P(t)表示心室的压力；V(t)表示心室的血容量随时间的变化；V
d
表示心室收缩末期无张力的心室容积；E(t)是一个时变弹性函数，在生理意义上E(t)表示心肌的弹性系数。
[0035]弹性时变模型选择为Frank
‑
Starling弹性时变模型，即以Frank
‑
Starling机制所构建的弹性时变模型。采用如本专利技术所述的方法，可以获得如图1所示的左心室的压力
‑
体积曲线图。根据图1所显示的，从左下开始，顺时针移动，该曲线表明压力快速增加，而体积没有变化。这表明心动周期的收缩期收缩。此后，随着心脏舒张期间心脏扩张，压力迅速下降。曲线的最后部分显示在恒定压力下体积减小。通常，由于不理想的二尖瓣不会立即关闭，因此压力会稍微降低。发动机使用理想的气门，该气门会立即关闭，从而随着体积减小而保持压力。此外，该曲线还演示了由于设定压力下瞬时体积变化而在模拟心脏中使用理想瓣膜的情况。
[0036]血液动力学建模的集总参数方法假定器官血管或血管段的特征为代表性参数。奥托
·
弗兰克(Otto Frank)首先建立了将全身血压与血管弹性联系起来的定量模型。在类似的电路中，Windkessel模型包括一个代表动脉顺应性的电容器，该电容器与一个电阻并联，该电阻代表流经血管的电阻。Westershof等人开发了Windkessel模型的另一种三元素形式。包括一个黑盒子的两端输入电路，表示为一个附加电阻，用于量化动脉树的特征阻抗。电模拟电路的类似应用已应用于形成CV电路，可将其分类为多段或多系统模型。
[0037]由于较低的计算要求和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于集总参数的人体心血管系统建模方法，其特征在于，所述方法包括：用动力泵模拟心脏，弹性时变模型模拟心室，单向二极管模拟瓣膜，弹性的圆形管模拟血管，不可压缩的牛顿流体模拟血液，并结合人体心血管系统标准结构，构建人体心血管系统模型；通过如下公式(1)建立心室的压力
‑
容积曲线关系：P(t)＝E(t)(V(t)
‑
V
d
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(1)其中，P(t)表示心室的压力；V(t)表示心室的血容量随时间的变化；V
d
表示心室收缩末期无张力的心室容积；E(t)是一个时变弹性函数，在生理意义上E(t)表示心肌的弹性系数。2.根据权利要求1所述的一种基于集总...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莘文，郑然，马炬，宗方，代婷钰，陈哲，何厚伯，张文亮，程桂禹，黄昱，王超，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军军医大学，
类型：发明
国别省市：