[发明专利]基于集总参数的心血管系统仿真模型

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于集总参数的心血管系统仿真模型。 

背景技术

心血管系统是一个封闭的管道系统，是人体生理过程中最为重要的系统之一。心血管系统的仿真计算模型，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。通过对心血管系统的仿真模型的研究，可以为正常或病态的心音产生机理提供了一种可行的理论依据,并且心血管系统仿真模型是学习心脏的生理机能和研究心脏听诊的很好的工具。 

发明内容

本发明的目的是提出一种基于集总参数的心血管系统仿真模型，利用心血管系统仿真模型去分析心室心房血容量、心房心室压力、动脉血流量和表征正常和非正常心血管状态。本发明基于流体力学与电气网络的相关基础理论，建立一种基于集总参数的心血管系统仿真模型。该心血管系统仿真模型分为三个子模型：体循环子模型、肺循环子模型及心脏子模型。重点分析了体循环子模型和心脏子模型，给出收缩压，舒张压，射血分数等血流参数和仿真波形图，并对心音产生机理进行了分析。然后在此基础上进行扩展，增加了肺循环、血管、耦合壁等，使其形成一个闭合的循环回路，构成了心血管系统仿真模型，利用状态变量分析法建立该模型的数学表达式，并进行模拟仿真，得出心室心房血容量、心房心室压力、动脉血流量等仿真结果，并且可以利用该模型仿真高血压病态和心衰病态状况。 

实现本发明目的的技术方案是：基于集总参数的心血管系统仿真模型，包括体循环子模型、肺循环子模型、心脏子模型、右心室和肺循环子模型之间的肺动脉瓣，以及左心室和体循环子模型之间的主动脉瓣，其中心脏子模型包括左心房、左心室，右心房、右心室四个腔室和心室中间的耦合壁，其特征是： 

所述心脏子模型中，左心房、左心室，右心房、右心室的游离壁均用依次串联的第一压力传感器、第二压力传感器、时变倒电容和电阻表示，心室中间的耦合壁的弹性用电容表示，其中，第一压力传感器端接地，电阻端为输出端，左心房和左心室之间的二尖瓣用依次串联在左心房的电阻端和左心室的电阻端之间的电感、电阻和伯努利阻抗表示；右心房和右心室之间的三尖瓣用依次串联在右心房的电阻端和右心室的电阻端之间的伯努利阻抗、电阻和电感表示，其中，第一压力传感器表示胸廓内压，第二压力传感器表示心包压，时变倒电容表示心肌的弹性系数，电阻表征血流粘性阻力，电感表示血流惯性，伯努利阻抗表示血流粘性的动态阻力。 

所述肺循环子模型由肺动脉，肺静脉以及肺毛细血管级联组成，肺动脉、肺静脉和肺毛细血管均由两条并联的肺循环支路组成，第一肺循环支路由依次串联的第一支路电阻和第一支路电感组成，第二肺循环支路由依次串联的第二支路电阻、第二支路电容和第二支路压力传感器组成，肺动脉、肺静脉和肺毛细血管的第一肺循环支路依次连接；其中，第一支路电阻表示血液流动产生的阻力，第一支路电感表示血流的惯性，第二支路电阻表示弹性腔的内部阻力，第二支路电容表示血管的顺应性，第二支路压力传感器表示胸内压。 

所述体循环子模型由主动脉、动脉、毛细血管、静脉和腔静脉组成，主动脉用依次串联的主动脉电容、主动脉第一电阻、主动脉电感和主动脉第二电阻表示，动脉、毛细血管、静脉和腔静脉均用两条并联的体循环支路表示，第一体循环支路由第一血管电阻和第一血管电容串联组成，第二体循环支路由第二血管电感和第二血管电阻串联组成，其中电容表示血液的顺应性，电阻表示血流粘性阻力，电感表示血流惯性；主动脉、动脉的第一体循环支路、毛细血管的第一体循环支路、静脉的第一体循环支路和腔静脉的第一体循环支路依次首位连接。 

所述右心室和肺循环子模型输入端之间的肺动脉瓣用依次串联的电阻、伯努利阻抗和电感表示，其中，电阻表示肺动脉瓣的血流阻力，电感表示肺动脉瓣中血液的惯性效应，伯努利阻抗Bpv表示血流粘性的动态阻力； 

所述左心室和体循环子模型输入端之间的主动脉瓣用依次串联的电阻、伯努利阻抗和电感，电阻表示主动脉瓣的血流阻力，电感表示主动脉瓣中血液的惯性效应，伯努利阻抗Bav表示血流粘性的动态阻力。 

心血管系统建模是一个复杂过程，为了使模型尽可能的符合实际情况，构造心血管系统仿真模型应遵循如下原则： 

(1)一致性原则：是指通过模型所得到的参数或仿真波形尽可能与实测的参数或波形相一致。 

(2)可解释原则：是指设计的心血管系统仿真模型可以解释心血管的生理机制以及心音的产生机制，并且能用状态变量来表示生理学上的心血管参数，可以通过观测状态变量的变化趋势来研究心脏的生理状态。