心血管循环系统的建模及仿真-cameo-计算机辅助多物理场工程仿真.pdf

维普资讯 第17卷 第3期 茂名学院学报 、 ．17 Nl0．3 2007年6月 JOURNAI．OF MAOM G UNI、 RSrrY Jun．2007 心血管循环系统的建模及仿真 杨 艳 ，吴效明 (1．茂名学院计算机与电子信息学院，广东茂名525000；2．华南理工大学生物医学工程系，广东广州510640) 摘要：建立了一个含心脏循环、冠状循环、肺循环和体循环四个基本结构的循环系统的血流动力学仿真模型。模型可以仿 真正常及心衰情况下血液循环系统的血流动力学现象，得到正常及心衰情况下心脏的压力一容积曲线、冠脉血流波形、循 环系统中各处的血压、血流量波形等表征血流动力学状况的重要曲线，还可仿真心脏的颈动脉窦神经活动与交感神经及迷 走神经的调控机制。仿真结果与生理实际情况相符合。 关键词：循环系统；血流动力学；心衰；建模；仿真 中图分类号：R318．1 文献标识码：A 文章编号-1671—659o(200r7)O3—0045—04 库 在人和动物的生命运动中，心血管系统是最重要的系统之一。研究心脏的血流动力学过程，传统的方 例 法是通过外科手术在动物(狗、猪等)身上或人体上进行，这常常受到伦理道德和实验条件的限制。血液循 环系统建模仿真以血流动力学为基础，结合人体的解剖结构，建立相应的数学模型，定量地考察心血管系 案 统，可以揭示循环系统的生理病理机理，为临床诊断和治疗提供理论依据和新思路。根据血流动力学与电 E 学系统的等效规律，人们常常采用等效电路模型来研究血液循环系统。此时，血流阻尼等效为电阻，血流 A 等效为电流，血压等效为电压，血流惯性等效为电感，血流顺应性等效为电容，血管弹性等效为倒电容…。 C 为了研究正常生理及心衰情况下的血流动力学现象，本文建立了一个含心脏循环、冠脉循环、肺循环和体 循环四个基本结构的循环系统的血流动力学仿真模型。模型中还考虑了颈动脉压力感受器传人通路、交 模 感神经活动和迷走神经活动对心脏活动的调节。 凯 1 血液循环系统的建模 O 1．1 心脏模型E M 在本文建立的模型中，对于心脏在循环系统中功能的模拟采用搏动间歇流模型，心肌工作时的收缩和 A 舒张是通过心房和心室弹性系数的改变来模拟的 】。心脏相当于整个系统的激励源，模型中心脏分为四 C 个组成部分：左心房、左心室、右心房、右心室。心房描述为一个弹性腔，忽略其主动收缩的功能。心房和 心室之间有单向的瓣膜。心室的收缩是通过Voigt粘弹性模型来描述的，也就是一个时变的弹性腔和一个 时变的流阻组成。假定心室在舒张期，它充盈的压力一容积关系服从指数形式的函数关系。在心室收缩 期假定它的压力一容积关系为线性，比例系数为Emax。而行程控制函数 (t)控制心动周期中的各个阶 段的转变。 根据对心脏工作机制的认识，血液在心脏各腔室中的流动可用图l描述。 静—— 右心房 书+·l-{右心室卜_— 啐 肺循环卜-— 左心房卜-—田 左心室 系统 循环 三尖瓣 肺动脉瓣 二尖瓣 动脉瓣 图1 心脏的血液循环过程