心血管系统多尺度模型研究

论文摘要

心脑血管疾病是全球死亡率最高的疾病,严重影响人类的健康和生活。心脑血管疾病的发生往往伴随着血管状态、血流动力学状态等的改变,应用数学模型方法研究心脑血管的血流动力学和波动特性,有助于心脑血管系统生理研究及其疾病的诊断和治疗。0D模型可用于研究系统的集中参数特性和时间特性,1D模型则可以仿真空间特性,两种模型方法结合对血流动力学的时间和空间特性都能进行很好的仿真研究。本研究致力于建立0D-1D耦合的心血管系统多尺度数学模型,并对正常生理状态和常见的心脑血管疾病进行仿真研究。论文的主要工作及结果包括：1、对现有模型方法进行研究和分析,确定0D、1D建模方法和多尺度耦合方法。2、建立带边界条件的单段血管、简单血管分支网络和Willis环的1D模型,仿真血流动力学特性和血管网络内血压波的传播特性,仿真结果与正常生理参数一致。3、将Willis环1D模型与整体0D模型进行耦合,验证了模型耦合方法和多尺度模型的有效性,可以仿真整体的血流动力学特性和Willis环的血压波传播。4、应用多尺度耦合模型,仿真Willis环的常见疾病,研究病理状态下整体血流动力学、Willis血流动力学和血压波传播特性的改变。本研究建立了心血管系统的0D-1D模型,并仿真研究了正常生理和常见病理状态下的整体血流动力学特性.Willis环局部血流动力学和血压波的传播特性,关键指标与实际符合。进一步完善本研究形成的多尺度模型可望为心脑血管系统研究提供有效的辅助工具。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 心血管系统模型研究进展
• 1.2 心血管系统多尺度模型
• 1.2.1 空间多尺度模型研究进展
• 1.2.2 心血管系统模型方法
• 1.3 课题的研究意义和主要工作
• 2 心血管系统的血流动力学特性
• 2.1 心血管系统基本结构和特性
• 2.1.1 心血管系统基本结构
• 2.1.2 心血管系统基本效能
• 2.1.3 心血管系统中的调节机制
• 2.1.4 血管内血压波的传播特性与血管功能
• 2.2 WILLIS环基本结构和常见疾病
• 3 心血管系统多尺度模型的建模技术
• 3.1 功率键合图技术基本理论
• 3.1.1 功率键合图基础知识
• 3.1.2 循环系统的功率键合图建模步骤
• 3.2 间断GALERKIN有限元方法
• 3.3 多尺度模型关键技术
• 4 心血管系统多尺度模型的建立
• 4.1 整体0D模型
• 4.1.1 循环系统模型
• 4.1.2 心血管调节模型
• 4.1.3 心血管系统整体键合图模型
• 4.2 局部血管网络1D模型
• 4.2.1 血管网络1D模型关键要素
• 4.2.2 简单血管网络1D模型的建立
• 4.2.3 WILLIS环1D模型
• 4.3 多尺度模型的实现
• 4.3.1 0D-1D耦合方法
• 4.3.2 整体0D模型与WILLIS环1D模型的耦合
• 5 1D模型仿真
• 5.1 血管内血压波传播的仿真
• 5.1.1 带边界条件的单段血管
• 5.1.2 简单分支网络
• 5.2 WILLIS环仿真
• 6 多尺度模型仿真
• 6.1 正常生理状况仿真
• 6.2 高血压仿真
• 6.3 WILLIS环常见疾病血流动力学仿真
• 6.3.1 颈内动脉狭窄
• 6.3.2 大脑中动脉狭窄
• 6.3.3 后交通动脉缺如
• 7 讨论
• 7.1 1D模型方法的有效性讨论
• 7.1.1 血管内血压波传播和反射特性
• 7.1.2 WILLIS环仿真讨论
• 7.2 多尺度模型的有效性讨论
• 7.2.1 正常生理状况仿真讨论
• 7.2.2 高血压仿真讨论
• 7.3 WILLIS常见疾病仿真结果讨论
• 7.3.1 颈内动脉狭窄仿真讨论
• 7.3.2 大脑中动脉狭窄仿真讨论
• 7.3.3 后交通动脉缺如仿真讨论
• 7.4 模型在生理病理研究中的作用
• 7.4.1 前后交通动脉的功能
• 7.4.2 仿真研究血压波的传播特性
• 8 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.1.1 主要研究工作
• 8.1.2 优点和局限性
• 8.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间科研成果