人体上肢血管系统电路模型及仿真研究

论文摘要

心血管疾病是威胁人类生命健康的严重疾病之一,据统计,我国心血管病患人数至少2.3亿,每年心血管病死亡达300多万人,总死亡每3人中就有1人是心血管病。除死亡率高外,心血管疾病及其并发症给社会和家庭带来了巨大的经济负担。我国心血管病每年的直接医疗费用为1300多亿元,占我国同期医疗总费用的22%以上。可见,如果能对心血管疾病做到早期的诊断和预防,具有很强的现实和社会意义。心血管系统是较早地应用建模和仿真的领域之一。利用心血管系统所建立起的数学模型可以用来分析和预测各种生理疾病下系统的运行机制及其动态变化规律,可实施在人为控制条件下研究疾病的预防和诊断的可能性,以及开发出各种心血管参数无创检测方法及相应的医疗仪器。本文采用数学模型方法对其进行研究,主要致力于建立一个人体上肢血管系统的电网络模型,并结合临床研究对模型进行仿真分析。论文主要包括以下几个方面:首先介绍了血流动力学基本知识,详细论述了心血管系统电网络模型的研究进展及现状,分别对经典的单、双弹性腔模型进行分析研究,建立心血管系统单、双弹性腔的Simulink仿真模型,并对其进行仿真研究。其次根据弹性腔模型理论,将血管等效为许多小的串联的弹性腔管道的模型,根据动脉血管等效模拟电路建立人体上肢血管的3种电网络模型,采用Matlab中的Simulink/Simpowersystem模块构建该上肢血管系统的电网络模型进行仿真试验,对动脉脉搏波进行动态模拟。并通过临床检测对这三种模型进行对比分析,得到一种最优的上肢血管系统的电网络模型。由于高血压和动脉硬化等疾病主要体现在心血管动力学参数的变化上,分析模型中参数变化对脉搏波波形的影响。研究高血压和动脉硬化两种主要的心血管疾病中模型参数与脉搏波的变化情况,并用统计的方法将仿真结果与临床实测波形进行对比分析,进一步验证模型的实用性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 血流动力学简述
• 1.2.2 心血管循环系统电网络模型的国内外研究进展及现状
• 1.3 本论文的主要工作及创新点
• 2 基本理论及仿真
• 2.1 脉搏波传播理论
• 2.2 心血管基本血流参数的电学类比关系
• 2.2.1 电流与血液体积流量的类比关系
• 2.2.2 电压与血液压力差的类比关系
• 2.2.3 电阻与粘性阻力的类比关系
• 2.2.4 电容与动脉顺应性的类比关系
• 2.2.5 电感与血液流动惯量的类比关系
• 2.2.6 电阻抗与血液阻抗的类比关系
• 2.3 弹性腔模型理论
• 2.3.1 单弹性腔模型
• 2.3.2 双弹性腔模型
• 2.3.3 多弹性腔模型
• 2.4 弹性腔模型仿真
• 2.4.1 建模仿真软件简介
• 2.4.2 单弹性腔模型仿真
• 2.4.3 双弹性腔模型仿真
• 3 人体上肢血管系统电网络模型的建立
• 3.1 上肢血管系统动脉分布
• 3.2 上肢血管系统电网络模型的建立
• 3.2.1 动脉血管模拟电路模型
• 3.2.2 肱—桡动脉段血管电网络模型
• 3.2.3 手掌部分动脉段血管电网络模型
• 3.2.4 电网络模型参数的计算
• 3.3 电网络模型SIMULINK/SIMPOWERSYSTEM 仿真
• 3.3.1 信号源的提取
• 3.3.2 电网络模型仿真电路
• 3.3.3 仿真结果
• 3.4 上肢血管系统电网络模型
• 4 模型参数与波形特征关系
• 4.1 单参数变化对脉搏波的影响
• r 对脉搏波波形的影响'>4.1.1 C_r对脉搏波波形的影响
• r 对脉搏波波形的影响'>4.1.2 R_r对脉搏波波形的影响
• r 对脉搏波波形的影响'>4.1.3 L_r对脉搏波波形的影响
• 4.1.4 外周阻力Rm 对脉搏波波形的影响
• 4.1.5 C m 对脉搏波波形的影响
• 4.2 同类型参数对脉搏波的影响
• 4.2.1 血流阻力对脉搏波波形的影响
• 4.2.2 血流惯性对脉搏波波形的影响
• 4.2.3 血流顺应性对脉搏波波形的影响
• 4.3 参数与脉搏波特征关系
• 5 人体生理病理的仿真研究与临床统计分析
• 5.1 高血压
• 5.2 动脉硬化
• 5.3 临床结果分析与讨论
• 5.3.1 统计处理方法[52]
• 5.3.2 临床结果统计
• 5.3.3 仿真与临床统计对比分析
• 5.4 临床分析结论
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录