心血管循环系统的建模仿真
血液循环系统模型
研究现状
近几年来，心血管系统的血液动力学建 模与仿真工作不断取得新的进展 , 其趋势 主要是朝着局部细化和整体系统化相结合 的方向发展，模型的应用也由过去的单一 型向通用型发展。
血液循环系统模型
（Blood Circulation System , 简称BCS）
1．血管中血流的流体动力学模型 2．心脏收缩特性模型 3．循环系统动态模型
仿真侧重点
血液动力学数字仿真模型可按其建模的侧重点分为强调局部特 性和强调整体特性这两大类。 所谓强调局部特性的模型即指某一循环器官的局部模型或以局 部为主的循环系统模型。例如 , 冠脉循环模型、血管模型阁、心 脏模型、肺循环模型等等。这类模型的特点是可较细致地描述所关 心器官的血液动力学状况 , 但较大程度地忽略了循环系统 内部的 相互作用及关联效应。 强调整体特性的循环系统动力学仿真模型则将血液循环做为一 个闭合体系加以描述，强调了其内各器官间的相互耦合和相互作用 以及循环系统与外部作用的整体性反应 ，但在各组成部分的特性 描述上则引入了较多的简化条件。
1．血管中血流的流体动力学模型 因为血液是流体，可以应用流体力学理论 来研究血液在血管个的流动机理。若假设血液 为不可压缩的牛顿液体，且血管截面为圆形， 则血液在血管中的流动过程可以用流体力学中 的纳维—斯托克思方程来描述：
dv dt v ( v ) p v g
血液循环系统计算和仿真
模型中 ,主动脉瓣和二尖瓣为非线性元件 ,时 变元件则包括上述两个瓣膜、左心室和主动脉气 囊泵。可以用上述模型完成不同情况下的计算机 仿真。
仿真举例
增大模型中外围电阻 RP值 ,可以实现高血压的仿真 , 在图3 中 , RP增大到正常状态二倍时的仿真曲线如图所 示。Pj和 Pi在心脏收缩阶段的数值明显升高 ,如图所示其 AP = 156/117 ( mmHg) 。
心脏的一种建模新方法及仿真
１ 引言
心脏好 比人体 内部 的引擎 ， 驱动人体 的各个部分正 常运 转 。从本质上而言 ， 心脏是一种通过肺脏 和机体维持供 氧和 血液循环 的肌 肉泵 ， 是整个血液循环 的动力源 。心脏 的肌 肉
发达， 因而 能 够 强 有 力 地 收 缩 ， 像 容 积 式 液 压 泵 一 样 ， 它 就 当
心脏模型 ； ｒ ｎ 和 Ｓ ｎ等在 Ｓｇｗ 工作 的基础上建立 Ｈ Ｕｓ ｏ ｉ ｕ ａａ ａ
—
Ｓ Ｐ（ ｅｒ —ｓｓ ｍｃ—ｐｌ ｏａｙ） － ｈａ ｔ ｙｔ ｉ ｕｍ ｎｒ 血液动力学 的集 中参 数 ｅ
。另 外 ， 樊瑜
模型 Ｊ 。国内的白净等学者 利用模 拟 电路或 血液流 体动 力 学原理建立 了体循 环模 拟 、 血管 模 型等 心 系统 的建模与仿真做 了深入 的研究 Ｊ 。 波， 吴效 明 ， 辛继斌 等人 也从 电路及 流体 方面 对左半 心循 环
的设计及评价提供 了有力 的工具 ； 为医学辅 助设备特别 是 也
心脏辅助设备 的开发 提供 有参 考价值的信息 。
２ 心脏 的等 效模 型
２ １ 心 脏与液压元件等的等效 ． 图１ 为心脏 的结构 图。可见 ， 心脏被 房 间隔和室 间隔分 为左半 心和右 半心 ， 每半 心又分 为心 房和心 室 ， ４个 腔室 这 （ 右心房 ， 右心室 ， 左心 房 ， 心室 ） 左 之间有 ４个 单 向阀 门， 即
机械及控制等复 杂系 统建模 和仿 真的优 选平 台。尤其 是它 包含 了丰富 的液压元件子模型 ， 以及所具有 的图形化 物理建
与肺动脉之 间为肺动 脉瓣 ， 心房 与左心 室之 间为二 尖瓣 ， 左 左心室 出 口与主动脉 之 间为主 动脉瓣 。血液 由心脏 搏 出经 动脉进入 毛细血管 ， 再经静脉 回流人 心脏 ， 此循环不 息 。 如
心血管系统的仿真与建模
心血管系统的仿真与建模1．前言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。
当心脏周期性地收缩和舒张时，心室射入主动脉的血流将以波的形式自主动脉根部出发沿动脉管系传播，这种波就是脉搏波。
人体心血管系统由心脏、动脉、毛细血管和静脉组成，构成体循环和肺循环两大回路，其中体循环在人体的血液循环系统中占据极其重要的地位。
体循环开始于左心室。
血液从左心室搏出后，流经主动脉及其派生的若干分支动脉，进入各组织器官。
动脉血经组织器官内的毛细血管完成氧气和营养物质的交换后变为静脉血，再由各级静脉汇集到上腔静脉和下腔静脉，回到左心房，从而完成了整个体循环过程。
描述心血管系统功能状态的主要生理参数有[1]：血压(收缩压、舒张压、脉压、平均动脉压)、心率、每搏输出量、血管顺应性、血流阻力、心肌收缩能力等，它们与人体状态有着密切的联系：生理参数反映了人体的生理病理状态，而当人体生理病理状态发生改变时，相应的生理参数也会随之改变。
本文的主要内容如下：1.单弹性腔仿真模型在Windkessel理论的基础上，建立心血管系统一阶Simulink仿真模型，结合临床数据计算模型参数进行仿真，分析实验结果与实测生理量的符合程度，从而验证模型对于心血管系统的表征能力。
2.双弹性腔仿真模型在一阶模型的基础上，引入频率元件L，细化血管顺应性，建立三阶Simlink仿真模型。
3.参数性质分析研究模型参数改变时脉搏波的变化趋势，分析各参数对脉搏波的作用。
2. 单弹性腔基本理论与仿真模型2.1 Windkessel模型简介对于图2.1所示的往复泵供水系统，柱塞P在马达M的驱动下做往复运动：当P向前挤压时，吸水阀门2关闭、供水阀门1开启，被挤压的流体经传输管路A，并通过终端阻力R最后流入贮水槽V；当P向后抽吸时，供水阀门1关闭、吸水阀门2开启，贮水槽中的水被吸入缸内，下一个周期又如此重复。
图2.1 水在往复泵及其传输管路中的流动[2]实际应用中，人们往往在传输管路A中接入一个空气腔K以保证供水阀门关闭期间管路内液体流动的连续性。
心血管循环系统的建模仿真
等人建立了一个包含有以下 ５个主要部分 ：①心脏 循环 ；②多元动脉 系统 ；③外周循环系统 ；④多元 静脉系统 ；⑤生理调节系统。
日本 九 州 大学建立 了一个基于解释结构 的模
型，心血管系统诊断仿真工具 ＫｉｔａＨｕｍａｎｌ＂＇＇２１。该
模型包含了主要器官单元和功能特性单元的 ２５个 模块，共有了 ２００多个变量和 １００多个常数 。这 ２５ 个模块有药理学 、神经反射 、心血管循环 、气体交 换、肾脏分泌物 、血液透析 、体温调节等模块 。
１ 国内外生理 系统模型的研究动态
在 早 期 的 生理系统建模［’一’〕中，着重研究心血 管系统模型的较多。Ｓｕｇａ和 Ｓａｇａｗａ等人通过动物
实验 ，建立了心室时变弹性模型，后来 Ｓｈｒｏｆｆ等人 修正了该心室模 型。１９６６年 ＪｏｈｎＭ ｃＬｅｏｄ建立 了
ＰＨＹＳＢＥ模型，这是一个经典的线性的血液循环模
模型，运用数学仿真技术对心血管动力学进行模拟 仿真 ，扩展 了传统的方法 ，以便进行更深领域的研
究。
在 传统 的方法中，研究生理系统主要通过动物 实验和人体实验来进行 ，由于动物生理与人体生理 的差异性 ，动物实验具有局限性 ；人 的个体差异 性 ，需要大量的实验数据 ，耗费大量人力物力；此 外 ，由于设备和技术的限制 ，以及伦理道德的约
束 ，有些实验不能进行在体实验。而数字仿真技术
、的采用，为生理系统的科研提供了新的方法和辅助
手段 ，弥补了传统方法的不足。生理系统建模的过
程如图 １所示。
翼 兰 书 翻
基金项目 广东省自然基金 （０４０２００４８）资助 作者单位 １华南理工大学生物力学研究所 （广州 ５１０６４０）
左心循环系统的建模与仿真
文章标识码：3
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Hale Waihona Puke !"#$%&’( )’# *&+,%)-&"’ ". /$.- 0$)1- 2&13,%)-&"’
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摘要：将左心模型与四元件的动脉系统 #$%&’())(* 模型耦合，构成左心+动脉系统交互的左心循环系统模型。模型包括
左心房、左心室、二尖瓣、动脉瓣和动脉系统，实现了对左心循环系统的血流动力学模拟。应用状态空间法和
,-./0-12 框图模型法两种技术和 .34035 工具，进行了数学建模和数值计算，具有模型直观、容易实现、方便调节参
脉系统的空间分布特性@)A。本文中用一个四 元 件 的 9:3;<=>>=?
模型来模拟动脉循环，模型包含四个元件：总动脉顺应性 (4，模 拟主动脉弹性；线性电阻 54，称 为 外 周 阻 抗 ，模 拟 所 有 的 动 脉 、 小 动 脉 和 毛 细 血 管 的 血 流 阻 尼 ；模 拟 动 脉 系 统 血 流 总 惯 性 的 电
心血管系统的仿真与建模
心血管系统的仿真与建模1.前言心血管循环系统是最复杂的生命系统z・，具有高度的动态特性。
当心脏周期性地收缩和舒张时，心室射入主动脉的血流将以波的形式自主动脉根部出发沿动脉管系传播，这种波就是脉搏波。
人体心血管系统由心脏、动脉、毛细血管和静脉组成，构成体循坏和肺循坏两大回路，其中体循环在人体的血液循环系统中占据极其重要的地位。
体循环开始于左心室。
血液从左心室搏出后，流经主动脉及其派生的若干分支动脉，进入各组织器官。
动脉血经组织器官内的毛细血管完成氧气和营养物质的交换后变为静脉血，再由各级静脉汇集到上腔静脉和下腔静脉，回到左心房，从而完成了整个体循环过程。
描述心血管系统功能状态的主要生理参数有⑴：血压（收缩压、舒张压、脉压、平均动脉压）、心率、每搏输岀量、血管顺应性、血流阻力、心肌收缩能力等，它们与人体状态有着密切的联系：生理参数反映了人体的生理病理状态，而当人体生理病理状态发生改变时，相应的生理参数也会随Z改变。
本文的主要内容如下：1. 单弹性腔仿真模型在Windkessel理论的基础上，建立心血管系统-•阶Simulink仿真模型，结合临床数据计算模型参数进行仿真，分析实验结果与实测生理量的符合程度，从而验证模型对于心血管系统的表征能力。
2. 双弹性腔仿真模型在一阶模型的基础上，引入频率元件L,细化血管顺应性，建立三阶Simlink仿真模型。
3. 参数性质分析研究模型参数改变时脉搏波的变化趋势，分析各参数对脉搏波的作用。
2.单弹性腔基本理论与仿真模型2.1 Windkessel 模型f对于图2.1所示的往复泵供水系统，柱塞P在马达M的驱动下做往复运动：当P向前挤压时，吸水阀门2关闭、供水阀门1开启，被挤压的流体经传输管路A,并通过终端阻力R最后流入贮水槽V；当P 向后抽吸时，供水阀门1关闭、吸水阀门2开启，贮水槽中的水被 吸入缸内，下一个周期又如此重复。
实际应用屮，人们往往在传输管路A 中接入一个空气腔K 以保证 供水阀门关闭期间管路内液体流动的连续性。
体循环系统建模与仿真
ｔｄｂ ｅ ｙ ＭＡＴＬ ＡＢ．Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｈｏ ｔ ｔｔ ｅ ｍｏ ｉ ｅ ｅ ｅ ｔ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｍｐ ｅ ｅ ｓｖ ｌ ｅ ｅ ｔｔｅ ｗｏ ｋｉ ｅ ｒ ｓ ｌｓｓ ｗ ｈａ ｈ ｄｆ ｄ ｌｆ ｖ ｎ ｒ ｌ ａ ｏ ｒ ｈ ｎ ｉｅｙ ｒ ｆ ｃ ｈ ｒ ｎｇ ｉ ｔ ｉ ｌ ｍｅ ｈ ｎｉｍ ｎ ｕ ｃ ｉｎ ｏ ｅ ｒ ，ａ ｄ ｃ ｎ ｓｍｕｌｔ ｈ ｅ ｄ ｎ ｍｉｓｏ ｏ ｍａ ｅ ｒ．Ｔｈ ｅ ｄ ｎ ｍ— ｃ ａ ｓ ａ ｄ ｆ ｎ ｔｏ ｆｈ ａ ｔ ｎ ａ ｉ ａ ｅ ｔｅ ｈ ｍｏ ｙ ａ ｃ ｆｎ ｒ ｌｈ ａ ｔ ｅ ｈ ｍｏ ｙ ａ ｉｓｏ ｈ ｅ ｒ ａｌ ｒ ａ ｓ ｄ ｂ ｅｔｖ ｎ ｒｃｅ ｅａ ｔ ｎ ｅ．ｓ ｓｅ ｃ ｖ ｓ ｕ ａ ｅ ｉｔ ｎ ｅ ｏ ｏ ａ ｄ ａ ｍ— ｃ ｆｔ ｅ ｈ ａ ｆｉｕ ｅ ｃ ｕ ｅ ｙ ｌｆ ｅ ｔ ｌ ｌ ｓａ ｃ ｔ ｉ ｙ ｔ ｍｉ ａ ｃ ｌ ｒｒ ｓｓａ ｃ ｒ ｍｙ ｃ ｒ ｉｌｉ ｐ ｄ ｎ ｅ ｃ ｎ ｂ ｉ ｌ ｔｄ ｂ ｈ ｎ ｉ ｇ ｍｏ ｅ ａ ａ ｔｒ ． ｅ ａ ｃ ａ ｅ ｓｍｕ ａｅ ｙ ｃ ａ ｇｎ ｄ ｌｐ ｒ ｍｅｅ ｓ Ｋｅ ｒ ｓ：ｓ ｓｅ ｃ ｃｒ ｕ ａｉ ｎ ｓ ｓｅ ；ｍｏ ｅ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ｙ ｔｍｉ ｉｃ ｌｔｏ ｙ ｔ ｍ ｄｌ ｎｇ；ｆｕｄ ｎ ｔ ｒ ｌ ｉ ｅ ｗｏ ｋ；ｓｍｕ ａｉ ｎ；ｈ ａ ａｌ ｒ ｉ ｌｔ ｏ ｅ ｒ ｆｉｕ ｅ ｔ
手段 ．
电网络模 型法 是建 立数 学模 型最 传统 最有 效 的 方法， 它根据 流体 网络 与 电气 网络 的等效关 系 ， 电 用 流 表示 血液 的流 动 ， 电 阻表 示 血 液 流 动 的黏 滞 阻 用
循环系统仿真模型建立与测试
循环系统仿真模型在各行业的应用前景
• 循环系统仿真模型在各行业的应用前景非常广泛，包括但不限于以下几个方面 • 工业生产：循环系统仿真模型可以用于工业生产过程中的废物处理和资源回收 • 农业生产：循环系统仿真模型可以用于农业生产的废物处理和资源回收 • 城市生活：循环系统仿真模型可以用于城市生活中的废物处理和资源回收 • 环境保护：循环系统仿真模型可以用于环境治理和资源保护
• 仿真模型的验证是通过比较模型输出和现实系统数据来评估模型的正确性和可靠性 • 数据收集：收集现实系统中的相关数据，作为模型验证的依据 • 模型验证方法：采用统计学、人工智能等方法来比较模型输出和现实系统数据 • 验证结果分析：根据验证结果，评估模型的正确性和可靠性，确定模型是否需要优化
03
循环系统仿真模型的测试方法
循环系统的重要性及应用领域
循环系统的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面
• 工业生产：循环系统可以用于工业生产过程中的废物处理和资源回收 • 农业生产：循环系统可以用于农业生产的废物处理和资源回收 • 城市生活：循环系统可以用于城市生活中的废物处理和资源回收 • 环境保护：循环系统可以用于环境治理和资源保护
循环系统的重要性主要体现在以下几个方面
• 资源节约：循环系统可以减少对自然资源的依赖，实现资源的可持续利用 • 环境保护：循环系统可以降低废物排放，减少环境污染 • 经济效益：循环系统可以为企业带来经济效益，提高竞争力
02
循环系统仿真模型的建立
仿真模型、计算机程序 等来模拟现实系统的模型
循环系统仿真模型的优化与改进
循环系统仿真模型的优化与改进主要包括以下几个方面
• 模型结构优化：优化模型中的组件和连接关系，提高模型的可扩展性和可维护性 • 模型参数优化：优化模型参数，提高模型的精度和稳定性 • 模型算法优化：优化模型算法，提高模型的运行效率和准确性
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万方数据
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万方数据
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心血管循环系统的建模仿真
作者：陈丽琳， 吴效明， 杨艳， 陈静， CHEN Lilin， WU Xiaoming， YANG Yan， CHEN Jing 作者单位：陈丽琳,吴效明,杨艳,CHEN Lilin,WU Xiaoming,YANG Yan(华南理工大学生物力学研究所,广州,510640)， 陈静,CHEN Jing(郑州大学信息工程学院,郑州,450001)
刊名：
北京生物医学工程
英文刊名：BEIJING BIOMEDICAL ENGINEERING
年，卷(期)：2006,25(3)
被引用次数：3次
1.郝卫亚;李为慧;白净左心室心肌局部缺血的生物力学模型及计算机仿真研究[期刊论文]-航天医学与医学工程2001(05)
2.National Instrument Company
3.Mathworks Company
4.杨承志;张长胜系统辨识与自适应控制 2003
5.Research Cardiovascular Simulator (RCVSIM) of Harvard-MIT
6.Goldberger AL;Amaral LAN;Glass L Hausdorff JM PhysioBank,PhysioToolkit,and PhysioNet:Components of
a New Research Resource for Complex Physiologic Signals 2000(23)
7.National Space Biomedical Research Institute web site
8.Simo A;Cavazza M Visualising Pathosphysiological Simulation with a Virtual Patient 2003
9.Cavazza M;Simo A A Virtual Patient Based on Qualitative Simulation 2002
10.Asami K;Kitamura T Development of a Diagnostic Supporting Tool for a Circulatory System Model of Living Body 2000(12)
11.Kitamura T A Computer-Aided Approach to the Structural Analysis and Modification of a Large Circulatory System Model[外文期刊] 1999(03)
12.李新胜;白净;崔树起心肺交互作用的心血管系统模型及仿真研究[期刊论文]-中国生物医学工程学报 2003(03)
13.王怀阳;郑振声;吴效明灌注压对左心室壁心肌层间血流影响的建模与仿真研究[期刊论文]-医用生物力学
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16.Charles F Babbs Distributed Biomedical Simulations:a comprehensive evidence based review[外文期刊] 2003(1)
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1.李虹磊.杨明.李世阳用于评估心室辅助装置的人体循环系统半实物仿真模型[期刊论文]-中国医疗器械杂志2010(1)
2.倪爱娟.孙秋明.谢新武.田丰.王政急救止血训练模拟系统的四联阀PI控制研究[期刊论文]-军事医学科学院院刊 2008(6)
3.鄂珑江.吴效明.胡玉兰心血管系统建模的研究进展[期刊论文]-现代生物医学进展 2008(8)
本文链接：/Periodical_bjswyxgc200603009.aspx。