一种基于集总参数的心血管系统仿真模型及心音产生机理的研究

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心血管系统是个复杂的循环系统,心血管疾病逐渐成为人类最大的困扰,分析心血管系统的生理机制,研究心血管系统的工作原理成为很多学者的研究内容。心音信号是复杂的生理信号,研究心音信号的产生机理为心音听诊提供理论保障。本文从心血管循环系统的生理结构出发,讨论心血管系统的工作机制以及心音的产生机理,并提出了一种基于集总参数的心血管仿真模型。首先,基于流体力学与电气网络的相关基础理论以及心血管循环系统的生理结构,建立了一种基于集总参数的心血管仿真模型,并且将该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。该心血管仿真模型与同类模型的不同之处主要体现在以下三个方面:(1)在对心脏子模型建模时,对瓣膜模型进行改进,将理想二极管换成一个伯努利阻抗来表示瓣膜,这样更有助于反映瓣膜孔径与血流的关系,更贴近瓣膜的生理机制,能够方便地讨论心音产生的机制以及影响因素。(2)基于集总参数的心血管仿真模型是在体循环子模型的基础上进行扩展,用耦合壁对左右心室进行耦合,增加肺循环的各段血管使其形成一个闭合的循环,构成了心血管系统模型。(3)在建立肺循环中的各段血管时充分考虑了弹性腔内部阻力以及血液流动过程中的血流阻力,将弹性腔模型进行改进,并给出了肺循环中的各段血管的血管两端压力与血管血容量之间的非线性关系。然后,利用所建立的模型解释心音的产生机制,并利用心脏子模型模拟仿真出正常的和两种异常的第一心音波形,并分析解释了第一心音的波形变化与心血管血流动力学参数以及模型参数之间的关系。通过探讨模型参数的变化对第一心音波形的影响来总结心音的产生机制。最后,利用所建立的模型讨论正常生理状况下的心血管参数,仿真出健康状况下的一组心血管仿真结果,并对模型参数进行修改,讨论各个模型参数对心血管系统的生理参数的影响,仿真出两组病态状况下的心血管仿真结果,经过分析对比,发现仿真的结果与心血管生理系统的临床表现基本一致。本文提出的心血管系统仿真模型能够体现心血管系统的一些细节特征,为心音信号的产生机理分析奠定了良好的基础,也为心血管疾病的研究提供了一种新途径。
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