CN112289451A - 人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法。包括：计算心脏顺应性与心脏弹性；根据心脏容积与所述心脏顺应性计算心脏压强；根据血管容积与所述心脏顺应性计算血管压强；以及根据心脏压强与血管压强的压强大小模拟血液流向。本发明使用了一种运行速度较快的简化计算方法，可以让师生实时看到模拟的结果。
Description
技术领域
本发明涉及人体生理学计算机仿真模拟领域，特别是涉及一种人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法。
背景技术
现有的心血管循环系统计算机模拟领域有两个主要类型，一类是基于复杂数学原理与生理学和物理学原理进行的高精度模拟，其计算的数据主要与科研相关，这类仿真一般都需要运算能力更强的计算机，并且计算周期相对较长。
还有一种模拟方法基于通过实际采集获得的真实数据或者虚拟数据，根据需要简单播放结果，非即时计算，并且没有数学建模，对于未录入过的新操作不会响应，缺乏对参数变化产生多样化结果的能力，这类模拟方法多用于教学领域，其不需要计算能力很强的计算机，在基础医学如生理学教学中能达到一些教学效果，但是无法展示多个因素变化引起的综合影响。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，可以让师生实时看到模拟的结果。
为解决上述技术问题，本发明提供一种人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，包括：
计算心脏顺应性与心脏弹性；
根据心脏容积与所述心脏顺应性计算心脏压强；
根据血管容积与所述心脏顺应性计算血管压强；以及
根据心脏压强与血管压强的压强大小模拟血液流向。
在一个优选例中，采用双峰弹性函数计算周期性变化的所述心脏顺应性和所述心脏弹性。
在一个优选例中，所述心脏弹性计算如下：
Emax,v和Emin,v分别为心脏的最大弹性和最小弹性，单位为毫米汞柱每毫升，t为心动周期内所处的时间点，单位为秒，
f(t)为赋予心脏弹性变化曲线形状的双峰函数，fmax为其可达到的最大值，f(t)具体形式如下：
其中的α1，α2，n1和n2为双峰曲线的形状参数，T为心动周期。
在一个优选例中，所述心脏顺应性是用所述心脏弹性的倒数计算的，表达式为：
在一个优选例中，周期性变化的所述心脏顺应性用来模拟心动，引起血压和血流的周期性变化，进而模拟心脏周期性的收缩与舒张。
在一个优选例中，通过增大所述心脏顺应性模拟心脏的舒张，通过减小所述心脏顺应性模拟心脏的收缩。
在一个优选例中，根据心脏压强与血管压强的压强大小模拟血液流向包括：
将所述心脏压强与所述血管压强进行比较，当所述心脏压强低于所述血管压强时，血液充盈心脏，动脉中关闭血管与心脏的联通，模拟瓣膜关闭；
当心脏充盈后，所述心脏顺应性的变化使得心脏在大容积下所述心脏压强变高，所述心脏压强高于所述血管压强，达到瓣膜打开条件后模拟瓣膜打开，心脏向动脉射血，同时心脏静连接的脉瓣膜关闭，防止血液回流。
在一个优选例中，根据心脏压强与血管压强的压强大小模拟血液流向还包括：根据心脏压强与血管压强的压强差计算血流量。
在一个优选例中，还包括：
等待心血管循环系统指标运行到稳定值后，采用控制变量法模拟生理指标的变化。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如上所述的方法中的步骤。
本发明提供的人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法中，提供了一种新的基于数学建模即时运算的心血管循环系统仿真模拟方法，考虑到教学使用需要，本发明使用了一种运行速度较快的简化计算方法，可以让师生实时看到模拟的结果。另外，本发明中这种模拟方法主要考虑心血管循环系统相关的生理学指标以及血流动力学指标，并不对系统中的每个模块进行有限元模拟，这简化了计算复杂程度。
附图说明
图1为本发明一实施例中人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法的流程图。
图2为本发明一实施例中心脏压力容积曲线(PV环)的示意图。
图3为心脏压力容积曲线的一种标准图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例1
本发明实施例1提供一种人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法。下面对本实施例的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。本实施例的示意图可参考图1，所述一种人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法包括：
步骤S101，计算心脏顺应性与心脏弹性；
步骤S102，根据心脏容积与所述心脏顺应性计算心脏压强；
步骤S103，根据血管容积与所述心脏顺应性计算血管压强；以及
步骤S104，根据心脏压强与血管压强的压强大小模拟血液流向。
本发明考虑到教学使用需要，提供了一种运行速度较快的简化计算方法，可以让师生实时看到模拟的结果。
实施例2
本发明实施例2提供人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，可以是在实施例1的基础上进一步优化或改进。下面对本实施例的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。本实施例包括：
模拟方法的主要内容是心脏泵血功能的模拟，心脏泵血是心血管循环系统中对所有指标影响最为重要的因素之一。在本实施例中，计算心脏泵血功能采用了一种双峰弹性函数用来计算周期性变化的心脏顺应性和心脏弹性，并以此计算血液的流速，压强，在各个模块中的容积等生理学指标。
所述心脏弹性计算如下：
Emax,v和Emin,v分别为心脏的最大弹性和最小弹性，单位为毫米汞柱每毫升，t为心动周期内所处的时间点，单位为秒，
f(t)为赋予心脏弹性变化曲线形状的双峰函数，fmax为其可达到的最大值，f(t)具体形式如下：
其中的α1，α2，n1和n2为双峰曲线的形状参数，T为心动周期。
所述心脏顺应性是用所述心脏弹性的倒数计算的，表达式为：
周期性变化的所述心脏顺应性用来模拟心动，引起血压和血流的周期性变化，进而模拟心脏周期性的收缩与舒张。
具体的，心脏的舒张通过增大顺应性来实现，这时候心脏充血，容积增大但是压强几乎不变化。收缩则是顺应性减小来实现，在容积不怎么变化的情况下压强急剧增加。即，可以是通过增大所述心脏顺应性模拟心脏的舒张，通过减小所述心脏顺应性模拟心脏的收缩。
心脏顺应性的单位为毫升每毫米汞柱，即单位压强改变引起的容积变化量。心脏顺应性的改变与心脏目前的压强与容积可以计算出心脏经过时间ts后压强和容积的变化，ts为模拟的时间步长。
血管的顺应性不产生周期性变化，所以我们将计算出的心脏压强将与血管压强进行比较，当心脏压强低于血管压强时，血液充盈心脏，动脉中关闭血管与心脏的联通，模拟瓣膜关闭。当心脏充盈后，心脏顺应性的变化使得心脏在大容积下压强变高，心脏压强高于血管压强，达到瓣膜打开条件后模拟瓣膜打开，心脏向动脉射血，同时心脏静连接的脉瓣膜关闭，防止血液回流。
进一步的，还可以根据心脏压强与血管压强的压强差计算血流量。
实施例3
本发明实施例3提供人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，可以是在实施例1或实施例2的基础上进一步优化或改进。下面对本实施例的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。本实施例包括：
等待心血管循环系统指标运行到稳定值后，采用控制变量法模拟生理指标的变化。
通过改变形状参数与心动周期时长，可以模拟出各种状态下心脏的工作情况，修改参数对计算结果的影响可以实时被观测到。心血管循环系统的生理指标与参数变化的关系可以有助于对心血管循环系统的运作机制进行原理解释。
心脏PV环是心脏的压力容积曲线，是一条闭合的曲线，横纵轴分别为压强和容积。PV环从左下角开始，沿顺时针方向走完一周为一个心动周期。PV环反映了心脏在心动周期中给定任意时间点的心脏压力与容积的关系，是计算生理指标以及判断心脏健康程度的重要依据。
附图2是本发明模拟软件输出的一个心动周期记录的左心压强与容积变化绘制的PV环，经过与如图3所示正常心脏的PV环对比，其形状与正常心脏的图像形状基本一致，这表示本发明使用的算法较好的模拟了心脏心动周期内每一阶段的变化特点。需要说明的是，心脏容积是有区别的，有的心脏容积大有的容积小，但是压强并不会有较大差异，因此，图2和图3中横坐标的差异并不影响本发明模拟结果的验证。
实施例4
本发明实施例4提供人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，可以是在实施例3的基础上进一步优化或改进。下面对本实施例的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。本实施例包括：
根据标准男性生理指标设定的形状参数与顺应性范围，使用本方法进行计算，等待心跳，血压，每搏输出量等心血管循环系统指标运行到稳定值。
在稳定值的基础上，单独增加心脏最大弹性Emax,v后，可以观测到每搏输出量升高，心脏舒张期充盈更充分，收缩期开始时压力更大，动脉脉压差加大。
在稳定值的基础上，单独减少心动周期时间，即加快心率，观测到收缩期缩短，心脏充盈最大容积减少，每搏输出量有所降低，但是因为单位时间心动次数增多，心输出量增大。
当减小心脏最大弹性Emax,v并且同时减少心动周期时间时，可以观测到心输出量减少，两个参数减小的幅度比例变化时，也有情况可以观测到心输出量增加。
在稳定值的基础上，单独增加心脏外血管的外周阻力，可以观察到血压升高，脉压差降低，每搏输出量也有降低。
经过结果验证，此方法模拟的生理指标变化完全符合生理学原理和实际数据的规律。此方法运行速度快于模拟的逻辑时间速度。此方法不仅可以自由改变单个参数并观察其对心血管循环系统的影响，也可以同时改变多个参数并观察各个参数对生理指标的综合影响，与传统的教学模拟不同，此方法可以精确控制每个参数变化的多少，相比数据播放式模拟增加了互动性，加深学生的印象，对生理原理的解释更加清晰。
实施例5
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现本发明的各方法实施方式。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括但不限于，相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
需要说明的是，在本专利的发明文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的发明文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，其特征在于，包括：
计算心脏顺应性与心脏弹性；
根据心脏容积与所述心脏顺应性计算心脏压强；
根据血管容积与所述心脏顺应性计算血管压强；以及
根据心脏压强与血管压强的压强大小模拟血液流向。
2.如权利要求1所述的人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，其特征在于，采用双峰弹性函数计算周期性变化的所述心脏顺应性和所述心脏弹性。
3.如权利要求2所述的人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，其特征在于，所述心脏弹性计算如下：
Emax,v和Emin,v分别为心脏的最大弹性和最小弹性，单位为毫米汞柱每毫升，t为心动周期内所处的时间点，单位为秒，
f(t)为赋予心脏弹性变化曲线形状的双峰函数，fmax为其可达到的最大值，f(t)具体形式如下：
其中的α1，α2，n1和n2为双峰曲线的形状参数，T为心动周期。
4.如权利要求3所述的人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，其特征在于，所述心脏顺应性是用所述心脏弹性的倒数计算的，表达式为：
5.如权利要求4所述的人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，其特征在于，周期性变化的所述心脏顺应性用来模拟心动，引起血压和血流的周期性变化，进而模拟心脏周期性的收缩与舒张。
6.根据权利要求5所述的人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，其特征在于，通过增大所述心脏顺应性模拟心脏的舒张，通过减小所述心脏顺应性模拟心脏的收缩。
7.如权利要求6所述的人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，其特征在于，根据心脏压强与血管压强的压强大小模拟血液流向包括：
将所述心脏压强与所述血管压强进行比较，当所述心脏压强低于所述血管压强时，血液充盈心脏，动脉中关闭血管与心脏的联通，模拟瓣膜关闭；
当心脏充盈后，所述心脏顺应性的变化使得心脏在大容积下所述心脏压强变高，所述心脏压强高于所述血管压强，达到瓣膜打开条件后模拟瓣膜打开，心脏向动脉射血，同时心脏静连接的脉瓣膜关闭，防止血液回流。
8.如权利要求1或7所述的人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，其特征在于，根据心脏压强与血管压强的压强大小模拟血液流向还包括：根据心脏压强与血管压强的压强差计算血流量。
9.如权利要求1所述的人体心血管循环系统的计算机仿真模拟方法，其特征在于，还包括：
等待心血管循环系统指标运行到稳定值后，采用控制变量法模拟生理指标的变化。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1至9中任意一项所述的方法中的步骤。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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