CN114743638A - 基于多维度模型的推拿功效仿真模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多维度模型的推拿功效仿真模拟方法，包括以下步骤：步骤S1:获取人体生理数据，并构建血液、动脉、肌肉层的三维结构；步骤S2:基于三维结构，采用COMSOL Multiphysics多物理场模拟软件，根据预设条件，完成局部动脉段的流固耦合模拟，获得血液血流速度云图、动脉压力云图、血管壁形变位移云图、壁面剪切力云图，血管出口压力和血流量数据；步骤S3:基于人体生理数据，根据心血管血流网络和电网络的等效关系，建立流体网络和电气网络各个参数之间的类比关系，并计算各个动脉段的电阻、电感和电容值，构建集总参数等效电网络模型；步骤S4:根据步骤S2得到的即时血流量，对所获的离散数据进行Fourier拟合，将数据转化为连续函数,并进行零维模型模拟仿真。
Description
技术领域
本发明涉及属血流动力学的数值模拟领域，具体涉及一种基于多 维度模型的推拿功效仿真模拟方法。
背景技术
随着社会经济的发展和国民生活水平的不断提高，人们的不健康 的生活方式引起的心血管疾病的危险因素日益增加，导致了心血管疾 病的发病率不断地增长。现代医疗技术的发展，不仅给人们的健康带 来了福音，在一定程度上也给人类健康带来了损害。推拿以其简便、 自然、无副作用等优势逐渐在临床应用中受到广泛应用。近年来，利 用先进的智能机器人技术代替人工推拿已成为一种趋势，而其中的关 键问题是模拟专家推拿技术。手法刺激是推拿的前提，正确的手法是 必要和适当刺激的保证。推拿手法的力学参数和力学效果将直接影响 推拿的疗效。现有的集中于推拿疗效的研究有基于晶格玻尔兹曼的二 维数值模拟方法、有基于Navier-Stokes方程的数学模型研究。
基于多维度模型的推拿疗效仿真模拟方法可以有效解决上述现 有分析方法只集中于单一动脉段的分析而无法充分考虑局部推拿对 远端动脉的血流动力学影响效果，且基于晶格玻尔兹曼的数值模拟方 法纯粹将血管简化为二维轴对称直管模型，建立运动狭窄沿轴线移动， 而现实中血管经推拿作用后血管在关于轴线360°方向内并不会完全 对称，该建模方法过于理想化，准确性有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多维度模型的推拿功 效仿真模拟方法，兼顾了推拿对单一动脉段三维流固耦合模拟与远端 多段动脉的集总参数模拟，可以分析推拿对目标动脉的三维血流动力 学参数分析，如壁面剪切应力、血管壁形变位移等，还可以分析局部 推拿对远端动脉的血压和血流量影响
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于多维度模型的推拿功效仿真模拟方法，包括以下步骤：
步骤S1:获取人体生理数据，并构建血液、动脉、肌肉层的三维 结构；
步骤S2:基于步骤S1构建的三维结构，采用COMSOL Multiphysics 多物理场模拟软件，根据预设条件，完成局部动脉段的流固耦合模拟， 获得血液血流速度云图、动脉压力云图、血管壁形变位移云图、壁面 剪切力云图，血管出口压力和血流量数据；
步骤S3:基于人体生理数据，根据心血管血流网络和电网络的等效 关系，建立流体网络和电气网络各个参数之间的类比关系，并计算各 个动脉段的电阻、电感和电容值，构建集总参数等效电网络模型；
步骤S4:根据步骤S2得到的即时血流量，对所获的离散数据进行 Fourier拟合，将数据转化为连续函数,并进行零维模型模拟仿真。
进一步的，所述人体生理数据包括各个动脉段的长度、内径、弹 性模量和终端动脉段的外周阻抗参数。
进一步的，所述步骤S1根据采集的生理数据获得目标动脉的内 径、血管壁壁厚，获取血液的粘度、密度，血管壁和肌肉层的弹性模 量、密度和泊松比，进一步构建血液、动脉、肌肉层的三维结构。
进一步的，所述步骤S2具体为：获取肱动脉段入口和出口数据 作为三维模型的边界条件；将三维模型导入COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件进行预处理设置，入口和出口都设为压力边界条件 在三维模型距离入口边界为25mm处的肌肉层表面施加一个正弦式 周期性的动态外载，该载荷为频率分别为f0、2f0、4f0，其中f0为一 个心动周期的倒数；进行局部流固耦合模拟，分别对为施加动态外载 及施加动态外载的局部动脉段血液血流速度、动脉压力、血管壁形变 位移、壁面剪切力云图，评估推拿对目标动脉的局部血流动力学效果。
进一步的，所述步骤S3具体为：基于心血管流体网络和电网络 的等效关系，各个动脉段的电阻、电感和电容值计算公式如下：
其中η、l、r、E、h分别为血液的粘度，动脉段长度，动脉段内 径，动脉血管壁的弹性模量和血管壁厚；
根据所获生理参数计算各个动脉段的电阻、电感和电容值，构建 集总参数等效电网络模型。
进一步的，所述集总参数等效电网络模型中，将静脉视为零电位， 血液流入静脉视为电路中的接地；类比动脉顺应性的电容元件负极板 同样接地设置；终端小动脉的外周阻抗近似等效为电阻、电容。
进一步的，所述步骤S4具体为：根据COMSOL Multiphysics有 限元分析软件的流固耦合模拟结果，获取血管出口处每个时间步的血 流量数据，经MATLAB傅里叶拟合为连续的时间函数，输入集总参 数左端电流入口作为模型的激励源，并通过远端动脉的血压和血流量 变化比较推拿对远端动脉的影响
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明规避了三维有限元分析多段动脉系统而固有的网格数 量庞大、模型边界条件复杂且敏感的问题。集中于推拿所作用的单段 目标动脉，根据临床推拿作用力对目标软组织施加动态周期性外载， 采用三维流固耦合模拟分析推拿作用处的血流动力学效果，同时又采 用零维集总参数模型模拟相邻多段动脉以探究局部推拿对远端动脉 的血压及血流量影响。
2、本发明可根据局部动脉所施加的动态载荷的不同而模拟多种 推拿手法对动脉系统的血流动力学影响。
附图说明
图1是本发明一实施例中血液、动脉和肌肉层的三维结构示意图；
图2是本发明一实施例中三维流固耦合模拟的入口和出口压力 边界条件；
图3是本发明一实施例中三元件集总参数电路图；
图4是本发明一实施例中三维/零位多维度耦合模拟示意图；
图5是本发明一实施例中均布正弦周期性动态载荷剖面示意图；
图6是本发明一实施例中推拿作用力示意图；
图7是本发明一实施例中仿真模拟流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于多维度模型的推拿功效的仿真 模拟方法，包括以下步骤：
步骤S1:获取人体生理数据，包括各个动脉段的长度、内径、弹 性模量和终端动脉段的外周阻抗等参数；应用三维建模软件建立包括 血液、动脉、肌肉层的三维结构；
步骤S2:基于步骤S1构建的三维结构，采用COMSOL Multiphysics 多物理场模拟软件，根据预设条件，完成局部动脉段的流固耦合模拟， 获得血液血流速度云图、动脉压力云图、血管壁形变位移云图、壁面 剪切力云图，血管出口压力和血流量数据；
步骤S3:基于人体生理数据，根据心血管血流网络和电网络的等效 关系，建立流体网络和电气网络各个参数之间的类比关系，并计算各 个动脉段的电阻、电感和电容值，构建集总参数等效电网络模型；
步骤S4:根据步骤S2得到的即时血流量，对所获的离散数据进行 Fourier拟合，将数据转化为连续函数,并进行零维模型模拟仿真。
在本实施例中，步骤S1根据采集的生理数据获得目标动脉的内 径、血管壁壁厚，获取血液的粘度、密度，血管壁和肌肉层的弹性模 量、密度和泊松比，进一步构建血液、动脉、肌肉层的三维结构。
在本实施例中，步骤S2具体为：获取动脉段血压波形，利用 MATLAB提取波形数据并导入fitting tool拟合工具进行高阶Fourier 拟合为血压随时间周期性变化的连续函数Pinlet，Poutlet；
将三维模型导入COMSOL MULTIPHYSICS多物理场分析软件， 选取流固耦合模块中的层流与固体力学两个物理场进行模拟分析； 在材料组件中分别对血液、动脉和肌肉层进行材料属性赋值、划分 网格处理；对层流和固体力学特性分别进行设置，层流入口与出口边界条件都分别设置为压力边界条件Pinlet，Poutlet；
设置推拿作用力，在距离入口25mm处的三维模型施加均布的正 弦式周期性动态面载荷，该载荷为频率分别为f0、2f0、4f0，其中f0＝ 1/T，
T为一个心动周期，HR为人体心率；进行流固耦合仿 真模拟，获取动脉段的壁面剪切应力、血管壁位移变形等血流动力学 参数和出口血流量。
在本实施例中，步骤S3具体为：根据心血管网络与电网络的相 似性，基于弹性强理论，将血流类比为电压，血压类比为电压，动脉 顺应性类比为电容，血液流动惯性类别为电感，血液粘性阻力类比为 电阻，根据所采集的人体生理参数计算各电阻元器件的参数值，将每 段动脉都等效为一个三元件集总参数子模型，进而根据人体的动脉系 统解剖结构，将每个子模型串并联为整体的集总参数模型，本过程忽 略小动脉及毛细血管；电阻、电容和电感的计算公式如下：
其中η、l、r、E、h分别为血液的粘度，动脉段长度，动脉段内 径，动脉血管壁的弹性模量和血管壁厚；
根据所获生理参数计算各个动脉段的电阻、电感和电容值，构建 集总参数等效电网络模型。
在本实施例中，步骤S4具体为：根据COMSOL Multiphysics有 限元分析软件的流固耦合模拟结果，获取血管出口处每个时间步的血 流量数据，经MATLAB傅里叶拟合为连续的时间函数，输入集总参 数左端电流入口作为模型的激励源，并通过远端动脉的血压和血流量 变化比较推拿对远端动脉的影响。
实施例1：
在本实施例中，提供一种一种基于多维度模型的推拿功效的仿真 模拟方法，包括以下步骤：
(1)采集人体生理数据，其中包括各个动脉段的长度、内径、 弹性模量和终端动脉段的外周阻抗等参数；获取动脉血管壁和肌肉 层的密度、弹性模量、泊松比；获取动脉段血压波形，利用MATLAB 提取波形数据并导入fitting tool拟合工具进行高阶Fourier拟合为血 压随时间周期性变化的连续函数Pinlet，Poutlet；
(2)根据参数构建包含血液、动脉和肌肉层的理想计算模型；
本实施例以肱动脉为例，创建内径为6.4mm，血管壁厚为0.67mm, 长为100mm的理想肱动脉模型，动脉腔填充满流动血液，并在距离 动脉中心轴线构建边长为15mm，长为100的肌肉层，采用布尔减操 作形成包覆动脉于外壁软组织，动脉与肌肉层的材料属性明细如下表 所示。
(3)模型导入COMSOL MULTIPHYSICS多物理场分析软件， 搭建三维流固耦合计算平台，使用流固耦合中的层流与固体力学两个 物理场进行流固耦合分析，根据上表对固体域中肌肉层和动脉壁进行 材料赋值，定义流体域的血液密度为1050kg/m3粘度，粘度为0.0035Pa·s。设置边界条件，入口和出口都分别设置为压力边界条件 Pinlet，Poutlet；将动脉与血液的接触面设置为流固耦合交界面，假定 壁面无滑移；
Pinlet＝a0+a1 coS(ωt)+b1 sin(ωt)+a2 cos(2ωt)+b2 sin(2ωt) +a3 cos(3ωt)+b3 sin(3ωt)+a4 cos(4ωt) +b4 sin(4ωt)+a5 cos(5ωt)+b5 sin(5ωt) +a6 cos(6ωt)+b6 sin(6ωt)+a7 cos(7ωt) +b7 sin(7ωt)+a8 cos(8ωt)+b8 sin(8ωt)
其中a0＝99.83，a1＝-8.965，b1＝8.748，a2＝-7.385，b2＝-1.891， a3＝0.5405，b3＝-5.923，a4＝2.41，b4＝-3.042，a5＝3.389， b52.795，a6＝-0.9977，b6＝1.191，a7＝-0.4234，b7＝0.3007， a8＝-0.3991，b8＝-0.03587，ω＝7.328。
Poutlet＝c0+c1 cos(ωt)+d1 sin(ωt)+c2 cos(2ωt)+d2 sin(2ωt) +c3 cos(3ωt)+d3 sin(3ωt)+c4 cos(4ωt) +d4 sin(4ωt)+c5 cos(5ωt)+d5 sin(5ωt) +c6 cos(6ωt)+d6 sin(6ωt)+c7 cos(7ωt) +d7 sin(7ωt)+c8 cos(8ωt)+d8 sin(8ωt)
其中c0＝98.31，c1＝-9.314，d1＝8.044，c2＝-7.106，d2＝-2.736， c3＝1.6，d3＝-5.888，c4＝3.234，d4＝-2.55，c5＝2.683，d5＝ 4.032，c6＝-1.554，d6＝0.8764，c7＝-0.6109，d7＝0.1148， c8＝-0.415，d8＝-0.2861，w1＝7.328。
(4)在距离模型入口处25mm施加均布的正弦式周期动态外载 荷模拟推拿中的振法作用造成软组织变形，动脉壁产生动态振荡狭窄， 设置时间步长为0.01s，仿真时间3s，进行流固耦合模拟分析，提取 计算结果包括壁面剪切应力、血管壁变形位移、动脉内壁压力云图， 出口血流量，分析推拿对局部动脉的血流动力学作用效果。
(4)基于心血管流体网络和电网络的类比关系，根据公式
计算每段动脉的RLC值，构建桡动脉、尺动脉I、 尺动脉II和骨间动脉单段动脉的集总参数子系统模型，根据人体左上 肢的动脉解剖结构图进行串并联组建整个集总参数模型。
(6)将流固耦合模拟结果中的出口血流量导入MATLAB进行高 阶Fourier拟合为血流量随时间变化的连续函数，输入集总参数左端 血流入口作为激励源，导入Simulink实现模型交界处数据耦合，实 现三维流固耦合有限元分析与零维集总参数电网络模型联合动态仿 真。
(7)分析不同的推拿频率(f0、2f0、4f0)对肱动脉段的局部 作用效果和桡动脉、尺动脉Ⅰ、尺动脉Ⅱ和骨间动脉的血压与血流量 变化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所 做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种基于多维度模型的推拿功效仿真模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:获取人体生理数据，并构建血液、动脉、肌肉层的三维结构；
步骤S2:基于步骤S1构建的三维结构，采用COMSOL Multiphysics多物理场模拟软件，根据预设条件，完成局部动脉段的流固耦合模拟，获得血液血流速度云图、动脉压力云图、血管壁形变位移云图、壁面剪切力云图，血管出口压力和血流量数据；
步骤S3:基于人体生理数据，根据心血管血流网络和电网络的等效关系，建立流体网络和电气网络各个参数之间的类比关系，并计算各个动脉段的电阻、电感和电容值，构建集总参数等效电网络模型；
步骤S4:根据步骤S2得到的即时血流量，对所获的离散数据进行Fourier拟合，将数据转化为连续函数,并进行零维模型模拟仿真。
2.根据权利要求1所述的基于多维度模型的推拿功效仿真模拟方法，其特征在于，所述人体生理数据包括各个动脉段的长度、内径、弹性模量和终端动脉段的外周阻抗参数。
3.根据权利要求2所述的基于多维度模型的推拿功效仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤S1根据采集的生理数据获得目标动脉的内径、血管壁壁厚，获取血液的粘度、密度，血管壁和肌肉层的弹性模量、密度和泊松比，进一步构建血液、动脉、肌肉层的三维结构。
4.根据权利要求1所述的基于多维度模型的推拿功效仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：获取肱动脉段入口和出口数据作为三维模型的边界条件；将三维模型导入COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件进行预处理设置，入口和出口都设为压力边界条件在三维模型距离入口边界为25mm处的肌肉层表面施加一个正弦式周期性的动态外载，该载荷为频率分别为
、2f 0、4f 0，其中f 0为一个心动周期的倒数；进行局部流固耦合模拟，分别对为施加动态外载及施加动态外载的局部动脉段血液血流速度、动脉压力、血管壁形变位移、壁面剪切力云图，评估推拿对目标动脉的局部血流动力学效果。
5.根据权利要求1所述的基于多维度模型的推拿功效仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：基于心血管流体网络和电网络的等效关系，各个动脉段的电阻、电感和电容值计算公式如下：
其中
分别为血液的粘度，动脉段长度，动脉段内径，动脉血管壁的弹性模量和血管壁厚；
根据所获生理参数计算各个动脉段的电阻、电感和电容值，构建集总参数等效电网络模型。
6.根据权利要求5所述的基于多维度模型的推拿功效仿真模拟方法，其特征在于，所述集总参数等效电网络模型中，将静脉视为零电位，血液流入静脉视为电路中的接地；类比动脉顺应性的电容元件负极板同样接地设置；终端小动脉的外周阻抗近似等效为电阻、电容。
7.根据权利要求1所述的基于多维度模型的推拿功效仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：根据COMSOL Multiphysics有限元分析软件的流固耦合模拟结果，获取血管出口处每个时间步的血流量数据，经MATLAB傅里叶拟合为连续的时间函数，输入集总参数左端电流入口作为模型的激励源，并通过远端动脉的血压和血流量变化比较推拿对远端动脉的影响。
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