1、Cardiovascular Circulatory System Modeling and Simulation心血管循环系统建模仿真 王涵系统是指一类实体的集合，包括实体、属性和活动三个要素Physiome Project 研究心血管循环系统的传统方法是通过外研究心血管循环系统的传统方法是通过外科手术在动物（狗、猪）或者人的身上进科手术在动物（狗、猪）或者人的身上进行行。局限性：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 设备和技术的限制 伦理道德的约束,有些实验不能进行在体实验已建的模型 Goldstein等人建立了多分支的心血管
2、系统模型并研究了呼吸对心血管系统循环的影响 Tsuruta等人仿真了药物对心衰的影响 Ursino等人研究了压力感受器对心血管的影响 Arts等人应用适应性规则,建立了一个能够用于仿真病理和预测疗效的模型。Physbe Model 心血管系统模型比较有代表性的还有Warner模型、Barnea等人建立的闭环模型、Witzig提出的分布式参数模型。局限性：血液循环系统的模型中,除心室部位外,大多数是参数不变的线性模型,且是在动脉血管是刚性管的假设下进行的 R.Bayer建立了一个较为完善的、非线性的心血管系统模型。其冠脉循环模型是一个3层分支结构的复杂模型,从而能深入认识并模拟心肌内层血管血流所
3、涉及的生理机制。在心脏复苏的研究中有Babbs、Charles F等人的心肺交互模型,研究了外力干涉,即腹部胸部按压下,心血管系统的动力学。上述模型的局限性：着重描述了人体的心脏功能,而缺乏对血管系统的详细描述和研究,尤其是受到建模方法的限制,模型往往难以扩展.键合图（Power Bond Graph Method）是一种系统动力学建模方法，它以图形方法来表示、描述系统动态结构，是对系统进行动态数字仿真时有效的建模工具。优点:(1)模型结构简明,包含信息量大,可以直观地揭示组成系统各元件间的相互作用及能量转化关系;(2)系统动态数学模型与状态方程间存在着严格的逻辑一致性,可以根据系统的键合图有
4、规律地推导出数学模型,得到标准形式的状态方程.心脏的泵模型 瓣膜模型 血管系统 模型耦合心脏的泵模型 经临床检验证实是一个有效的模型。舒张期、心室压力和容积成指数关系:P(t)=aexp(DsV(t)-1+P0.收缩期 P(t)=E(t)V(t)-Vd+R(t)dVdt.瓣膜模型 心脏和血管间的瓣膜起着防止血管中的血液倒流回心脏的功能,在模型中将其简化为流阻,当心脏射血时,瓣膜开放,流阻为零;当心室压力低于动脉压力、瓣膜关闭时,流阻为无穷大.同时假设瓣膜的开放瞬间完成.血管系统模型耦合仿真结果 每个心动周期系统各部分的压力波P 血流量波Q 收缩压SBP 舒张压DBP 脉压PP 每搏输出量SV
5、心输出量CO 射血分数EF 左心室收缩末期容量LVESV 左心室舒张末期容量LVEDV动脉粥样硬化的仿真 future work Performing a signal analysis over the numerical results,to correlate harmonic contents with the normal and pathological states.Changing parameters,which also allows to test the model robustness.Adding more vessels and non-linear characteristics to them,to explore regional circulation features and represent system dynamics more accurately.Introducing compartments of other domains,external influences and neural control schemes,to describe more aspects of the system.
