基于心血管模型的中医脉象分析及球囊反搏术的仿真研究

发布时间：2020-07-18 05:47

【摘要】：心脏是心血管系统的重要组成部分之一,为血液循环提供动力。当正常心脏功能发生障碍时,静脉回心血液无法正常泵出心脏,导致动脉系统供血不足,引起各种心血管疾病。瓣膜性心脏病是常见的心血管疾病,如主动脉瓣钙化,二尖瓣反流等。研究瓣膜在健康和病理情况下心血管的血液动力学变化,为预测瓣膜性心脏病提供指导作用。而大多数心血管疾病的终末期均会发展为心力衰竭,主动脉内加入球囊是治疗心力衰竭的主要疗法之一。但传统的球囊反搏术最大的局限性在于不能主动辅助心脏,心输出量增加不大,辅助程度有限。因此本文提出一种在升主动脉放置球囊并在其后加瓣膜的治疗方法,并与仅在升主动脉处耦合球囊的传统方式进行对比,通过数值仿真探究新疗法对心力衰竭的辅助效果。仿真结果表明,在不同等级的心力衰竭病理情况下,升主动脉耦合球囊及瓣膜模型能更好的提高左心室的工作能力,有效地增加每搏输出量和左心室射血分数。具体研究内容如下:1.引入心脏和血管系统的建模方法对心血管血液循环系统进行建模。在课题组前人提出的关闭体积可控的孔口模型基础上,建立包括左、右心房,左、右心室和四个瓣膜在内的周身血液循环系统模型,考虑到了心脏四个腔室的主动收缩性以及四个瓣膜在整个心动周期内的运动。仿真结果表明,在健康、主动脉瓣钙化以及各级心力衰竭生理状态下模拟出的血液动力学数据与生理数据一致。2.建立手臂详细血管网络模型,并将其耦合至周身血液循环系统模型上,在耦合模型中对中医把脉时的寸、关、尺三部分别进行建模。通过改变模型中各血管段的相关参数(血管顺应性C、血液粘性阻力R、血液惯性L)仿真模拟人体的不同生理状态,得到相应的脉象。在此基础上通过改变主动脉瓣模型的参数模拟主动脉瓣钙化病理状态;定量预测和分析主动脉瓣钙化病理状态下寸部血液动力学变化,为中医诊脉中检测瓣膜性心脏病提供理论依据。3.建立新型球囊反搏泵模型,并利用等效电网络法对传统和新型球囊反搏泵建模进行仿真研究。首先,在周身血液循环系统模型的基础上搭建升主动脉耦合球囊反搏泵模型和升主动脉耦合球囊反搏泵并在其后加瓣膜模型;其次,通过仿真模拟得到不同心力衰竭等级下的血液动力学特性;然后,在不同心力衰竭等级下仿真模拟传统球囊反搏泵和新型球囊反搏泵对心脏和各血管的血液动力学的影响效果;最后,对比分析两种模型下各位置的血液动力学特性的变化,仿真数据显示升主动脉耦合球囊反搏泵并在其后加瓣膜方式对心力衰竭的辅助效果更佳,为治疗心力衰竭提供更有利的辅助手段。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.9;R259
【图文】：

球囊,放气

P 工作原理如图 1.1 所示，球囊在主动脉瓣关闭后（心脏舒张气，使主动脉舒张压升高，冠状动脉的灌注压上升，同时使灌注得到改善。球囊在主动脉瓣开放前（心脏收缩前期）快射血阻力下降，同时减少了心室做功和氧耗，因而提高了左使每搏量和射血分数上升[8]。为改善球囊反搏泵对心衰的辅助球囊后增加一个瓣膜，其作用是防止外周血液在球囊放气时并增强升主动脉的抽吸作用，降低主动脉窦压，减小左心室射

肺动脉压,心房压,充盈期,半月瓣

图 2.1 所示是心脏的解剖结构。一个完整阶段：（1）当心室压高于主/肺动脉压时，主/肺动血期开始，心室血液泵送到动脉中；（2）射血时主动脉瓣两端压差小于零时，半月瓣开始关闭，当完室压迅速下降；（3）当心室压低于心房压后，二尖开，进入充盈期，血液从左/右心房相应的流入左/闭，且主/肺动脉瓣也处于关闭状态时，进入等容收心室压高于主/肺动脉压时进入下一次循环。

动脉模型

如图2.2 所示。在小动脉和毛细血管中，血管壁是相对刚性的，血液流动是稳定的，摩擦损失是主导因素，因此局部流动动力学将他们与动脉部分的阻力等效成一个纯电阻元件描述。静脉一般起存储血液的作用，以适应不同生理条件的过渡期间的血容量的再分配。由于静脉血流相对稳定，因此惯性效应常被忽略，故用RC组合来描述其流动特性，如图 2.3 所示。肺循环建模时分为肺动脉窦、肺动脉和肺静脉三部分，建模方法同体循环一致。图 2.2 动脉模型图 2.3 静脉模型Fig.2.2 Arterial model Fig.2.3 Venous model2.2.2 心脏腔室模型（一）心室模型本文借用时变弹性函数模型描述左、右心室的收缩和舒张功能[11]，数学公式如（2.1）、（2.2）所示： sdmmdE t E EEt E（2.1） 1.91.921.90.710.7*0.711()1.55*mmmmmtttE t（2.2）公式（2.1）中 E（t）是时变弹性函数的数学表达式。其中 tc是一个心动周期的时间，tc=60/HR，HR 是心率，tm=t/TMax

【参考文献】