血液循环系统数学模型及EICPR心肺复苏术仿真研究

摘要

建立血液循环系统的数学模型,利用模型仿真方法深入研究和考察各种新型辅助治疗装置的作用机理,定量分析辅助装置对人体的血流动力学影响,对研制新型辅助循环装置、优化控制参数、评价装置有效性具有重要意义,同时也是必不可少的一个重要手段。抢救猝死最有效的措施是心肺复苏术,本论文从此背景入手,以血流动力学为基础,针对辅以下肢体外反搏ECP和吸气阻力阀的EICPR新型双泵复苏术开展建模与仿真研究。EICPR新型双泵复苏术由吸气阻力阀(Impedance threshold valve,ITV)和下肢体外反搏(External Counterpulsation,ECP)优势互补结合形成。在按压期,通过标准胸骨按压,形成前向血流,产生收缩压；在放松期,通过体外反博,将下肢的静脉血较快地压回右心,通过胸骨自动回缩,并结合吸气阻力阀产生较大的胸内负压,促进肺循环和体循环,从而降低右房压,提高心输出量,升高主动脉舒张压,提高冠脉灌注压,改善心肌血供。两者优势互补,以期达到促进缺血心肌恢复和提高复苏成功率的目的。 EICPR新型双泵心肺复苏术复苏治疗机理的核心是循环系统血流动力学问题,其临床效果与复苏装置的作用方式及相关控制参量的选择有密切关系。本文在吸收近年来国内外心血管循环系统建模仿真成果的基础上,深入进行了血液循环系统的建模仿真研究,构建了一个EICPR心肺复苏术的仿真平台。 本文首先建立了一个含心脏循环、肺循环、体循环和冠脉循环四个基本结构的循环系统的血流动力学仿真模型,并考虑了神经调控的作用。各单元模型分别由相应的微分方程或等效电路表达,应用MATLAB/Simulink程序语言实现复杂系统网络结构的数学模型,在符合生理意义条件下求解,进行仿真实验。仿真结果与生理实际情况相符合,说明所建立的模型是有效的,稳定的,为以后的模型耦合工作打下了坚实基础。 随后针对EICPR,建立了心脏骤停时的心血管循环系统数学模型及simulink仿真模型,并将体外反博ECP和吸气阻力阀ITV的作用耦合进心血管循环系统生物力学(数学)模型中,最后对仿真实验结果进行了讨论。仿真结果说明EICPR双泵复苏术提高了胸主动脉舒张压,从而提高了冠脉灌注压,改善了心肌血供,充分论证了辅以体外反博和吸气阻力阀的EICPR双泵复苏术的血流动力学机制,并且证明其复苏效果要优于标准心肺复苏术SECPR。而换成更符合医学实际的按压波形后,冠脉灌注压得到了更好改善。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1研究背景和学术意义

1.2国内外研究进展

1.2.1血液循环系统的建模与仿真

1.2.2现行心肺复苏术研究现状

1.3本论文的主要研究内容

第二章血液循环系统的建模与仿真基本方法

2.1系统仿真和建模在生理系统研究中的应用

2.1.1生理系统的建模与仿真

2.1.2血液循环系统的建模与仿真

2.1.3 MATLAB简介

2.2血液循环系统模型

2.2.1循环系统建模与仿真的基本方法

2.2.2血管模型

2.2.3冠状循环模型

2.2.4心脏力学及心脏模型

2.2.5血液循环系统的调控机制

2.3本章小结

第三章血液循环系统的数学模型与仿真结果

3.1血液循环系统模型的总体方案

3.1.1血液循环生理

3.1.2血液循环系统模型的总体方案

3.2体循环模型

3.2.1主动脉模型

3.2.2上肢血管系统模型

3.2.3下肢血管系统模型

3.2.4腔静脉及脑循环模型

3.3心脏循环模型

3.3.1左心脏模型

3.3.2右心脏模型

3.4.冠状循环模型

3.5肺循环模型

3.6心血管活动的神经调节模型

3.7 MATLAB/Simulink数字仿真模型

3.7.1 Simulink仿真实现

3.7.2仿真实验结果讨论

3.8本章小结

第四章辅以体外反博的和吸气阻力阀的双泵复苏术数学模型及仿真结果讨论

4.1 EICPR的血流动力学机制

4.2针对EICPR建立血液循环系统模型

4.3基于EICPR的血液循环系统数学模型的Simulink仿真结果

4.4本章小结

结论与展望

1论文的主要工作

2论文的展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢