心脏动态建模仿真与模拟装置研究

在现代社会,心脏类疾病已经日益成为人类健康的最主要威胁,显著影响人类的生命质量。因此,对心脏的研究受到了各国研究人员的广泛关注,已成为医学研究和教学的热点之一。从本质上而言,心脏是一种通过肺脏和机体维持供氧和血液循环的肌肉泵,是整个血液循环的动力源。事实上,心脏的工作机理即泵血机制与液压泵相近似,可以用液压系统理论来解释,这比用纯粹的生理学和医学知识来解释更具有物理意义,也比用电学知识阐述要简单直观。现今液压系统理论发展比较成熟,而在国内外,除了一些在医学和电学领域中常规的心脏系统建模的研究外,目前尚未见到用液压系统理论对心脏机理和特性研究的报道。本论文是基于此背景展开工作的,所做的研究希望为医学的辅助教学及临床教学提供参考,也为心脏及其相关领域的研究提供新的参考方案。本论文提出了一种关于心脏的全新建模方法。将心脏视为一个单纯的液压泵和相应的开关阀组合,用基于AMESim的软件平台建立了一个心脏-肺循环-体循环(heart-systemic-pulmonary,HSP)的人体心血管系统整体模型,并将心脏“beat-to-beat”的间歇泵血过程表现在模型中。对所建立的新模型进行仿真,得到了十分有意义的生理学上的重要信息。仿真结果验证了这种新的建模方法的可行性。建模方式较为新颖,目前还鲜有涉及。本论文另一项任务是探索一种在计算机中对心脏进行动态建模和流场计算的方法。本论文使用美国纽约大学的“虚拟心脏”文件构建心脏静态模型,选用ICEM CFD作为网格划分工具,在Fluent环境中建立动态模型并进行仿真分析。重点诠释了心动周期中心室的运动规律,并且参考了人体心脏的心肌结构来间接了解人体心脏的形变方式。完成了从最初静态模型建立到最终流场计算的过程,形成了完整的问题解决思路,并积累了各个步骤中的操作经验。心脏的CFD计算验证了新的建模方法的可行性和正确性。最后,本论文设计了一种心脏模拟实验装置,主要完成了机械设计以及实物加工制作和软件控制系统的搭建。该模拟实验装置直接对血液流路进行模拟,更能逼近测试系统实物的真实情况。模拟实验装置重在模拟心脏的泵血机制。模拟实验的参数可调范围宽,参数调节方式多样,测试程序与控制程序相结合,增强了对实验过程的检测与监控的直观性、方便性。本论文的研究工作为以后心脏的研究提供新的参考依据。
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