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***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***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***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。
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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