基于血流動(dòng)力的心音產(chǎn)生模型及仿真.pdf

1、心音是由心血管系統(tǒng)血流動(dòng)力狀態(tài)變化與相關(guān)器官（心臟瓣膜、血管及心臟壁等）的相互作用而產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)。從產(chǎn)生原理來看，心音能夠反映心血管系統(tǒng)的生理及病理狀態(tài)。在心血管系統(tǒng)發(fā)生病變，尚不足以引起明顯病理特性時(shí)，心音常常首先表現(xiàn)出異常?；谘鲃?dòng)力的心音產(chǎn)生模型，能夠作為一個(gè)仿真平臺(tái)，用于模擬正常生理狀態(tài)或某些病理狀態(tài)下的心音產(chǎn)生機(jī)制，為研究心音與血流動(dòng)力的關(guān)系提供一種途徑，對(duì)研究相關(guān)心血管疾病的診斷有重要參考意義。本文進(jìn)行了3項(xiàng)工作。

2、>　　(1)提出了基于血流動(dòng)力的第一心音和第二心音產(chǎn)生模型。首先建立心血管系統(tǒng)的電路仿真模型。模型包括心臟的4個(gè)腔室，體循環(huán)和肺循環(huán)中的動(dòng)脈、毛細(xì)血管和靜脈，以及心率、心室收縮性和外周阻力的生理控制機(jī)制。將電路模型轉(zhuǎn)化為微分方程組，并利用有限差分法進(jìn)行求解。根據(jù)仿真結(jié)果，得到主動(dòng)脈瓣、肺動(dòng)脈瓣、二尖瓣和三尖瓣的關(guān)閉時(shí)刻及瓣膜兩側(cè)的血壓差。定義了瓣膜相對(duì)關(guān)閉時(shí)間的4個(gè)參數(shù)，即二尖瓣與主動(dòng)脈瓣關(guān)閉的時(shí)間差(TDMA，Timing Delay

3、 between Mitral and Aortic valve closure)、主動(dòng)脈瓣與二尖瓣關(guān)閉的時(shí)間差(TDAM，Timing Delay between Aortic and Mitral valveclosure)、主動(dòng)脈瓣與肺動(dòng)脈瓣關(guān)閉的時(shí)間差（TDAP，Timing Delay between Aortic andPulmonary valve closure），二尖瓣與三尖瓣關(guān)閉的時(shí)間差(TDMT，Timing De

4、lay betweenMitral and Tricuspid valve closure)。研究了以上4個(gè)參數(shù)與相關(guān)血流動(dòng)力的關(guān)系。將瓣膜看作彈簧振子，其振動(dòng)為阻尼受迫振動(dòng)。根據(jù)瓣膜兩側(cè)血壓差計(jì)算受迫力，并用Ramp函數(shù)擬合。求解瓣膜振動(dòng)的解析表達(dá)式，進(jìn)而合成心音信號(hào)。合成心音信號(hào)與實(shí)際采集信號(hào)的頻域與時(shí)頻域特征表現(xiàn)出高度的一致性。
　　(2)提出了第一心音和第二心音的分解方法。假設(shè)第二心音的A分量和P分量服從包絡(luò)調(diào)制的chir

5、p信號(hào)模型，并用18個(gè)參數(shù)來表達(dá)。在最小均方誤差準(zhǔn)則下，通過模擬退火算法為A分量和P分量估計(jì)出最優(yōu)參數(shù)，從而重構(gòu)出A分量和P分量。提取了10位志愿者第二心音的A分量和P分量，證明了方法的有效性。假設(shè)第一心音由若干個(gè)高斯函數(shù)組成，每個(gè)高斯函數(shù)有3個(gè)參數(shù)，同樣利用模擬退火算法估計(jì)出最優(yōu)參數(shù)。用10位志愿者的第一心音進(jìn)行了驗(yàn)證，重構(gòu)信號(hào)與原始信號(hào)的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上。
　　(3)利用心音產(chǎn)生模型，分別仿真人體運(yùn)動(dòng)和自然呼吸時(shí)心血管

6、系統(tǒng)的血流動(dòng)力變化以及心音在以上生理過程中的變化規(guī)律。對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果顯示，在運(yùn)動(dòng)后的恢復(fù)期，主動(dòng)脈收縮壓(SBP，Systolic Blood Pressure)逐漸降低，心率逐漸減慢，TDMA、TDAM、TDAP三個(gè)參數(shù)與SBP有顯著的負(fù)相關(guān)性，而TDMT與SBP有較弱的負(fù)相關(guān)性;在運(yùn)動(dòng)恢復(fù)期，第一心音與第二心音的幅度逐漸降低。對(duì)自然呼吸的仿真結(jié)果顯示，吸氣時(shí)，體循環(huán)血壓降低，心率加快，TDMA顯著減小，TDAP顯著增大，TDM