基于多维度模型的推拿功效仿真模拟方法

1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一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：
7.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；
8.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；
9.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；
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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：
[0015][0016]
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；
[0017]
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。
[0018]
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。
[0019]
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
[0020]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0021]
1、本发明规避了三维有限元分析多段动脉系统而固有的网格数 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。
[0022]
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 推拿手法对动脉系统的血流动力学影响。
附图说明
[0023]
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；
[0024]
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；
[0025]
图3是本发明一实施例中三元件集总参数电路图；
[0026]
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；
[0027]
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；
[0028]
图6是本发明一实施例中推拿作用力示意图；
[0029]
图7是本发明一实施例中仿真模拟流程图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0031]
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：
[0032]
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；
[0033]
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；
[0034]
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；
[0035]
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。
[0036]
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。
[0037]
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p
inlet
，p
outlet
；
[0038]
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p
inlet
，p
outlet
；
[0039]
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。
[0040]
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：
[0041][0042]
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；
[0043]
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。
[0044]
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。
[0045]
实施例1：
[0046]
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：
[0047]
(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p
inlet
，p
outlet
；
[0048]
(2)根据参数构建包含血液、动脉和肌肉层的理想计算模型；
[0049]
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。
[0050][0051]
(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 p
inlet
，p
outlet
；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；
[0052]
p
inlet
＝a0 a
1 cos(ωt) b
1 sin(ωt) a
2 cos(2ωt) b
2 sin(2ωt) a
3 cos(3ωt) b
3 sin(3ωt) a
4 cos(4ωt) b
4 sin(4ωt) a
5 cos(5ωt) b
5 sin(5ωt) a
6 cos(6ωt) b
6 sin(6ωt) a
7 cos(7ωt) b
7 sin(7ωt) a
8 cos(8ωt) b
8 sin(8ωt)
[0053]
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。
[0054]
p
outlet
＝c0 c
1 cos(ωt) d
1 sin(ωt) c
2 cos(2ωt) d
2 sin(2ωt) c
3 cos(3ωt) d
3 sin(3ωt) c
4 cos(4ωt) d
4 sin(4ωt) c
5 cos(5ωt) d
5 sin(5ωt) c
6 cos(6
ωt) d
6 sin(6ωt) c
7 cos(7ωt) d
7 sin(7ωt) c
8 cos(8ωt) d
8 sin(8ωt)
[0055]
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。
[0056]
(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。
[0057]
(4)基于心血管流体网络和电网络的类比关系，根据公式(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系统模型，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。
[0058]
(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。
[0059]
(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。
[0060]
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。