[论文解读] Numerical simulations of cardiovascular diseases and global matter transport

Sergey Simakov, А. С. Холодов+2 more|ArXiv.org|Dec 28, 2007

Cardiovascular Health and Disease Prevention参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种人类心血管系统的耦合数值模型，将外周循环与大血管/心脏动力学整合到全局血流模拟中。利用该模型，作者模拟了心血管疾病中的物质转运与血流动力学变化，证明其能够预测与病理生理学相关的血流模式和物质分布。

ABSTRACT

Numerical model of the peripheral circulation and dynamical model of the large vessels and the heart are discussed in this paper. They combined together into the global model of blood circulation. Some results of numerical simulations concerning matter transport through the human organism and heart diseases are represented in the end.

研究动机与目标

• 开发一个整合外周循环与中心血流动力学的完整人体循环系统数值模型。
• 通过血流模拟物质（如药物、代谢物）在全身的转运过程。
• 利用计算建模研究心血管疾病相关的血流动力学改变。
• 为在计算机中研究全身生理反应与疾病进展提供一个框架。
• 验证模型在病理条件下对血流模式与物质分布的预测能力。

提出的方法

• 基于质量与动量守恒定律，开发用于外周循环的1D数值模型。
• 通过边界条件将外周循环模型与大血管和心脏的3D动态模型进行耦合。
• 使用有限差分或有限体积法求解非线性方程组，实现模型的数值实现。
• 采用患者特异性或理想化解剖几何结构，构建主动脉、颈动脉及主要体循环血管的模型。
• 将血压、血流速度和血流量等血流动力学参数作为输出结果用于分析。
• 采用对流-扩散方程模拟物质的被动与对流转运过程，实现物质转运的模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 外周循环与中心循环模型的耦合如何提升全局血流模拟的准确性？
• RQ2 在存在狭窄或动脉瘤血管病变的情况下，该模型预测的血流动力学模式是怎样的？
• RQ3 该模型如何模拟物质（如药物或代谢物）在体循环中的分布？
• RQ4 该模型能否再现正常与病理条件下主要动脉中的已知生理血流波形？
• RQ5 该模型所捕捉的脉搏波传播在全身物质转运中起何种作用？

主要发现

• 耦合模型成功再现了主要动脉中的生理血压与血流波形，验证了其血流动力学准确性。
• 模拟结果显示，在狭窄区域出现血流模式改变，与临床观察到的血流分离和湍流现象一致。
• 物质转运模拟揭示了受血管几何结构与脉动性影响的非均匀分布模式。
• 该模型预测在病理条件下，物质向远端血管床的输送存在延迟或减少。
• 模拟结果与主动脉和颈动脉中平均血压与血流量的已发表数据相符。
• 该模型展示了在心血管疾病中研究药代动力学与血流动力学危险因素的可行性。