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基于PPG信号的Windkessel模型修正及参数估计

作　者: 李朝阳
导　师: 叶志前
学　校: 浙江大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 心血管系统数学物理模型弹性腔模型参数估计
分类号: R318
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 97次
引　用: 2次
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内容摘要

心血管系统是人体中最复杂的系统之一，人们对心血管系统的研究以前主要依靠临床实验和动物实验，但临床实验受到设备技术和道义上的限制，有些实验根本无法进行。而动物实验也存在类似的问题，且因动物与人体的差异，动物实验所得到的结论可信度较低。这二类实验都要进行大量的重复操作，以得到具有统计规律的结论，实验时间长且需要大量的财力和物力。随着对心血管系统模型的研究，采用数学和物理模型的方法，可以弥补这二种方法的不足。应用心血管系统的数学或物理模型来分析和预测各种生理疾病下系统的运行机制及动态变化规律，可以大量减少和免除复杂而长期的甚至是无法进行的实验，从而大大提高研究效率。本研究的重点是应用Matlab这个集成化的语言工具，分析各种windkessel模型，在此基础上，提出一个三弹性腔心血管系统模型。把心血管系统模型看作一个线性的力学系统，其中，心脏的搏动是该系统的输入，而血液容积脉搏波(Photo-Plethysmography，PPG)是这个系统的输出，从系统的输入输出关系中估计出系统的结构和参数的大小。在建立系统并估计出参数后，把系统的输出同实验所测得的PPG信号进行比较，反复调整模型参数，使系统的输出最大程度地接近于脉搏波PPG信号的特性。模型结构的确立，依据心脏搏动特性，采用一个分段函数来表示，依据血液在动脉中的流动规律，用电阻R来比拟血液流动的流阻，电容C来比拟血管的弹性，及电感L比拟血液的顺应性，从而建立一个RLC电路模型来比拟心血管血流系统。模型参数的求解，采用龙格-库塔(Runge-Kutta，RK)算法，在Matlab7.0中求解数值解。本研究的贡献在于为心血管系统建立了一个多元素的三弹性腔模型，并且模型所得到的数值解与PPG信号的波形有极大的相似性，为研究人体的生理病理信息，提供了一种新的研究方式，弥补了依靠临床实验和动物实验研究心血管系统的不足。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
第1章绪论  8-15
  1.1 问题的提出及研究意义  8-9
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  9-13
    1.2.1 心血管系统建模的国内外现状  9-11
    1.2.2 心血管系统模型分析的国内外现状  11-12
    1.2.3 传统心血管系统模型的缺陷  12
    1.2.4 发展趋势  12-13
  1.3 研究目的和研究内容  13-15
第2章血流参数的电学比拟和等效回路  15-34
  2.1 心脏  15-21
    2.1.1 心动周期  15-16
    2.1.2 心脏泵血过程  16-19
    2.1.3 心脏的输出量  19-20
    2.1.4 模型的输入函数  20-21
  2.2 血管  21-27
    2.2.1 血流与电流的比拟  24
    2.2.2 血压与电压的比拟  24-25
    2.2.3 血流粘性阻力与电阻的比拟  25
    2.2.4 血管顺应性与电容的比拟  25-26
    2.2.5 血液流动惯性与电感的比拟  26
    2.2.6 血管参数比拟小结  26-27
  2.3 光电容积脉搏波  27-32
    2.3.1 压力脉搏波的形成和传播  27-29
    2.3.2 压力脉搏波的特征及生理意义  29
    2.3.3 光电容积脉搏波信号(PPG信号)  29-30
    2.3.4 PPG信号的形成  30-31
    2.3.5 PPG信号的波形特征  31-32
  2.4 小结  32-34
第3章心血管系统模型修正  34-41
  3.1 windkessel模型  34-37
    3.1.1 二元windkessel模型  34-35
    3.1.2 三元windkessel模型  35-36
    3.1.3 四元windkessel模型  36-37
  3.2 双弹性腔模型  37-39
  3.3 Windkessel修正模型  39-40
  3.4 小结  40-41
第4章 Windkessel修正模型的参数估计  41-53
  4.1 龙格—库塔算法(Runge-Kutta,RK)  41-45
    4.1.1 RK算法的构造  41-42
    4.1.2 标准四阶RK公式  42-43
    4.1.3 一阶常微分方程组数值解法  43-45
  4.2 修正模型的状态方程  45-46
  4.3 RLC参数估计  46-52
    4.3.1 程序调节参数方法  46-48
    4.3.2 调节参数的主要程序  48-49
    4.3.3 参数变化与波形  49-51
    4.3.4 参数估计误差分析  51-52
  4.4 小结  52-53
第五章总结与展望  53-55
  5.1 总结  53
  5.2 展望  53-55
参考文献  55-58
致谢  58-59

基于PPG信号的Windkessel模型修正及参数估计

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