Research progress and medical application of modeling and simulation of cardiovascular system

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1075

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Modeling and simulation technology has gained more and more attention and gradually is applied in fields of military drills, industrial tests and medical tests. Of them, there are various professionals have emerged in studies on medical cardiovascular system.
OBJECTIVE: To systematically review the simulation method of cardiovascular system.
METHODS: Databases of PubMed, VIP and CNKI were searched for the articles concerning the cardiovascular modeling and simulation published from 1974 to 2018 with the keywords of “cardiovascular system, modeling simulation, the heart model” in English and Chinese, respectively. The modeling methods and simulation types of cardiovascular system, and application of cardiovascular simulation in coronary heart disease, valvular disease, heart failure, hypertension and myocardial infarction were summarized, and then made prospects.
RESULTS AND CONCLUSION: According to the clinical, medical teaching and research needs, the summary includes: (1) The hemodynamic model of coronary circulatory system simulates the coronary circulatory system in the case of coronary heart disease, which solves the problem of invasion and expensive const. Moreover, it is of great significance for the early diagnosis and treatment of coronary heart disease. (2) The mitral valve three-dimensional simulation model analyzes the stress distribution of the mitral valve. The simulation is more elaborate in the geometric structure, which can improve the treatment scheme and indirectly reduce the risk of surgery. (3) The cardiovascular system focuses on the many electrical network models, which helps further understand the clinical analysis and diagnosis of cardiovascular diseases. (4) The three-dimensional finite element mechanical model of human left ventricle simulates the electrical excitation and myocardial infarction in myocardial infarction, and can guide the clinical practice. (5) We comprehensively summarize the modeling and simulation of cardiovascular system, which contributes to further understanding the pathogenesis of cardiovascular disease, and is of great significance for the prevention, auxiliary diagnose and clinical treatment of cardiovascular disease.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Cardiovascular System, Coronary Circulation, Mitral Valve, Heart Failure, Hypertension, Tissue Engineering

CLC Number:

R443

Zhang Chaohui, Zhao Feng, Feng Yunpeng, Wang Wenbin, Kuang Baoping, Huang He. Research progress and medical application of modeling and simulation of cardiovascular system[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(7): 1115-1121.

Figures/Tables 3

物理模型方法是以生物体的相关物理参数为基础，进而搭建的仿真模型。物理模型较为形象化，但制作周期长、花费大，易受到材料、加工等条件的限制。物理模型根据其与原型相似的特征形式又可分为几何相似模型、力学相似模型、生理特性相似模型和等效电路模型。数学模型方法是用数学表达式来描述研究对象的生理特性和生理系统内在的数量关系，从而探求客观实体的变化规律。建立数学模型的方法有：①电网络法：选择对应人体相关组织结构具有物理特性的相关定义或材料进行等效模式的模拟表达，比如通过调节电流的大小变化代表血管中血液的黏滞力；用电容元件对电流方向的选择性代表血液的唯一性；用电感元件代表血液流动的即时惯性；②系统辨识法：通过检验分析相关特征数据，对参考物进行判定判别，该方法关键在于数据的写入与传出过程判定的数学解析模型的应用；③有限元分析法：用非线性系统，建立循环系统有限元模型；④键合图法：用图形方法来描述系统的结构，将血液流动看作功率流的系统动力学，键合图法是对流体力学进行动态数字仿真时有效的建模方法[15]。在心血管系统的研究中，建立数学模型、模拟血液循环可作为辅助工具辅助心脏病医疗设备的设计，同时对研究心脏疾病的成因与诊断治疗具有重要的指导意义[16-17]。动物模型方法即采用动物进行实验，动物模型方法再现性好，专一性好，复制率高，但在某些方面的缺点也很明显。比如动物模型个案不能代表普遍适应性，动物与人的生理结构和功能区分度很大，所得结论难以推广至人体医用等。动物模型按产生原因分类可分为自发性动物模型和诱发性动物模型，按系统范围分类可分为疾病的基本病理过程动物模型和各系统疾病动物模型。混合模型方法是由2种或2种以上不同模型方法组合而成的一种模型方法。混合模型一般分为分析、综合、运行和废弃4个阶段，包括固定效应模型和随机效应模型两个方面。混合模型和数学模型是现今被使用较多的建模方法。 2.1.2 系统仿真的分类系统仿真研究快速发展主要得益于现代计算机及互联网的快速普及。其中计算机在计算存储能力、复杂或单一程序长期运行稳定性及数据批量快速处理判定反应等方面的考量都已经很大程度上地优化了人类在这方面的工作。因此，结合计算机的系统仿真已成为各个复杂领域系统研制工作的一种必不可少的辅助手段。同时系统仿真技术发展也给人们带来了巨大社会效益和经济效益。根据所建模型的不同，系统仿真相应的可分为物理仿真和数学仿真。其中物理仿真主要是以结构相似仿造为主体，附以物理参数的配合演示模型。物理仿真是通过建立物理模型来实现的，见图2，其中包括基于电学电路替代模型的仿真、几何外观结构仿制模型的仿真和3 D打印技术等，近年来3 D打印技术在国内外的医学领域研究中受到了广泛关注。数学仿真是以数学方程相似为基础的仿真方法，用数学式是来表示被仿真的对象[公式(1)]，其中三维可视化仿真凭借直观、可简化复杂性的优势逐渐成为国内外学者的研究方向，同时也被广泛的应用于临床医学、铁路工程等领域。数学仿真的基本步骤为：①根据实验的目的建立系统的数学模型；②根据数学模型的特点选择合适的计算机作为仿真工具；③将数学模型表示成计算机能接受的形式，并输入程序；④对输入计算机的仿真模型进行计算，并记录系统中各状态量的变化情况；⑤输出实验结果，产生实验报道。与物理仿真相比，数学仿真的主要优点是通用性较强。"

References

[1] 马丽媛,吴亚哲,王文,等.中国心血管病报告2017要点解读[J].中国心血管杂志,2018,23(1):3-6.

[2] 张福荣.中国成年心血管疾病危险因素的流行病学研究[J].中西医结合心血管病杂志,2016,4(22):144-145.

[3] 沈逸枫,吴炯,郭玮,等.心血管疾病风险评估系统研究进展[J].检验医学, 2018,33(2):163-169.

[4] 李海霞,李军,范玉杰,等.关于心血管疾病开展以社区家庭为主的心脏康复管控模式的探讨[J].中国心血管病防治,2017,17(2):141-143.

[5] 吴巧玉,叶志弘,虞雪琴,等.心血管疾病相关健康评估的研究进展[J].护理与康复,2015,14(5):435-438.

[6] 刘明,孙利华,刘国恩,等.中国城镇居民5种慢性疾病的经济负担和经济风险[J].北京大学学报,2014, 46(5):782-789.

[7] 欧尾妹,付志方,刘梅林.溶质载体家族4成员A1在心血管疾病中的研究进展[J].中国循环杂志,2018,33(3):310-312.

[8] 庞亚飞,杨明.心脏建模研究现状及发展趋势[J].中国医疗器械杂志.2011, 35(1):58-63.

[9] 王末,王群,刘志文等.结合呼吸运动的改进型多分支心血管系统建模与仿真[J].北京生物医学工程.2015,34(1):43-48.

[10] 闫翾宇,施光林.心脏的一种建模新方法及仿真[J].计算机仿真,2011, 28(11):262-266.

[11] 王昊,伏全海,徐礼胜,等.基于血管弹性腔模型的脉搏波发生器的现场可编程门阵列设计与实现[J].生物医学工程学杂志, 2014,31(5):989-993.

[12] 陈泓.心血管系统仿真模型的研究[J].计算机技术与发展,2014,24(11)：222-225.

[13] 周毅,邹赛德,苏镇培,等.生理系统建模仿真的研究与展望[J].现代医学仪器与应用,2002,14(1):12-15.

[14] 郝卫亚，张威英.循环系统的数学模型及仿真实验[J].医学与哲学,2000, 21(1):26-29

[15] 鄂珑江,吴效明,胡玉兰.心血管系统建模的研究进展[J].现代医学生物进展,2008,8(8):1545-1548.

[16] 王汉青,赵金萍,陈娟.重力应激下心血管循环系统建模仿真研究进展[J].湖南工业大学学报,2014,28(3):99-104

[17] 陈丽琳,吴效明,杨艳,等.心血管循环系统的建模仿真[J].北京生物医学工程,2006,25(3):256-260.

[18] John E. Hall: guyton and hall textbook of medical physiology(twelfth edition) [M]. 北京大学医学出版社,2012.

[19] 陈刚,刘秉权,葛金虎.冠心病智能诊断算法仿真研究[J].计算机仿真, 2012,29(12):203-206.

[20] Pan Q,Wang R, Reglin B, et al. A One-Dimensional Mathematical Model for Studying the Pulsatile Flow in Microvascular Networks. J Biomech Eng. 2014;136(1):011009..

[21] 方路平,姚家良,宁钢民,等.基于并行计算机的心脏冠状循环血流仿真研究[J].计算机仿真,2016, 33(9):325-334.

[22] 鞠颖,陈迎潮,黄晓阳,等.冠状动脉粥样硬化性心脏病冠脉循环建模与仿真[J].厦门大学学报:自然科学版,2012,51(5):859-865.

[23] Suga H,Sagawa K. Instantaneous pressure-volume relationships and their ratio in the excised supported canine left ventricle. Circ Res. 1974;42:117-126.

[24] Mates RE,Cupta RL,Bell AC, et al. Fluid dynamics of coronary artery stenosis. Cire Res. 1978;42:152-162.

[25] Hu P,Liu XB,Liang J, et al. A hospital-based survey of patients with severe valvular heart disease in china. Int J Cardiol. 2017; 231 (231):244-247.

[26] Kunzelman KS,Einstein DR,Cochran R. Fluid-structure interraction models of the mitral valve: function in normal and pathological states. philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2007;362(1484):1393-1406.

[27] Lau KD,Diaz V,Scambler P, et al. Mitral valve dynamics in structural and fluid-structure interaction models. Med Eng phys. 2010; 32(9): 1057-1064.

[28] 钟琪,曾文华,黄晓阳,等.人体二尖瓣建模及生物力学分析[J].医用生物力学,2014,29(1):53-59.

[29] 高润霖.中国心瓣膜病现状[J].华西医学,2018,33(2):127-131.

[30] 杨帅,杨岷.心脏生物瓣膜材料相关免疫反应及其预防进展[J].世界最近医学信息文摘,2013,13(28):23.

[31] Tomaselli GF,Zipes DP. What causes sudden death in heart failure. Cire Res. 2014;95:754-763.

[32] 陆晓梦,郑媛媛,刘洋,等.成体干细胞在治疗心力衰竭上的临床研究问题与前景[J].中国组织工程研究,2018,22(9):1463-1469.

[33] 黄峻.中国心力衰竭流行病学特点和防治策略[J].中华心脏与心律电子杂志,2015,3(2):2-3.

[34] Heidenreich PA, Albert NM, Allen LA, etal. Forecasting the impact of heart failure in the United States: apolicy statement form the American Heart Association. Circ Heart Fail.2013, 6(3):606-619.

[35] Tsuruta H,Sato T,Shirataka M,et al. Mathematical model of cardiovascular mechanics for diagnostic analysis and treatment of heart failure. Med. Biol. Eng. Comput. 1994;32(1):3-12.

[36] 张宇,夏玲,唐闽,等.心衰情况下心室肌细胞透壁电生理特异性的仿真研究[J].中国生物医学工程学报,2008,27(4):526-532.

[37] 王阳,杨明,许自豪,等.一种离心血泵的血流动力学特性分析[J].中国医疗器械杂志,2015,39(1):16-20.

[38] 蒋苹.高血压病的预防和治疗现状[J].常州实用医学,2017,33(5):347-350.

[39] 桑树东,王锦.我国基层高血压病的现状与防治进展[J].中外女性健康研究, 2017,25(23):33-34.

[40] 黄小培.高血压患者血液流变学指标变化的临床意义[J].浙江预防医学, 2009,21(05):69-70.

[41] 马彩霞.高血脂症与高血压的关系[J].中国组织工程研究,2015,19(12): 119-121.

[42] 沈翠珍,彭美慈,邝作惠容等.中医食疗对高血压患者生存质量作用的研究[J].中华护理杂志,2009, 44(6):510-513.

[43] Cody JD,Hodson EM. Recombinant human erythropoietin versus placebo or no treatment for the anaemia of chronic kidney disease in people not requiring dialysis. Cochrane Database Syst Rev. 2016;1: CD003266.

[44] Lowenstine LJ,McManamon R, Terio KA. Comparative pathology of aging great apes: bonobos, chimpanzees, and orangutans. Vet Pathol. 2016， 53(2):250-276.

[45] Puckrein GA, Egan BM, Howard G. Social and medical determinants of cardiometabolic health: the big picture[J]. Ethn Dis. 2015;25(4): 521-524.

[46] Umemura S, Treatment of hypertension in Japan-the present condition and futureprospects. Nihon Rinsho. 2015,73(11):1815-1824.

[47] 白净,吴冬升,张菊鹏,等.脉搏波与生理病理变化关系的仿真研究[J].航天医学与医学工程,1996,9(1):32-36.

[48] 朱玉云,史小平.动脉血压调节系统的数学模型及其仿真研究[J].生物医学工程与临床,2004,8(2):65-68.

[49] 宁钢民,伐开勇,李英奇,等.心血管系统键合图模型研究[J].浙江大学学报, 2007,41(5):864-870.

[50] van den Borne SW, Diez J, Blankesteijn WM, etal. Myocardial remodeling after infarction: the role of myofibroblasts. Nat Rev Cardiol. 2010,7(1):30-37.

[51] 李林凌.健康教育对提高急性紧急梗死患者疾病知识认知的影响[J].中西医结合心血管病杂志,2015,3(19):100-101.

[52] 何一卿,冉峰,张齐.生物电波形的建模[J].上海大学学报,2004,10(z): 116-119.

[53] Lima JAC, Becker LC, Jacques MD. et al. Impaired thickening of nonischemic myocardium during acute regional ischemia in the dog. Cirulation. 1985, 71(5):1048.

[54] 刘峰,肖国臻,刘亚群,等.基于心脏模型的心肌梗死病变仿真研究[J].自然科学进展,2000,10(11):1018-1023.

[55] Mahmood F, Owais K, Montealegre Gallegos M, et al. Echocardiography derived three-dimensional printing of normal and abnormal mitral annuli. Ann card Anaesth. 2014;17(4):279-283.

[56] Witschey WR, Pouch AM, McGarvey JR, etal. Three-dimensional ultrasound-derived physical mitral valve modeling. Ann Thorac Surg. 2014;98(2):691-694.

[57] Valverde I, Gomez G, Conzalez A, et al. Three-dimensional patient specific cardiac model for surgical planning in Nikaidoh procedure. Cardio Young, 2015;25(4):698-704.

[58] Dankowski R, Baszko A, Sutherland M, et al. 3D heart model printing for preparation of percutaneous structural interventions. Kardiol Pol. 2014; 72(6):546-551.

[59] Samuel BP, Pinto C, Pietila T, et al. Ultrasound-Derived Three Dimensional Printing in Congenital Heart Disease. J Digit lmaging. 2015;28(4):459-461.

[60] Rastgarpour M, Shanbehzadeh J, Soltanian-Zadeh H. Ahybrid method based on fuzzy clustering and local region-based level set for segmentation of inhomogeneous medical images. J Med Syst. 2014; 38(8):68-83.

[61] Panetta K, Gao C, Agaian S, et al. Nonreference medical image edge map measure. Int J Biomed Imaging. 2014:931375.

[62] 刘济全,段会龙.真实心脏模型上兴奋时序图仿真数据的可视化[J].生物医学工程学杂志,2004,21(3):464-468.