多种老年病模型及处理过程的开源 开结构仿真

【摘要】  目的 以徐汇区中心医院多种老年病患者的病情模型及处理过程研究，提出开源／开结构仿真的原理及方法。方法 以人体器官级不均匀异质的模型为基础，结合多种老年病情，通过此仿真得到一种科学的框架系统。结果 对徐汇区中心医院多种老年病模型达到无缝整合的仿真系统。结论 通过多种模型的可视化、仿真及接口以及触觉感就可实时帮助诊断及处理病情，也可帮助培训医师。

【关键词】  开源／开结构仿真；心脏病；有限元方法

    上海市徐汇区中心医院多年来治疗不少老年病患者心脏病，积累一些值得我们重视的经验。本院既然已经具备了ECG、ECT、HOLTER、MRI等医疗仪器和有经验、有优良医德医风的医师、护师、护士等，更应在和谐社会建设中以科学发展观来进一步努力研究计算机仿真与建模的科学问题，以改进诊断、手术、处理、检查、预先医疗计划、训练与科研等。但是现在医学仿真已用许多生命医学模型，既可相互配合，也可独立实证各种分散的治疗经验，因此笔者认为要整合更多更好的治疗经验来结合实际临床经验，加以综合分析才能更好。

    1  原理与方法

　　本文提出一种出开源／开结构仿真（OS/OA.S）是为软件开发提供一种创新框架，其目的为徐汇区中心医院多种老年病患者的病情建模及处理过程提供研究模型及临床经验的能力，并证实定性定量的生物仿真综合分析的结果。所谓开源（OS）模型就能保证质量控制、评估和重视回顾实践，它对生命科学研究方法论是很重要的一项。所谓开结构（OA）模型就能允许开源的或第三方面医疗单位等开发的病情模型、数据、分析及计算模块都能被配合应用于本系统。所以本系统OS/OA.S所创新的框架是可以研究与开发（R&D）多种类的病情模型，并为多种类模型的接口提供一种科学的框架，以利取人之长，补己之短，分享多种模型在器官级的治疗经验，例如多种老年病患者心脏病研究课题组之间经验与记录的分享，尤其是支持多种老年心脏病模型的计算分析，运用到微分方程式（DE）及偏微分方程式（PDE），有限元方法（FEM），质量-弹簧-阻尼方法（MSDM）以及各种人体生理过程的“自动程序设计信息”（Automatic Programming Information，API）。例如心脏病已经善于应用ECG、ECT、HOLTER、MRI等仪器来获取可视化、触觉感知输出，更可联系到固体生物力学、流体生物力学。心血管流体力学、生物电磁学等加以深入分析和阐述，好在此框架已能用语言C++操作，就不同于早些习惯应用的面向目标的工具语言，诸如Matlab Simulink、Modelica、Ptolemy等仿真法。由于本系统强调时间与空间关系，在接口目标及相互联系的目标间的边界条件，所以本系统的API特别强调通用及独立的建模方法，才获得本系统能够无缝整合多种老年病的病情模型及处理过程的。开源/开结构仿真系统的原理见图1所示的框图。图1中建模工具方面，例如线性有限元模型可以心脏病患者如果有用双叶翼形机械瓣膜的，其流动区域的几何模型，见图2所示，其线性有限元网络见图3所示，图中考虑了问题的对称性，瓣叶为圆弧形，厚度极薄，瓣口半径与组织环半径之比为r-a   r=0.85，故可用定常流模拟左心室峰值射血期的准定常流，就可用平面流动来模拟三维（3D）流动。故用原始变量（u，p）代表无量纲二维纳维司托克（Navier-Stokes）方程式（NSE）及连续方程为［1］： 图1中建模工具方面，再如棒图系统（Band Graph System）也称键图系统的应用于生命科学，图6所示人体心血管系统简化模型，图7所示其简化的电模拟模型［2］，图8所示简化的人体心血管系统棒图模型，图示Pas为体动脉血压，Pvs体静脉血压，Pap肺动脉血压，Pvp肺静脉血压，均为系统的状态变量；Cas，Cvs，Cap，Cvp分别代表四个状态量所在的房室顺应性，Ra，Rp分别代表体循环和肺循环的外周阻力，Ql和Qr分别代表左、右心室功能的流源。因此得心血管系统的状态方程组。1=Ql-e1-e2   Ra 图1所示开源/开结构仿真系统如直接应用于某种老年病情时候［3，4］，很易明确表示其仿真目标、建模工具、医师定义的具体目标，而且每个目标都可用指定的计算工具及计算机C++语言来运作的。见图9所示（a）为仿真的目标，（b）为建模工具，（c）为医师定义的具体目标，（d）以心脏病为具体病例的目标图。

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