一种基于数字孪生的心脏移植手术模拟系统
文献发布时间：2024-04-18 20:02:18
技术领域
本发明涉及数字孪生领域，具体涉及一种基于数字孪生的心脏移植手术模拟系统。
背景技术
数字孪生是使用传感器采集物理实体的相关数据，再利用这些数据创建虚拟数字孪生模型，并对其进行消化、分析、操作、更新和优化，随着传感器技术、生物医学和计算机技术的发展，数字孪生在医疗健康领域的应用越来越广泛。
各种心脏病的终末阶段就是心衰，对于患者的患者而言，只有接受心脏移植，才能延长生命，对于心脏移植手术，除了供体心脏的匹配度以外，严谨、准确的心脏移植方案也是心脏移植手术成功的关键。
但是，实际的心脏移植不管在在术中还是术后，都充满很多术前无法预估的因素，这些因素会导致心脏移植术中发生难以预测的医疗事故，并且增加术后发生排斥反应、感染以及其他血液系统病变的概率。因此，对患者的心脏和人体建立数字系统并模拟心脏移植手术，提前预测术中的各项风险和评估术后的运行状态，从而调整手术方案或者做好对应的防护措施，对于提高心脏移植手术的存活率具有重要的意义。
发明内容
为了解决上述背景技术中提到的至少一个问题，本发明提出了一种基于数字孪生的心脏移植手术模拟系统。
一种基于数字孪生的心脏移植手术模拟系统，包括数据采集单元、计算仿真单元和仿真显示单元，所述数据采集单元用于采集各项数据和指标；所述计算仿真单元用于数据计算和建立数字孪生模型；所述仿真显示单元用于显示仿真过程中的信息，一种基于数字孪生的心脏移植手术模拟系统的运行步骤包括：
步骤S1，通过数据采集单元，采集需移植患者的人体生理机能参数和心脏生理机能参数，其中，
人体生理机能参数具体采集方式为：
通过核磁共振、三维扫描的方式，获取人体生理机能的各项外科数据；
通过心电图、B超的方式，获取人体生理机能的各项辅助数据；
通过病历档案查询、问诊的方式获取人体的遗传病史；
人体生理机能参数Physiology_data具体包括：
Physiology_data={外科数据，辅助数据，心脏病史，其他信息}
心脏生理机能参数Heart_data，具体采集是通过血压测量、血液检测的方式，来获取心脏生理机能的各项数据，心脏生理机能参数Heart_data具体包括：
Heart_data={主肺动脉内径，主肺动脉瓣口面积，室间隔厚度，左心室、左心房内径，右心室、右心房内径，舒张末期容量，收缩末期容量，心室输出血液压力，心率周期，血液流量，血液压力}
步骤S2，根据获取到的人体生理机能参数和心脏生理机能参数建立患者的人体生理机能模型和心脏生理机能模型，具体步骤包括：
步骤S201，通过人体生理机能参数的各项外科数据，来建立人体数字模型的骨骼系统和肌肉系统；
步骤S202，通过心脏生理机能参数的各项参数，来建立心脏生理机能模型，
心脏生理机能模型具体包括数字血管系统子模型、数字腔室液泵子模型和数字形态结构子模型，其中，
数字血管系统子模型是心脏的血管及循环系统模型，建模过程包括：
输入下一级的血液流量、心室输出血液压力、心室输出血的液体积等，主要仿真公式包括：
式中，
式中，
式中，V表示心室输出血液的体积，A表示心脏输出流量的幅值，W为心脏输出流量波形的角速度；
数字腔室液泵子模型是心脏的室肌心电图模型，建模过程包括：
兴奋的传播速度、心跳周期、心肌的电流信号等，主要仿真公式包括：
式中，v表示心肌中兴奋的传播速度，a为兴奋传播方向的单位向量，
式中，/>
式中，T为心动周期，
数字形态结构子模型是心脏的外形及构造数字孪生模型，建模过程包括：
输入心脏的室间隔厚度、左心室、左心房内径，右心室、右心房内径，来建立心脏模型的的外壁；
输入心脏的主肺动脉内径和主肺动脉瓣口面积，来建立心脏模型的的内腔；
步骤S203，通过人体生理机能参数的各项辅助数据，来建立人体数字模型的内分泌系统、呼吸系统和循环系统；
步骤S204，在人体数字模型的变量中，增加人体生理机能参数的心脏病史和其他信息。
步骤S3，建立患者心脏生理机能模型和人体生理机能模型的数学关系，并将心脏生理机能模型和人体生理机能模型导入计算仿真单元，具体步骤包括：
步骤S301，建立患者心脏生理机能模型和人体生理机能模型的关联关系；
关联关系一：建立骨骼系统、肌肉系统和数字形态结构子模型的关联关系，并以射血分数(EF)值、心腔内血流速度作为主要观测参数；
关联关系二：建立血液循环系统和数字血管系统子模型、数字腔室液泵子模型的关联关系，并以收缩率、心率和三尖瓣流返压力差作为主要观测参数；
步骤S302，将心脏生理机能模型和人体生理机能模型导入计算仿真单元；
步骤S303，运行计算仿真单元。
步骤S4，在计算仿真单元中模拟心脏移植手术，并在前端显示单元中显示模拟心脏移植手术中的各项信息，具体步骤包括：
步骤S401，在计算仿真单元中，对运行中的心脏生理机能模型和人体生理机能模型进行心脏移植模拟手术；
步骤S402，参考数据库中各项参数的数据，设置一个区间作为各个参数的参考范围，区间设置具体是以运行时间为x轴，以数据库中各项参数的数值为y轴，绘制对应地坐标曲线，进一步地，对曲线中的极大值和极小值剔除，再从剔除极值后的曲线中选取
其中，
步骤S403，记录心脏移植模拟手术中各项参数的数据变化，并观测数值变化是否在设置的区间内，如果数值不在设置的区间内，则以报警的方式提示对应的错误信息；
步骤S405，在前端显示单元中显示模拟心脏移植手术中的各项信息。
本发明提出了一种基于数字孪生的心脏移植手术模拟系统，与现有的技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供的系统，提出了一种数字心脏模型的建立方法以及数字人体模型和数字心脏模型之间的关联关系，实现了非真实场景下的模拟心脏移植以及移植过程中的风险预测，不仅能够为实际心脏移植的手术方案设计提供参考，还能够降低心脏移植从业人员的培训成本。
附图说明
图1是本发明的单元及功能示意图；
图2是本发明中系统运行时的方法流程示意图。
实施方式
为了使本发明的目的、特征能够更加的明显和易懂，下面通过实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种基于数字孪生的心脏移植手术模拟系统，包括数据采集单元、计算仿真单元和仿真显示单元，所述数据采集单元用于采集各项数据和指标；所述计算仿真单元用于数据计算和建立数字孪生模型；所述仿真显示单元用于显示仿真过程中的信息，
如图2所示，一种基于数字孪生的心脏移植手术模拟系统的运行步骤包括：
步骤S1，通过数据采集单元，采集需移植患者的人体生理机能参数和心脏生理机能参数，其中，
人体生理机能参数具体采集方式为：
通过核磁共振、三维扫描的方式，获取人体生理机能的各项外科数据。
通过心电图、B超的方式，获取人体生理机能的各项辅助数据。
通过病历档案查询、问诊的方式获取人体的遗传病史。
人体生理机能参数Physiology_data具体包括：
Physiology_data={外科数据，辅助数据，心脏病史，其他信息}
心脏生理机能参数Heart_data，具体采集是通过血压测量、血液检测的方式，来获取心脏生理机能参数的各项数据，心脏生理机能参数Heart_data具体包括：
Heart_data={主肺动脉内径，主肺动脉瓣口面积，室间隔厚度，左心室、左心房内径，右心室、右心房内径，舒张末期容量，收缩末期容量，心室输出血液压力，心率周期，血液流量，血液压力}
步骤S2，根据获取到的人体生理机能参数和心脏生理机能参数建立患者的人体生理机能模型和心脏生理机能模型，具体步骤包括：
首先，通过人体生理机能参数的各项外科数据，来建立人体数字模型的骨骼系统和肌肉系统。
然后，通过心脏生理机能参数的各项数据，来建立心脏生理机能模型。
心脏生理机能模型具体包括数字血管系统子模型、数字腔室液泵子模型和数字形态结构子模型，其中，
数字血管系统子模型是心脏的血管及循环系统模型，建模过程包括：
输入下一级的血液流量、心室输出血液压力、心室输出血的液体积等，主要仿真公式包括：
式中，
式中，
式中，V表示心室输出血液的体积，A表示心脏输出流量的幅值，W为心脏输出流量波形的角速度；
数字腔室液泵子模型是心脏的室肌心电图模型，建模过程包括：
兴奋的传播速度、心跳周期、心肌的电流信号等，主要仿真公式包括：
式中，v表示心肌中兴奋的传播速度，a为兴奋传播方向的单位向量，
式中，/>
式中，T为心动周期，
数字形态结构子模型是心脏的外形及构造数字孪生模型，建模过程包括：
输入心脏的室间隔厚度、左心室、左心房内径，右心室、右心房内径，来建立心脏模型的的外壁；
输入心脏的主肺动脉内径和主肺动脉瓣口面积，来建立心脏模型的的内腔。
接着，通过人体生理机能参数的各项辅助数据，来建立人体数字模型的内分泌系统、呼吸系统和循环系统。
最后，在人体数字模型的变量中，增加人体生理机能参数的心脏病史和其他信息。
步骤S3，建立患者心脏生理机能模型和人体生理机能模型的数学关系，并将心脏生理机能模型和人体生理机能模型导入计算仿真单元，具体步骤包括：
首先，建立患者心脏生理机能模型和人体生理机能模型的关联关系。
关联关系一：建立骨骼系统、肌肉系统和数字形态结构子模型的关联关系，并以射血分数(EF)值、心腔内血流速度作为主要观测参数；
关联关系二：建立血液循环系统和数字血管系统子模型、数字腔室液泵子模型的关联关系，并以收缩率、心率和三尖瓣流返压力差作为主要观测参数；
然后，将心脏生理机能模型和人体生理机能模型导入计算仿真单元。
最后，运行计算仿真单元。
步骤S4，在计算仿真单元中模拟心脏移植手术，并在前端显示单元中显示模拟心脏移植手术中的各项信息，具体步骤包括：
首先，在计算仿真单元中，对运行中的心脏生理机能模型和人体生理机能模型进行心脏移植模拟手术。
然后，参考数据库中各项参数的数据，设置一个区间作为各个参数的参考范围，区间设置具体是以运行时间为x轴，以数据库中各项参数的数值为y轴，绘制对应地坐标曲线，进一步地，对曲线中的极大值和极小值剔除，再从剔除极值后的曲线中选取
其中，
接着，记录心脏移植模拟手术中各项参数的数据变化，并观测数值变化是否在设置的区间内，如果数值不在设置的区间内，则以报警的方式提示对应的错误信息。
最后，在前端显示单元中显示模拟心脏移植手术中的各项信息。
至此，按照本发明公开的方法，已实施完一次本发明的工作过程。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。