颅内压与脑血管动力学参数关系研究

许多脑血管疾病都伴有颅内压升高的现象,颅内高压又会引发脑疝危及生命,本文在对颅内血管床整体分析的基础上,通过建立脑循环血液动力学集中参数模型的方法来研究颅内压与颅内血管参数的关系,在此模型的基础上得到了状态方程并给出了求解方法。通过对方程解的分析得到一些关系图,与实验数据比较发现理论计算结果可以反映临床的一些现象,为临床无创监测颅内压提供一个新思路。     

脑循环脉动流的集中参数模型

脑血管疾病和脑循环动力学异常改变密切相关．脑循环系统和体循环系统具有不完全相同的血液动力学特性．因此，临床上迫切需要一种既能反映脑循环的基本特性，又容易从中分析脑血管动力学参数的力学模型．本文在Ｗｉｌｉｓ环定常流模型的基础上，建立了描述脑循环血液脉动特性的集中参数模型，归结出了模型控制方程及求解方法．通过实例计算发现：理论计算结果和实验检测数据相当吻合，说明模型是符合生理实际的．这将为脑循环研究提供一个较理想的血液动力学模型     

脑血流与颅内压的仿真模型研究

颅内压（intracranial pressure,ICP）是指颅腔内容物对颅腔壁产生的压力,内外多种原因会引起颅内压变化,同时心搏、呼吸和神经调节等的影响也会使颅内压出现波动。本研究在动物（犬）实验结果的基础上,建立了模拟颅内压动力学变化的集中参数数学模型。模型中整合了颅内压和脑血流以及自调节机制之间的非线性相互作用。模型的仿真结果与实验结果十分接近,较好地模拟了实验中颅内压波形以及颅内代偿功能接近耗尽时产生的高原波。模拟中模型参数的变化和动物实验状况的变化相吻合,这将为临床颅内压监护及诊疗提供一定的参考。     

腰区脑脊液压预估颅内压的数学模拟

颅内压（Intracranial Pressure，ICP）的实时监测临床上有着十分重要的意义。临床测量颅内压的方法是通过穿刺小脑延髓池或侧脑室用压力管测量，然而此方法存在一定的风险。由于正常成人的颅腔和脊髓腔是一个连通的容器，因此腰区脑脊液压（1umbarcerebrospinal fluid pressure，LCP）和颅内压存在一定联系，检测腰区脑脊液压来预估颅内压成为临床的需要。本研究在动物（犬）实验结果的基础上，建立了反映颅内压变化的集中参数模型，模型中整合了腰区脑脊液压与颅内压和脑血流的相互作用，数值模拟了颅内压。结果显示，数值模拟得到的ICP曲线与动物实验检测的ICP曲线经秩和检验无显著性差异，模型参数的变化和动物实验状况的变化相吻合，可以为临床颅内压监测及诊疗提供一定的参考。     

磁耦合悬臂梁双稳动力学分析与实验

研究了一个自由端附加小磁铁的悬臂梁在磁力作用下的双稳态动力学行为．首先,利用Hamilton原理和Euler-Bernoulli梁的基本方程建立了系统在非零平衡点处做微幅振动的动力学方程．其次,利用多尺度法对建立的模型进行理论分析,得到悬臂梁在非零平衡点处振动的幅频方程和位移解,并对解进行了稳定性分析．最后,通过建立实验装置,得到悬臂梁不同运动形式下的参数平面分类和悬臂梁在非零平衡点处振动的幅频关系,通过观察系统在非零平衡点处振动的理论预测,实验结果验证了非零平衡点处振动的理论分析的正确性．对照理论、实验和数值结果得到：在不同的外激励幅值和频率作用下,悬臂梁有三种不同的运动形式：在非零平衡点处的微幅振动;大范围往返运动;在两个非零平衡点之间的无规律运动．     

一类生物流体力学模型的稳定性

在研究颅内压集中参数模型的基础上，改进自适应的龙格-库塔法对一类生物流体力学模型进行数值模拟。通过合理控制计算量，得到了微分方程近似解的局部截断误差的估计。使用矩阵特征值分析微分方程的稳定性，在实际生理范围内变化模型参数，得到特征值随参数变化的关系，指出模型中存在实部为正的特征值。文章还讨论了控制矩阵特征值的变化对数值方法稳定步长的影响，并得到步长的取值范围。通过理论分析。得到控制方程的解随时间的发展和模型中生理参数的选取相关。分析了特征值变化的稳定性和参数的关系，并对模型进行改进，讨论其稳定性的情况。     

两自由度参数激励摆旋转运动分析和实验

研究具有支撑参数激励摆系统的支撑结构振动对摆旋转的影响,其中支撑结构是受到扭簧约束的刚性悬臂梁,参数激励摆与刚性悬臂梁的悬臂段铰接．首先,通过拉格朗日方程建立了系统两自由度的动力学方程．其次,利用多尺度法对建立的模型进行理论分析,得到悬臂梁的振动与上摆不同运动形式的关系,从而得到上摆不同运动形式下的参数平面分类和悬臂梁在上摆转动时的振动频响．最后,通过建立实验装置,观察理论预测,实验结果验证了理论分析的正确性．实验与理论对照得到,当参数激励频率接近悬臂梁的一阶固有频率时,悬臂梁的振幅变大,会破坏摆的转动稳定性．     

变长度弹性伸缩腿双足机器人动力学与控制

研究了半被动双足机器人的平面稳定行走的控制问题．基于弹簧质点模型，采用拉格朗日方法分别得到双足机器人单支撑阶段与双支撑阶段的动力学方程，对机器人系统的动力学方程求得周期解．应用非线性系统状态反馈线性化理论，在双足机器人的单支撑阶段和双支撑阶段中，通过控制双足机器人的腿长度，实现稳定的周期行走．在理论分析的基础上，对控制算法进行了仿真与研究．结果表明：在周期行走过程中，文中采用的变长度控制算法可以使双足机器人克服外界的干扰，并具有较强的抗干扰性．     

心脏作功的动力学过程──考虑动功率的最小功原理

心脏最小功原理是描述心脏做功动力学过程的一种有效模型，在文献［１］中，作者在忽略心脏动功率前提下，给出了心脏做功动力学过程的解析解．但由于动功率在心脏整个做功过程中，特别是在某些病理状态下，占有相当比例，因此，在分析心脏动态做功过程时，应该考虑心脏的总体对外做功．当计入动功率后，方程由原来的线性变成非线性，问题复杂许多，已无法应用原来的解析方法．本文在牛顿法的基础上，得到一种考虑动功率项求解非线性方程组的方法．实例计算表明该方法收敛速度快，所得结果与动物实验相符合．从而使得最小功原理的计算得到完善，为进一步研究心脏做功的动力学过程奠定理论基础．     

浓悬浮体的屈服应力和最大填充率

对剪切稀化的浓悬浮体，假设在剪切状态下结构参数变化的速率服从一级动力学关系，在此基础上导出浓悬浮体最大填充率与剪应力、屈服应力与填充率之间关系的数学模型．用硅粉－甘油水溶液及可可粉－可可脂两种悬浮体的实验确认了模型对工业微米级颗粒悬浮体的适用性     

Biomechanical Simulation to Compare the Blood Hemodynamics and Cerebral Aneurysm Rupture Risk in Patients with Different Aneurysm Necks

In this study, one normal subject and two patients suffering from a cerebral aneurysm with circular and elliptical necks are analyzed by using the fluid-structure interaction (FSI) method. Although the blood hemodynamics parameters increase after the occurrence of the disease, the largest increase is in the wall shear stress (by a factor of 4.1–6.5) as compared to the normal subject. The increase in these parameters for patients with a circular neck is more pronounced than that with an elliptical neck. The blood flow becomes slightly more turbulent after the occurrence of the cerebral aneurysm, though it still remains in the range of the laminar flow and the pulsatility of the blood flow in patients is 28–45% greater than that of the normal subject. Finally, the results show that the risk of vessel rupture in the cerebral aneurysm with a circular neck is 40.8% higher than that in the case of the cerebral aneurysm with an elliptical neck.     

New conceptual method for directly cooling the target biological tissues

Hypothermia is a commonly adopted strategy to decrease the cerebral oxygen demands, which is critical for the patient to sustain longer time when subjected to a hypoxia. However, when circulatory arrest occurs, the traditional approaches such as selective brain cooling (SBC), systemic body cooling or perfusing cool blood are often not very helpful due to their slow cooling rates in preventing the tendency of a slight cerebral temperature increase at the onset of circulatory arrest. To resolve such difficult issue, a new conceptual volumetric cooling method (VCM) through minimally invasive injection of physiological coolant was proposed in this study. A heat and fluid transport model based on porous medium configuration was established to describe the thermal responses of brain tissues during hypothermia resuscitation. Theoretical calculations indicated that VCM could significantly improve the cooling rate in the deep part of the biological tissues within a desired period of time. To further test this approach, a series of either in vitro or in vivo animal experiments were performed, which also strongly supported the theoretical predictions and indicated that VCM was well appropriate for the localized cooling of target tissues. The concept of the present VCM could also possibly be extended to more wide clinical situations, when an instant and highly localized cooling for the specific organs or tissues are urgently requested. It also raised challenging issues such as injury or negative effect for the clinical operation of this VCM, which need to be addressed in the coming study.     

一种新的脑动静脉畸形血液动力学模型

建立了一个新的非定常脑AVM血液动力学模型．模型克服了以往的定常AVM模型无法反映血流实际脉动，以及模型结构和血管性质描述上的缺陷，并依据临床实测数据提出了一种更为符合生理和病理实际的描述AVM供血动脉扩张现象的方法．模型模拟了AVM造成的脑血管压力、流量波形和脑血管输入阻抗的变化，并对脑AVM病人脑血管系统的输入阻抗进行了分析．为研究具有复杂结构的脑AVM血液动力摹的特征，提供了一个有效的工具。     

The mathematical model of the radial artery blood pressure waveform through monitoring of the age-related changes

Age-related changes in blood vessels affect the pulse wave propagation. These changes may cause an increase in wave reflection which leads to amplification of pulse pressure. The pulse pressure changes are associated with certain vascular diseases. Here we present a mathematical model of blood pressure for different age groups. The model is based on one-dimensional wave propagation theory and assumes that the pressure waveform is a superposition of forward propagating wave and backward waves from many reflection sites. The model is based on experimental data obtained by direct measurement of radial artery blood flow. The model clearly shows age-related changes in blood pressure waveform. The results of mathematical model correlate with the radial pressure waveform data. The model can be used in cases where it is not possible to measure the pressure due to movement of subject. Application of model to the direct blood flow measurements data allows the real-time pressure waveform monitoring. Furthermore, this approach enables monitoring of changes in pressure waveform due to the effects of medications.     

数值模拟方法在体液流动研究中的应用与展望

计算流体力学的数值模拟技术产生于20世纪60年代,现已成功地应用到众多科学研究与工程设计领域. 从20世纪80年代开始,虽已有不少研究工作开始利用CFD方法与计算机技术对人体的血流、气管中的气流、胆汁流等流动进行数值模拟与分析,但并没有与器官功能分析和病理分析及临床应用紧密联系. 近十几年来,这方面的工作已经取得了长足的进步和发展,模拟出了譬如脑血管、颈动脉、心血管等复杂血管流动,甚至整个肺泡的活动,得到了非常有病理意义和临床价值的图像.本文介绍和评述计算人体流体动力学的历史,发展和已经取得的成果.      

血管位移波的力学模型

本文在临床观察和模型实验的基础上提出了血管位移波的力学模型,并归结出了位移波的控制方程。应用摄动理论和数值方法,求得了位移波的波形和位移波产生的判别准则。从中我们发现,位移波仅和血流的脉动速度及血管壁力学特性有关,而和压力波无直接关系。最后本文还给出了一个适用于临床的位移波发生判别准则,实验发现它和临床观察是相符合的。