CN101889861B - 心脑血管特性与血流特性分析仪 - Google Patents

Abstract

一种心脑血管特性与血流特性分析仪及检测方法，属于医疗器械领域，包括：压力脉波传感器、颈动脉与椎动脉血流图感应电极、心电图感应电极、心音图传感器、信号接收装置、主处理器及输入输出部件；利用本发明装置可实现无创检测心脑血管，通过测量左、右颈椎动脉，大脑前、中、后动脉，左右冠状动脉的血压与血流量，对心脑血管系各血管支进行生物力学方式的分析，获取心脑血管各血管支的弹性系数、顺应性、血流阻力、血流量等生物力学指标，本发明作为心脏造影、核磁共振MRI、CT等设备与TCD、ECG间的补充设备，对心肌梗塞、脑血栓的早期诊断具有重要的意义。

Description

心脑血管特性与血流特性分析仪

技术领域

本发明属于医疗器械领域，特别涉及一种心脑血管特性与血流特性分析仪及检测方法。

背景技术

现有的心脑血管检测装置中，血管造影仪的优点是：可以直观观察血管病理变化，其缺点是：需要注入造影剂，血管侵入操作复杂；

MRA和FMRI虽克服了血管造影仪存在的缺陷，但其制作成本和诊断费用高昂，导致只能在特定的大型或专科医院使用，其缺点是：MRA，FMRI，SPET虽然互有区别，但都可对血管分布、血流特性、低血流区域进行检测，但这些设备都不能检测血管特性；

QFM-2000虽是检测脑血管特性的专门仪器，但由于在检测脑血管特性的基础资料颈椎动脉血流量时，使用的超声波虽然消除了超声波入射角度差异导致的测量误差(垂直面误差)，但与血管走向和超声波操作者的操作部位相关的测量误差(水平面误差)并没有消除，导致测量数据误差大，不能保证其测量准确性；

用于心脏检查的导管检查法等侵入检查方式，其优点是可直观观察血管本身的病理变化，但需要对血管进行复杂的侵入操作，其缺点是：被检查者中有20-40％是非手术对象，虽具有很高的临床意义，但由于制作成本和诊断费用高昂，也只能在特定医院进行；

因此，以无创式方法评估冠状动脉的问题受到极大的重视，但这是个医学难题，由于左冠状动脉血流具有非常复杂的构造，在冠状动脉检测推动血流的脉压波和零血流压的问题成为至今仍是没有解决的难题。

发明内容

为克服上述方法之不足，本发明提出一种心脑血管特性与血流特性分析仪及检测方法。

本发明的技术方案是这样实现的：心脑血管特性与血流特性分析仪包括：压力脉波传感器、颈动脉与椎动脉血流图感应电极、心电图感应电极、心音图传感器、信号接收装置、主处理器及输入输出部件；压力脉波传感器输出端连接信号接收装置的第一输入端、颈动脉与椎动脉血流图感应电极的输出端连接信号接收装置的第二输入端，心电图感应电极的输出端连接信号接收装置的第三输入端，心音图传感器的输出端连接信号接收装置的第四输入端，信号接收装置的输出端连接主处理器及输入输出部件的输入端；

所述的压力脉波传感器由上壳体、压力脉波传感器的主体、压力脉波传感器的探头基座、压力脉波传感器的接收端探头和下壳体组成，压力脉波传感器的主体位于下壳体内一端，下壳体内另一端设有凹槽，凹槽中心开孔，压力脉波传感器的探头基座及接收端探头穿过凹槽中心孔，上壳体一端设有突起，突起部分中空，上壳体突起与下壳体凹槽成螺纹连接，上壳 体的另一端为中空曲面，满足Z＝K1*X*X+K2*Y*Y，式中K1，K2为常数，其取值范围在2.1～2.3之间，X、Y、Z分别表示3维坐标轴中的横轴、竖轴和垂直轴，本发明中截取长度为1.3cm；

心脑血管特性与血流特性分析仪的检测方法包括以下步骤：

步骤1：输入患者信息，包括患者姓名、身高、体重、民族、血压；

步骤2：采集患者生物信号，包括颈动脉压力脉波图、上臂压力脉波图、颈动脉与椎动脉血流图、心电图、心音图，具体采集方法如下：

(1)颈动脉压力脉波图采集方法为：采用空气传达式脉波传感器：在血管表皮层施以不同的压力，将颈动脉传感器放置在人体颈动脉上；

(2)上臂压力脉波图采集方法为：采用上臂袖带采集上臂动脉压力脉波，将袖带套在上臂动脉处；

(3)颈动脉与椎动脉血流图采集方法为：颈动脉脑血流图感应电极的入口电极放置在眼眉上的滑车上动脉与锁骨下部位置，出口电极放置在乳突的颈动脉位置；椎动脉脑血流图感应电极的入口电极放置在第二颈椎与肩部位置，出口电极放置在第三颈椎与第六颈椎间以5cm为间隔放置；

(4)心电图采集方法为：采用四肢电极采集心电图；

(5)心音图采集方法为：心音图传感器放置在心尖部采集心音图；

步骤3：利用上臂压力脉波图构造心脏扩张时冠状动脉扩张期曲线并求出心脏扩张时冠状动脉扩张期曲线的倾斜度，进而计算出左右冠状动脉的血流量；

(1)心脏扩张期时左右冠状动脉扩张期曲线的确定方法为：

心脏扩张期左右冠状动脉同时有血液流动，此时推动血液流动的压力波形根据帕斯卡法则在重叠波点开始到扩张期止，左右冠状动脉与主动脉的脉波曲线是相同的，所以扩张期的重叠波点开始左右冠状动脉内压曲线与主动脉扩张期的内压曲线是一致的，扩张期重叠波点开始的左右冠状动脉的内压曲线按以下方式求出：

左右冠状动脉内压曲线的扩张期部分的频率频谱由低频波和高频波组成，用上臂压力脉波传感器施予高于收缩期血压12％的压力接收压力脉波就会显示出高频波；反之，施予低于扩张期血压18％的压力时就会显示低频波，将用以上方法得到的高频波与低频波合成为主动脉扩张期重叠波点开始的内压曲线，公式为：

$P_{\mathrm{cd}}=\frac{c\left(\mathrm{Pds}\right)}{c+d}+\frac{d\left(\mathrm{Pcc}\right)}{c+d}---\left(1\right)$

式中，P_cd是用心脏造影检测的扩张期主动脉弓内压曲线，Pds是施于低于扩张期压时以本发明方法检测到的脉波曲线的扩张期部分，Pcc是施于超过收缩期压时以本发明方法检测的脉波曲线的扩张期部分；

采用心脏造影仪检测到的患者脉搏与利用本发明方法所合成的脉波作差形成泛函数，确定参数c和d，其值为：c＝0.32±0.03，d＝0.69±0.08，

(2)求出心脏扩张时冠状动脉扩张期曲线的倾斜度，进而计算出左右冠状动脉的血流量，方法为：

利用欧拉公式计算左右冠状动脉的血流量：左右冠状动脉扩张期流动的血液从S(断面)平均化意义上来说是均匀的，把在血管中流动的血液视为一次元层流，血压波形与血流波形近似，因此扩张期脉波曲线上某一点x上的速度v为 

由于 

所以血流量 

式中，Q_in是血流量，C是顺应性，p是冠状动脉扩张期压力， 

是扩张期主动脉弓内压曲线的斜度；

但由于 

每时都在变化，所以平均血流量 也可以表示为：

${\stackrel{\‾}{Q}}_{\mathrm{in}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\Δ}{p}_i}{\mathrm{\Δ}{t}_i}/(C*n)---\left(2\right)$

步骤4：确定左大脑前动脉、左大脑中动脉、左大脑后动脉的血流量和左右颈、椎动脉血流量，方法如下：

步骤41：确定左大脑前动脉和左大脑中动脉的血流量：

利用颈动脉的脉波传播速度PWV计算大脑前动脉与大脑中动脉的血流量，公式为：

$Q_{a1}=Q_1-\frac{A}{{\mathrm{PWV}}^2}(P_s^{*}-P_d)---\left(3\right)$

式中，Q_a1为左大脑前动脉血流量，Q₁为颈动脉血流量，A为颈动脉的直径，PWV为颈动脉传播速度， 

为拐点血压，P_d为扩张期血压；

$Q_{m1}=\frac{A}{{\mathrm{PWV}}^2}(P_s^{*}-P_d)---\left(4\right)$

式中，Q_m1为左大脑中动脉的血流量；

左大脑后动脉的血流量计算方式如下：

左大脑后动脉的血流量由椎脑基低动脉中的血流量与颈动脉中的血流量决定，公式为：

$Q_{p1}=Q_3^{*}+Q_1^{*}---\left(5\right)$

式中，Q_p1为大脑后动脉的血流量， 

为由颈动脉流入后大脑动脉的血流量， 

为椎脑基低动脉流入大脑后动脉的血流量，且有 式中，Q_b表示，Q₄表示流入右侧椎动脉的血流量，Q₃表示流入左侧椎动脉的血流量；

现在将流入左侧椎动脉的血流量Q₃与流入左侧内颈动脉的血流量Q₁的比设为a，且有 

左侧椎动脉的血流量基准值 

与左椎动脉血流量基准值 

的比设为a₀，且有 

进行试验，得到如下的相关式：

$\frac{Q_3^{*}}{Q_1^{*}}=\frac{7}{3}*K^{(a-a0)}---\left(6\right)$

式中，K为相关系数，其值在0.8-1.2之间，所以

$Q_{P1}=0.4*Q_b\frac{Q_4}{Q_3}(1+\frac{3}{7*K^{(a-a0)}})---\left(7\right)$

右大脑前血流量、右大脑中血流量、右大脑后血流量的方法与左大脑血流量测量方法相同，在此不再赘述；

步骤4-2：确定左右颈椎动脉血流量，以左颈椎动脉为例，方法为：

根据Nyboer公式可知，当长度为L，断面积为A，体积为V，轴向电阻为Z时，一定长度的封闭管路中有 

上式是带状电极电阻血流图应用的公式，由以上公式，在血管表面放置电极测量电阻时，与联接电极两端及血管中心的扇型面积A对应的电阻Z之间也有 

所以，测量颈、椎动脉血流图的斜度、血管中血液电阻后就可以从Kubichec关系式求出颈、椎动脉血流量，公式为：

$Q_3=-\mathrm{k\ρ}\frac{L^2}{Z^2}\frac{\mathrm{dZ}}{\mathrm{dt}}{|}_{\max }\·T---\left(8\right)$

式中，k为常数，取值为0.76-0.83，ρ是血液密度，L是颈、椎动脉血流图出口电极间的距离， 是值颈、椎动脉收缩期倾斜度的最大值(一阶导涵数)，T是心率周期；

Q1、Q2、Q4的方法与此相同，在此不再赘述；

步骤5：计算左右冠状动脉、脑血管的顺应性、血流阻力、动脉硬化度和左右管状动脉血流量；

设扩张期T_S≤t＜T，脉波波形设为P(t)，冠状动脉体积与血压之间成立如下公式：

V＝a₂·P²+a₁·P+a₀

式中，V是血管的体积，P是冠状动脉内压，a2＝ma1+n，其中m，n是罗德系数，a0，a1，a2是任意常数；

左冠状动脉在心脏收缩期与扩张期的一个周期中有如下公式成立：

$(a_{2}P+a_1)\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+\frac{P-\mathrm{Pv}}{R}=0$ (0≤t＜Ts)

(9)

$(a_{2}P+a_1)\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+\frac{P-\mathrm{Pv}}{R}=\mathrm{Qin}$ (Ts≤t＜T)

式中，P_v是静脉压曲线，R是血流阻力；

由于左冠状动脉的收缩期脉波曲线是组织内压曲线，所以忽略上式中的第一个公式，将坐标原点放在拐点后将上式变换如下：

$(a_{2}P+a_1)\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+\frac{P-\mathrm{Pv}}{R}=\mathrm{Qin}$ 0≤t＜T_d

(10)

初期条件 $\left.\begin{array}{c}\\ {P|}_{t=0}={P_S}^{*}\\ {P|}_{t=\mathrm{T\; d}}{P}_d\end{array}\right\}$

式中，Td是扩张期间，t轴的零点是出现拐点的时刻，P_S ^*是拐点的血压，P_d是扩张期血压，Qin是左冠状动脉血流量；

将上式进行积分

${\∫}_{P_s^{*}}^{P_d^{*}}(2a_2\·P+a_1)+\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{{\mathrm{Td}}_D}{\∫}}(P-\mathrm{Pv})\·\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{\mathrm{Td}}{\∫}}{Q}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\mathrm{dt}\}---\left(11\right)$

$\underset{0}{\overset{\mathrm{Td}}{\∫}}{Q}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\mathrm{dt}=S_l,$ $\underset{0}{\overset{\mathrm{Td}}{\∫}}(P-\mathrm{Pv})\mathrm{dt}=A_d---\left(12\right)$

$\left.\begin{array}{cc}& \\ -a_2(P_S^{{*}^2}-P_d^2)-a_1(P_S^{*}-P_d)+\frac{A_d}{R}=S_l& (0\&le;t<T)\end{array}\right\}---\left(13\right)$

由于a2＝ma1+n，结合上式得出

$a_2=\frac{P_S^{*}-P_d}{P_S^{{*}^2}-P_d^2}\&CenterDot;a_1-\frac{A_d/R+S_d}{P_S^{{*}^2}-P_d^2}={\mathrm{ma}}_1+n---\left(14\right)$

对上式进行整理后

$a_1=\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)-(\frac{1}{R}\&CenterDot;A_d+S_l)}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}---\left(15\right)$

所以心脏收缩期左冠状动脉的平均顺应性为：

$C_l=2(m\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)-(\frac{1}{R}\&CenterDot;A_d+S_l)}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}+n)\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{Pd}}+\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)-(\frac{1}{R}\&CenterDot;A_d+S_l)}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}---\left(16\right)$

式中， 是扩张期平均血压，

由于 

所以左冠状动脉血流量公式为：

$S_l=\frac{[2(\mathrm{mn}\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)+n)\stackrel{\&OverBar;}{P}+n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)]\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\mathrm{\&Delta;}{p}_i}{\mathrm{\&Delta;}{t}_i}/n}{[(T_{d}A+(1+\mathrm{Td})\stackrel{\&OverBar;}{P}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\mathrm{\&Delta;}{p}_i}{\mathrm{\&Delta;}{t}_i}/n+(1+\mathrm{Td})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\mathrm{\&Delta;}{p}_i}{\mathrm{\&Delta;}{t}_i}/n)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\mathrm{\&Delta;}{p}_i}{\mathrm{\&Delta;}{t}_i}/n}---\left(17\right)$

其中，

$A=P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)--\left(18\right)$

左冠状动脉血流阻力                Rtl＝(p_d-p_v)/S_l                (19)

Rpl＝A_d/S_l*T_d                                                    (20)

式中，Rtl为左冠状动脉扩张期总阻力，Rpl为左冠状动脉扩张期末梢血管血流阻力；

右冠状动脉在收缩期也有血液流动，所以

$(a_{2}P+a_1)\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+\frac{P-\mathrm{Pv}}{R}=\mathrm{Qrs}$ (0≤t＜Ts)

$(a_{2}P+a_1)\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+\frac{P-\mathrm{Pv}}{R}=\mathrm{Qrd}$ (Ts≤t＜T)

(21)

式中，Qrs收缩期右冠状动脉血流量，Qrd是扩张期右冠状动脉血流量；

现将坐标原点定为脉波起始点：

初期条件为：

$\left.\begin{array}{c}{P|}_{t=\mathrm{ts}}=P_s^{*}\\ {P|}_{t=0}=P_d\\ {P|}_{t=T}=P_d\end{array}\right\}$

式中，ts扩张期间，T是心率周期，

对上式进行积分

$\left.\begin{array}{c}\underset{P_d}{\overset{P_S^{*}}{\&Integral;}}(2a_2\&CenterDot;P+a_1)\&CenterDot;\mathrm{dp}+\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{\mathrm{Ts}}{\&Integral;}}(P-\mathrm{Pv})\&CenterDot;\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{\mathrm{Ts}}{\&Integral;}}\mathrm{Qrs}\left(t\right)\mathrm{dt}\\ \underset{P_S^{*}}{\overset{\mathrm{Pd}}{\&Integral;}}(2a_2\&CenterDot;P+a_1)\&CenterDot;\mathrm{dp}+\frac{1}{R}\underset{\mathrm{Ts}}{\overset{T}{\&Integral;}}(P-\mathrm{Pv})\&CenterDot;\mathrm{dt}=\underset{\mathrm{Ts}}{\overset{T}{\&Integral;}}\mathrm{Qrd}\left(t\right)\mathrm{dt}\end{array}\right\}---\left(22\right)$

式中，p_d为扩张期压，T为心率周期，Ps为收缩期压，Ts为收缩时间；

$\underset{0}{\overset{\mathrm{Ts}}{\&Integral;}}\mathrm{Qrs}\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{Srs}---\left(23\right)$

$\underset{\mathrm{Ts}}{\overset{T}{\&Integral;}}\mathrm{Qrd}\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{Srd}---\left(24\right)$

$\underset{0}{\overset{\mathrm{Ts}}{\&Integral;}}(P-\mathrm{Pv})\mathrm{dt}=\mathrm{As}---\left(25\right)$

As＝As1+As2                                                    (26)

$\underset{\mathrm{Ts}}{\overset{T}{\&Integral;}}(P-\mathrm{Pv})\mathrm{dt}=A_d---\left(27\right)$

$\left.\begin{array}{cc}{a}_2(P_{*}^2-P_d^2)+a_1(P_{*}-P_d)+\frac{\mathrm{As}}{R}=\mathrm{Srs}& (0\&le;t<\mathrm{Ts})\\ -a_2(P_{*}^2-P_d^2)-a_1(P_{*}-P_d)+\frac{A_d}{R}=\mathrm{Srd}& (\mathrm{Ts}\&le;t<T)\end{array}\right\}---\left(28\right)$

心脏收缩时由心脏流出的血液经过主动脉无反射波流入颈动脉，右冠状动脉的组织内压较小所以心脏收缩时左冠状动脉的脉波曲线的收缩期与颈动脉的脉波曲线的收缩期部分相似；为了由颈动脉的脉波曲线面积求出右冠状动脉脉波曲线的面积，心脏收缩时列出使右冠状动脉的脉波曲线的顶点成为收缩期血压、右冠状动脉的脉波曲线的拐点成为拐点血压的涵数；之后在收缩期颈动脉脉波曲线的起始点到收缩点区间乘上α、收缩点到拐点乖上β形成新的涵数构成心脏收缩期的右冠状动脉的脉波波形：心脏收缩时脉波曲线的面积为：

$\mathrm{As}1={\&Integral;}_0^1{P}_{\mathrm{CS}1}\mathrm{dt}={\&Integral;}_0^1\mathrm{\&alpha;}{P}_{\mathrm{ss}1}\mathrm{dt}---\left(29\right)$

$\mathrm{As}2={\&Integral;}_{t1}^{\mathrm{ts}}{P}_{\mathrm{cs}2}\mathrm{dt}={\&Integral;}_{t1}^{\mathrm{ts}}\mathrm{\&beta;}{P}_{\mathrm{ss}2}\mathrm{dt}---\left(30\right)$

式中，P_CS1是以心脏造影检测的心脏收缩时右冠状动脉的血压曲线收缩期前部分的血压曲线，P_SS1是收缩期颈动脉脉波曲线前部分的血压曲线，P_CS2是收缩时右冠状动脉的血压曲线的后部分，P_SS2是收缩期颈动脉脉波曲线后部分的血压曲线，通过上述可计算出α与β值；

右冠状动脉收缩期脉波曲线的面积As＝As1+As2

利用对患者进行心脏造影检查得到的资料计算出的α＝0.73 β＝0.74，所以主处理器对心脏收缩期颈动脉波的面积进行积分求出右冠状动脉内压曲线的面积As＝As1+As2由于α，β近似，按0.735给予平均值后可以简化计算：

由上式

$a_1=\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)+[\frac{1}{2R}(\mathrm{As}-\mathrm{Ad})-0.2S_{\mathrm{rd}}]}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}---\left(31\right)$

右冠状动脉的顺应性

$\mathrm{Cr}=2({\mathrm{ma}}_1+\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)+[\frac{1}{2R}(\mathrm{As}-\mathrm{Ad})-0.2S_{\mathrm{rd}}]}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}n)\stackrel{\&OverBar;}{P}+$

(32)

$\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)+[\frac{1}{2R}(\mathrm{As}-\mathrm{Ad})-0.2S_{\mathrm{rd}}]}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}$

是右冠状动脉内压曲线的平均值是Srd＝A_d/(A_s+A_d)；

由于 右冠状动脉的血流量为：

右冠状动脉血流阻力：

Rtr＝(p_d-p_v)/S_v                                             (34)

Rpr＝A_d/S_r*T_d                                               (35)

式中，Rtr为右冠状动脉扩张期总阻力，Rpr为右冠状动脉扩张期末梢血管血流阻力；

利用顺应性与血流阻力由Poiseuile公式计算弹性系数，即动脉硬化度：

弹性系数由其定义： $E=\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dl}}=\mathrm{\&rho;}*{\mathrm{Ce}}^2=\mathrm{\&rho;}*{\mathrm{PWV}}^2\frac{d}{h}---\left(36\right)$

Poiseuile公式 $R=\frac{8\mathrm{\&eta;L}}{\mathrm{\&pi;r}},$ $C=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4\mathrm{\&rho;}}\frac{D^{2}L}{{\mathrm{PWV}}^2}---\left(37\right)$

式中，dp为压力曲线的微分，dl为线性微分，Ce为弹性波传播速度，r为血管直径，D为血管断面面积，h为血管的厚度，ρ为血液密度，PWV为脉波传播速度，E为弹性系数，；

弹性系数(动脉硬化度)E＝k(PWV)*R^-0..25/C                                (38)

上式中k＝f(PWV^0.23)是随主动脉的PWV^0.23变化的涵数，PWV在650-1120间变化时k在0.72-0.64间变化；

左右冠状动脉、脑血管的动脉硬化度均可由上式得出。

脑血管的顺应性与血流阻力在Wills环的各血管分支视为一个弹性腔的前提下以颈、椎动脉的血流量与血压为基础计算得出。

所以大脑中动脉的弹性腔方程式可以如下列出：

$(a_{2}P+a_1)\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+\frac{P-\mathrm{Pv}}{R}=0$ (0≤t＜Ts)

(39)

$(a_{2}P+a_1)\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+\frac{P-\mathrm{Pv}}{R}=\mathrm{Qm}$ (Ts≤t＜T)

初期条件为：

$\left.\begin{array}{c}{P|}_{t=\mathrm{ts}}=P_s^{*}\\ {P|}_{t=0}=P_d\\ {P|}_{t=T}=P_d\end{array}\right\}$

式中，ts是扩张期间，T是心率周期；

对以上公式整理得出：

$a_1=\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)-\left(\frac{1}{R}{\&CenterDot;A}_d+S_l\right)}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}---\left(40\right)$

大脑中动脉的平均顺应性，公式为：

$\mathrm{Cm}=2(m\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)-(\frac{1}{R}\&CenterDot;A_d+\frac{A}{{\mathrm{PWV}}^2}({\mathrm{Ps}}^{*}-P_d))}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}+n)\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{Pd}}$

(41)

$+\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)-(\frac{1}{R}\&CenterDot;A_d+\frac{A}{{\mathrm{PWV}}^2}({\mathrm{Ps}}^{*}-P_d))}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}$

血流阻力Rm，公式为：

$\mathrm{Rm}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{P}}{\frac{A}{{\mathrm{PWV}}^2}({\mathrm{Ps}}^{*}-P_d)}---\left(42\right)$

式中，P表示平均血压；

相类似，大脑前动脉的顺应性，公式为：

$\mathrm{Ca}=2(m\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)-(\frac{1}{R}\&CenterDot;A_d+\mathrm{Qc}-\frac{A}{{\mathrm{PWV}}^2}({\mathrm{Ps}}^{*}-P_d))}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}+n)\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{Pd}}$

(43)

$+\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)-(\frac{1}{R}\&CenterDot;A_d+\mathrm{Qc}-\frac{A}{{\mathrm{PWV}}^2}({\mathrm{Ps}}^{*}-P_d))}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}$

血流阻力，公式为：

$\mathrm{Ra}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{P}}{\mathrm{Qc}-\frac{A}{{\mathrm{PWV}}^2}({\mathrm{Ps}}^{*}-P_d)}---\left(44\right)$

大脑后动脉的顺应性，公式为：

$\mathrm{Cp}=2(m\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)-(\frac{1}{R}\&CenterDot;A_d+0.4*Q_b\frac{Q_4}{Q_3}(1+\frac{3}{7*K^{(a-a0)}}))}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}+n)\stackrel{\&OverBar;}{P}$

(45)

$+\frac{n\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)-(\frac{1}{R}\&CenterDot;A_d+0.4*Q_b\frac{Q_4}{Q_3}(1+\frac{3}{7*K^{(a-a0)}}))}{P_S^{*}-P_d+m\&CenterDot;(P_S^{{*}^2}-P_d^2)}$

血流阻力，公式为：

$\mathrm{Rp}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{P}}{0.4*Q_b\frac{Q_4}{Q_3}(1+\frac{3}{7*K^{(a-a0)}})}---\left(46\right)$

脑动脉的弹性系数与冠状动脉的弹性系数计算方法相同

步骤6：输出主处理器计算结果；

本发明优点：利用本发明装置可实现无创检测心脑血管，通过测量左、右颈椎动脉，大脑前、中、后动脉，左右冠状动脉的血压与血流量，对心脑血管系各血管支进行生物力学方式的分析，获取心脑血管各血管支的弹性系数、顺应性、血流阻力、血流量等生物力学指标，本发明作为心脏造影、核磁共振(MRl)、CT等设备与TCD、ECG间的补充设备，对心肌梗塞、脑血栓的早期诊断具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪结构框图；

图2为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪信号接收装置总体结构图；

图3为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪压力脉波传感器外观示意图；

图4为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪压力脉波传感器剖面图；

图5为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪入口电路原理图；

图6为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪高频恒流源电路原理图；

图7为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪高频放大电路原理图；

图8为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪检波器电路原理图；

图9为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪低频放大电路原理图；

图10为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪第一放大电路原理图；

图11为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪入口缓冲电路原理图；

图12为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪导联选择器电路原理图；

图13为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪第二放大电路原理图；

图14为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪第三放大电路原理图；

图15为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪检测到的颈动脉血流图；

图16为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪冠状动脉血液循环模型示意图；

图17为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪冠状动脉血液循环模型等价电路图；

图18为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪脑血管血液循环模型图；

图19为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪脑血管血液循环模型等价电路图；

图20为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪心血管系状态评价图；

图21为本发明心脑血管特性与血流特性分析仪的检测方法的流程图；

图中，1下壳体，2上壳体，3传感器主体，4传感器探头基座，5传感器接收端探头，6密封垫圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明装置如图1～图14所示，该装置包括：压力脉波传感器、颈动脉与椎动脉血流图感应电极、心电图感应电极、心音图传感器、信号接收装置和主处理器及输入输出部件；空气传达式颈动脉波传感器的输出端连接信号接收装置的第一输入端、与自动血压计一体的空气传达式脉搏传感器的输出端连接信号接收装置的第二输入端、颈动脉与椎动脉血流图感应电极的输出端连接信号接收装置的第三输入端、心电图感应电极的输出端连接信号接收装置的第四输入端、心音图传感器的输出端连接信号接收装置的第五输入端，信号接收装置的输出端连接主处理器及输入输出部件的输入端；

其中，压力脉波传感器实现两部分功能：用来采集颈动脉压力脉波图和上臂压力脉波图，如图3和图4所示，由上壳体(2)、压力脉波传感器的主体(3)、压力脉波传感器的探头基座(4)、压力脉波传感器的接收端探头(5)和下壳体(1)组成，压力脉波传感器的主体(3)位于下壳体(1)内一端，下壳体(1)内另一端设有凹槽，凹槽中心开孔，压力脉波传感器的探头基座(4)及压力脉波传感器的接收端探头(5)穿过凹槽中心孔，上壳体(2)一端设有突起，突起部分中空，上壳体突起与下壳体凹槽成螺纹连接，上壳体(2)的另一端为中空曲面，满足Z＝K1*X*X+K2*Y*Y，式中K1，K2为常数，其取值范围在2.1～2.3之间，X、Y、Z分别表示3维坐标轴中的横轴、竖轴和垂直轴，本发明中截取长度为1.3cm；

所述的输入输出部件包括显示器、键盘、计算机和打印机；

信号接收装置包括入口电路、高频恒流源、高频放大电路、检波器电路、低频放大电路、第一放大电路、入口缓冲电路、导联选择电路、第二放大电路、第三放大电路，其中，颈椎动脉血流图电极的输出端连接入口电路的第一输入端，高频恒流源电路的输出端连接入口电路的第二输入端，入口电路的输出端连接高频放大电路的输入端，高频放大电路的输出端连接检波器电路的输入端，检波器电路的输出端连接低频放大电路的输入端，低频放大电路的输出端连接A/D变换器的输入端；压力脉波传感器的输出端连接第一放大电路的输入端，第一放大电路的输出端连接A/D变换器的输入端；心电图感应电极的输出端连接入口缓冲电路的输入端，入口缓冲电路的输出端连接导联选择电路的输入端，导联选择电路的输出端连接第二放大器的输入端，第二放大器的输出端连接A/D变换器的输入端；心音图传感器的输出端连接第三放大器的输入端，第三放大器的输出端连接A/D变换器的输入端；

入口电路的插槽，型号为W-A2508-IN，其4脚和5脚作为入口电路的第一输入端，连接颈椎动脉血流图电极的输出端，入口电路的l1脚和l2脚作为入口电路的输出端，连接高频放大电路的输入端l3脚和l4脚，高频放大电路的输出端l5脚连接检波器电路的输入端15脚，检波器电路的输出端l6脚连接低频放大电路的输入端l6脚，低频放大电路的输出端连A/D变换器的13脚，高频恒流源电路的输出端l1脚和l2脚连接入口电路的第二输入端l1脚和l2脚；高频波静电流端中，出口静电流是1～1.5mA，出口电流频率是35.3KHz，出口阻抗是16.4KΩ(50.3KHz出口时)，入口回路中Zo的标准阻抗是50欧，dZ标准阻抗是50mΩ，颈动脉与椎动脉血流图的高频增益达到72±2(50.3KHz，0～150mVpp入口时)，入口阻抗400kΩ(50.3KHz)，出口阻抗30Ω以下，检波端出口值为1.24V直流(50.3KHz，7Vpp)，入口时低频增益端的通带为0.3～30Hz，增益为0～5(Zo)，470±5(dZ)；

第一放大电路的插槽J600的1脚、2脚和3脚作为第一放大电路的输入端，连接压力脉波传感器的输出端，第一放大电路的输出端连接A/D变换器的13脚；其中，第一放大电路的 增益达到100倍、入口阻抗4.7欧、频率特性1～200Hz；A/D变换器的入口电压范围是±10V，A/D变换最大时间为35μs；

入口缓冲电路的插槽CON的1脚～10脚作为入口缓冲电路的输入端，连接心电图感应电极的输出端，入口缓冲电路的l7脚、l8脚、l9脚作为入口缓冲电路的输出端，连接导联选择器电路的输入端l7脚、l8脚、l9脚；心电图电路入口阻抗为10MΩ以上，时间常数1.5秒以上，频率特性为1～250Hz，CMR比为60dB以上，电压增益为2000～2020倍；

导联选择器的输出端l10脚、l11脚、l12脚、l13脚、l14脚、l15脚依次连接第二放大电路的输入端l10脚、l11脚、l12脚、l13脚、l14脚、l15脚，第二放大电路的选择器ADG508的输出端连接A/D变换器的输入端13脚；

第三放大电路的插槽J600的1脚、2脚和3脚作为第三放大电路的输入端，连接压力脉搏传感器的输出端，第一放大电路的输出端连接A/D变换器的13脚；

心音图传感器的输出端连接第三放大电路的输入端，第三放大电路的输出端连接A/D变换器的输入端13脚；第三放大电路的入口阻抗为2.7MΩ以上，频率特性需保障30～300Hz；

心脑血管特性与血流特性分析仪的检测方法检测方法包括以下步骤，如图21所示：

步骤1：输入患者信息如下：

姓名：黄浩林；

出生日期：1942年3月2日；

身高：172；

体重：78KG；

民族：汉族/亚洲人；

血压：170/100；

步骤2：采集患者生物信号，包括颈动脉压力脉波图、冠状动脉压力脉波图、颈动脉与椎动脉血流图、心电图、心音图，如图15所示。

步骤3：利用上臂压力脉波图构造心脏扩张时冠状动脉扩张期曲线并求出心脏扩张时冠状动脉扩张期曲线的倾斜度，进而计算出左右冠状动脉的血流量，如图16、图17所示；

步骤4：确定左前大脑动脉、左中大脑动脉、左后大脑动脉的血流量和颈、椎动脉血流量；

首先是将脑血管血液循环模型转换为电路图，如图18、图19所示，图中C，R，P所附的标识中1为左侧、2为右侧、m为中大脑、c为颈动脉、v为椎动脉、a为大脑前动脉、p为大脑后动脉、b为脑基低动脉、pc为大脑后交通动脉、ac为大脑前交通动脉；

另外，Q1是流入左侧内颈动脉的血流量、Q2是流入右侧内颈动脉的血流量、Q3是流入 左侧椎动脉的血流量、Q4是流入右侧椎动脉的血流量；

前大脑动脉与后大脑动脉的前端为Wills环部分，后端为其基本血管分支，在此前者定为1、后者定为2，例如，前大脑动脉的Wills环部分的左侧写成Ra11；

为了解释这样的模型列出方程式的话，未知数的个数与方程式的个数应该是一致的，但通过以颈动脉与椎动脉测量的数据因未知数的个数比方程式的个数多，所以做出解释是不可能的；

本实施例将系统视为由交通动脉分解的系而解决问题，这时，所有的系分解成为单弹性腔，所以计算就会变的简单，所提出的核心问题是计算A点与B点上分流到大脑前、中动脉的血流量与计算C、D点上分流到左、右大脑后动脉血流量，只要解决这个问题就可以通过求解单弹性腔方程式方便的评价脑血管系；

右侧大脑动脉的计算与此相同，在此不再赘述；

步骤5：计算左右冠状动脉与脑血管的顺应性、血流阻力及动脉硬化度，数据如下：

前大脑动脉

参数	描述	正常	左	右	左/右
						Ca	顺应性	0.8～1.4	0.659	0.839	0.786
Ra	末梢阻力	0.8～1.3	1.969	1.331	1.479
						Asa	动脉硬化度	0.8～1.15	1.343	1.294	1.038

中大脑动脉

参数	描述	正常	左	右	左/右
						Cm	顺应性	0.8～1.4	0.612	0.746	0.82
Rm	末梢阻力	0.8～1.3	2.009	1.307	1.537
						Asm	动脉硬化度	0.8～1.15	1.359	1.318	1.032

后大脑动脉

参数	描述	正常	左	右	左/右
						Cp	顺应性	0.8～1.4	0.946	0.857	1.104
Rp	末梢阻力	0.8～1.3	1.079	0.69	1.563
						Asp	动脉硬化度	0.8～1.15	1.24	1.258	0.985

其中，罗德系数m，n的取值如表2所示：

表2

步骤6：输出主处理器的计算结果，见图20所示，图中□表示左侧中大脑动脉在2区域，2区域是脑血栓危险区域。

Claims (1)

1.一种心脑血管特性与血流特性分析仪，包括：颈动脉与椎动脉血流图感应电极、心电图感应电极、心音图传感器、信号接收装置、主处理器及输入输出部件；其特征在于：该检测仪还包括：压力脉波传感器、压力脉波传感器输出端连接信号接收装置的第一输入端、颈动脉与椎动脉血流图感应电极的输出端连接信号接收装置的第二输入端，心电图感应电极的输出端连接信号接收装置的第三输入端，心音图传感器的输出端连接信号接收装置的第四输入端，信号接收装置的输出端连接主处理器及输入输出部件的输入端；所述的压力脉波传感器由上壳体、压力脉波传感器的主体、压力脉波传感器的探头基座、压力脉波传感器的接收端探头和下壳体组成，压力脉波传感器的主体位于下壳体内一端，下壳体内另一端设有凹槽，凹槽中心开孔，压力脉波传感器的探头基座及接收端探头穿过凹槽中心孔，上壳体一端设有突起，突起部分中空，上壳体突起与下壳体凹槽成螺纹连接，上壳体的另一端为中空曲面，满足Z＝K1*X*X+K2*Y*Y，式中K1，K2为常数，其取值范围在2.1～2.3之间，式中的X、Y、Z分别表示3维坐标轴中的横轴、竖轴和垂直轴的坐标，且截取长度为1.3cm。

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