CN1026553C - 脑血管动力学参数的检测分析方法及仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脑血管动力学参数的无损伤检测分析方法及其仪器。该方法利用颈动脉的有关运动学参数，通过严格建立的分析模型，计算分析脑血管动力学参数。相应的检测分析仪器包括检测系统、预处理系统、计算分析系统。由本发明获得的脑血管动力学指标，能较好地显示出脑血管的动力学特性和生理、病理特征，指标敏感性强，显著性好，方法简便，结果可靠。对脑血管疾病的早期诊断、药物疗效的评判、脑血管生理、病理的研究都有重要意义。

Description

本发明涉及一种脑血管动力学参数的检测方法及其仪器。

脑血管动力学参数是反映脑循环状态的重要指标。正确检测这些参数对于脑血管生理、病理研究，临床诊断和防治，以及治疗效果的评判等具有重要意义。由于脑血管处于头颅骨包围之中，直接无创伤检测脑血管动力学参数有很大的困难。人们力图通过检测颈动脉的血流参数，间接给出脑循环的有关信息。目前常用的方法主要有：（1）吸入N₂O气体后，定时从颈内动、静脉采血，根据Fick原理，通过检测N₂O浓度和稀释特性测定脑血流量;（2）动脉注射或吸入放射性物质¹³³Xe和⁸⁵Kr等，在颅外用多个晶体闪烁探头来测量示综剂的清除曲线，然后求出局部脑血流量;（3）颈动脉高压注入显影剂，用X射线透视，直观了解脑血管状态;（4）用X射线计算机断层装置（CT），X射线由体外照射，从体轴断层面内各方向测定X射线穿透量，根据组织对X射线吸收的差异，重新组成图象，以显示颅脑部位的横断层现象。上述方法的缺点是对受检者伤害较大、设备复杂、检测费用昂贵，而且只是间接测出脑血流量，不能真实反映脑血管的动力指标。日本的QFM-2000脑血管特性测定装置力图通过颈动脉波形计算出脑血管的动力学指标，但由于分析模型过于简单粗糙，所得到的动力学指标与真实情况差别较大，影响了仪器的广泛应用。

本发明的目的在于通过建立能真实反映脑血管动力学状态的脑血管分析模型，从而提出一种脑血管动力学参数的无损伤检测分析方法，并提供一种相应于上述方法的结构简单、使用方便的脑血管动力学参数无损伤检测分析仪器。

脑血管动力学参数主要有：反映脑血管弹性特性状况的脑血管顺应性和特性阻抗，以及反映脑血管阻力状况的脑血管外周阻力等。本发明提出的脑血管动力学参数无损伤检测分析方法，其步骤如下：（1）用超声血液流量仪测出颈动脉流量波形q（t）、管径d（t）、心电ECG等参数的模拟信号;（2）将上述模拟信号转换成计算机能接受的数字信号、进行数字滤波、检测心动周期和心室收缩时间间隔，并由管径波形d（t）标定颈动脉压力p（t）。标定方法：在线性化条件下，颈动脉压力p（t）和管径d（t）成线性关系，因此可用管径波形d（t）作为压力波形p（t），并利用常规方法，通过测量肱动脉血压值对压力波形进行标定，从而得到颈动脉压力p（t）;（3）根据上述参数通过计算机分析计算脑血管动力学参数。脑血管动力学参数的分析计算是以合适的分析模型和计算方法为基础的。其分析模型和计算方法如下：

1、对颈动脉压力p（t）和流量q（t）进行Fourier分解：

2、对脑血管采用三元件Westerhof模型描述，其对应方程为：

(dV)/(dt) +q_out＝q_in

p_O-p＝Zcq_in（2）

q_out＝ (P-P_V)/(R)

式中P_O和Q_O分别是压力p（t）和流量q（t）的平均值，Pn和Qn分别是p（t）和q（t）的第n次谐波的幅值，ψ_pn和ψ_qn分别是p（t）和q（t）的第n次谐波的位相，ω为圆频率;V为脑动脉的体积，p_O为颈动脉血液压力，p为脑血管压力（亦即颈动脉压力），p_v为静脉压力，R为脑血管外周阻力，Zc为脑血管特性阻抗，q_in为从颈动脉流入脑血管的血流量，q_out为从脑动脉流入静脉的血流量。

关于脑血管阻抗特性的计算。由Fourier分解式，可得以颈动脉为始端的脑血管输入阻抗为：

|Zn|＝Pn/Qn

n＝1，2，…    （3）

ArgZn＝ψ_pn-ψ_qn

脑血管输入阻抗曲线如图1和图2所示，其中图1为阻抗模曲线，图2为阻抗幅角曲线，横坐标为谐波数Hr。

于是脑血管特性阻抗可用下式表达：

N＝10，11或者12。脑血管阻力由下式表达：

R_in＝P₀/Q₀（5）

由（1）和（3）即可计算Zc和R_in。

关于脑血管顺应性和阻力的计算。从方程组（2）消去q_out，得

(dV)/(dt) + (P₀-P_V)/(R) =q_in+ (Zcq_in)/(R) （6）

对（6）式在心室收缩期（0≤t≤Ts）积分，有

V（p^＊ _s）-V（p_d1）+ (Aos)/(R) ＝（1+ (Zc)/(R) ）Sv₁（7）

对（6）式在舒张期（Ts≤t≤T）积分，有

V（p_d2）-V（p^＊ _s）+ (Aod)/(R) ＝（1+ (Zc)/(R) ）S_v2（8）

式中：

Aos＝∫^Ts ₀（p_o-p_v）dt

Aod＝∫^T _Ts（p_o-p_v）dt

S_v1＝∫^Ts ₀q_in（t）dt

S_v2＝∫^T _Tsq_in（t）dt

V（P_d1）为t＝0时对应于压力P_d1的脑血管体积，

V（P_d2）为t＝T时对应于压力P_d2的脑血管体积，

V（P_d3）为t＝Ts时对应于压力P_d3的脑血管体积，

P_d1＝P_Od1-Zcq_in1，

P_d2＝P_Od2-Zcq_in2，

P^＊ _s＝P^＊ _os-Zcq_ins。

T为心动周期，Ts为心室收缩期的时间间隔。

P_od1为t＝0时颈动脉血液压力值，

P_od2为t＝T时颈动脉血液压力值，

P^＊ _os为t＝Ts时颈动脉血液压力值，

q_in1为t＝0时从颈动脉流入脑血管的血流量，

q_in2为t＝T时从颈动脉流入脑血管的血流量，

q_ins为t＝Ts时从颈动脉流入脑血管的血流量。

图3为颈动脉的压力波形图。

图4为颈动脉的流量波形图。

脑血管压力P和容积V之间用指数关系式表示：

V＝ae^bp+c （11）

式中a，b，c为待确定的参数。经研究，b取-0.01为好。由（2）式的第2式得：

将（12）式代入（7）和（8）式，得

a（Ms-M1）+ (Aos)/(R) ＝（1+ (Zc)/(R) ）Sv1

                                                                    （13）

a（M2-Ms）+ (Aod)/(R) ＝（1+ (Zc)/(R) ）Sv2

将上面两式相加，得

R＝ (Aos+Aod-ZcSv)/(Sv-a（M₂-M₁）) （15）

式中Sv＝Sv1+Sv2，表示每搏心输出量。再由（13）第2式，得

R＝ (ZcSv2-Aod)/(a（M2-Ms）-Sv2) （16）

比较（15）和（16）式，消去R，得a的表达式为：

a＝ (ηSv2-Sv)/(（η-ZcSv/Aod）·ξ) （17）

式中，η＝ (Aos+Aod)/(Aod)

ξ＝ (（ZcSv2-Aod）（M₂-M₁）)/(Aos+Aod-ZcSv) +M2-Ms

关于动脉顺应性C（大写）由下式定义：

C＝ (dV)/(dp) ＝abe^bp

考虑到方程（2），C的表达式如下：

特别，当P＝0，所对应的零压顺应性为：

C₀＝ab

当P＝P_d1，所对应的舒张压顺应性为：

当P＝P_d2，所对应的舒张压顺应性为：

当P＝Ps所对应的收缩压顺应性为：

当P＝Pm所对应的平均压顺应性为：

q_inmax表示流量波的最大值，q_inm表示平均流量，p_om表示平均压力。

这样就可以通过（4）、（9）、（10）、（14）、（16）式，由表达式（15）计算脑血管阻力R，由表达式（19）计算脑血管的动脉顺应性C，以及各种情形下的动脉顺应性。

根据上述脑血管动力学参数的检测方法，本发明设计了相应的专用检测仪器，该仪器包括检测系统、预处理系统和计算分析系统。其中检测系统采用超声血液流量测定装置，例如日本产的QFM-1000超声血流仪，用于检测颈动脉的运动学参数：血液流量、血管直径以及心电等参数。预处理系统以单片计算机（如MCS-51型）为核心，配有模数转换器（A/D）、ROM、RAM，以及与计算系统连结的通讯接口。计算分析系统采用一台通用计算机，如IBM-PC机，或与其全兼容的PC机。另外，配有显示器、打印机、软盘机等。关于脑血管动力学参数的专用计算分析软件存贮在软盘上，计算机通过软盘机将专用软件读入，并利用预处理系统输送来的数据，执行专用软件，计算出脑血管动力学参数。

本检测分析仪的预处理系统中，各部分的结构功能如下：

A/D转换器对三路信号：颈动脉流量、管径、心电进行采样和模数转换，把检测系统检测到的模拟信号转换成计算系统能够接受的数字信号，其电路原理图如图5所示。它包括关于三路输入信号的采样保持电路S/H（具体可用LF398×3），单片机控制开关1，放大器2（具体可用LF353）、比较器3（具体可用LM311）、模数转换卡4（具体可用DAC1210）、译码器5（具体可用74LS138）、MCS-51单片计算机6（具体可为8031）。其中，单片机6的输出端p_0.0～p_0.7与模数转换卡4的输入端 连结，单片机的输入端p_2.3、p_2.5以及WR与译码器5连结。采样保持电路S/ H通过控制开关1、比较器3与单片机的输出端p_3.4、p_3.5连结，通过放大器2与模数转换卡4连结。

通讯接口承担预处理系统与计算分析系统的双向数据传输，其电路原理图如图6所示。并行接口芯片7通过数据总线、读、写通道与主计算机10连接，并通过数据通道8和9及译码器5与单片计算机6连接。

读写存贮器RAM存放采样数据。

只读存贮器ROM用于存放预处理系统的软件。该软件支持预处理系统完成各种功能。这些功能包括：使系统初始化，与主计算机联机;对三种信号进行数据采样、模数转换，完成定标工作，并将定标值送往主计算机;检测心动周期

，心室收缩时间间隔Ts，以心电QRS波为参照，将三种信号截成若干个心动周期，并完成数字滤波。

本发明提出的脑血管动力学参数的无损伤检测方法是建立在严格的血液动力学基础之上的，所建立的分析、计算模型，科学性强，与实际符合程度高，所获得的动力学指标能较好地显示出脑血管的动力学特性和生理、病理特征，指标敏感性强，显著性好，方法实用。本发明提供的检测分析仪器，结构简单，使用方便，可实现无损伤检测，所得结果可靠。申请人和上海多家医院协作，已对数千名受检者进行了检测和分析，临床效果十分显著。事实表明，本仪器可广泛应用于脑血管疾病的早期诊断和准确诊断，脑血管疾病治疗措施和治疗效果的客观判断，某些治疗脑血管疾病药物的客观判断和药物的合理筛选，以及脑血管的生理和病理学研究等。

图1为脑血管输入阻抗模曲线，图2为脑血管输入阻抗幅角曲线，图3为颈动脉压力波形图，图4为颈动脉流量波形图，图5为A/D转换电路原理图，图6为通讯接口电路原理图。

Claims (4)

1、一种脑血管动力学参数的无损伤检测分析方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)用超声血液流量仪检测出颈动脉流量波形q(t)、管径波形d(t)、心电ECG等参数的模拟信号；

(2)将上述参数的模拟信号转换成计算机能够接受的数字信号，并进行数字滤波，检测心动周期、心室收缩时间间隔，由管径d标定颈动脉压力p(t)；

(3)根据上述参数，由计算机分析计算脑血管动力学参数，其分析模型和方法如下：

(i)对上述p(t)和q(t)采用Fourier分解方法，得

(ii)对脑血管采用三元件Westerhof模型描述，其对应方程为：

(dV)/(dt) +q_out=q_in

po-p=Z_cq_in

q_out= (P-P_V)/(R)

式中P₀和Q₀分别是压力p(t)和流量q(t)的平均值，P_n和Q_n分别是p(t)和q(t)第n次谐波的幅值，ψ_pn和ψ_cn分别是p(t)和q(t)第n次谐波的位相，ω为圆频率；V为脑动脉的体积，po为颈动脉血液压力，p_v为静脉压力，R为脑血管外周阻力，Z_c为脑血管特性阻抗，q_in为从颈动脉流入脑血管的血流量，q_out为从脑动脉流入静脉的血流量。

2、根据权利要求1所述的脑血管动力学参数的无损伤检测分析方法，其特征在于脑血管特性阻抗Zc采用如下方式表达：

$Z_c=\frac{1}{\mathrm{N\; -\; 3}}\underset{\mathrm{n\; =\; 3}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{｜Z}}_n｜$

其中，N取10、11或12，｜Zn｜＝P_n/Q_n。

3、根据权利要求1所述的脑血管动力学参数的无损伤检测分析方法，其特征在于动脉顺应性C和脑血管阻力R采用如下方式表达：

b（p_O-Zcqin）

C＝ab  e

R＝ (Aos+Aod-ZcSv)/(Sv-a（M₂-M₁）)

其中参数b＝-0.01，a＝ (ηSv₂-Sv)/(（η-ZcSv/Aod）ξ)

Aos＝∫^Ts _O（p_o-p_v）dt Aod＝∫^T _Ts（p_O-p_v）dt

${\mathrm{S\; v}}_1={\∫}_0^{\mathrm{T\; s}}{q}_{\mathrm{i\; n}}\mathrm{(\; t\; )\; d\; t\; S\; v}{}_2={\∫}_{\mathrm{T\; s}}^T{q}_{\mathrm{i\; n}}\mathrm{(\; t\; )\; d\; t}$

b（p_od1-Zcq_in1）

Sv＝Sv₁+Sv₂，M₁＝e

b（P_od2-Zcq_in2） b（P_os-Zcq_ins）

M₂＝e Ms＝e

ξ= ((ZcS_V2-Aod)(M₂-M₁))/(Aos+Aod-ZcS_V) +M₂-Ms

η＝ (Aos+Aod)/(Aod)

p_O、qin、Pv、Zc的意义如权利要求1和2中所述。

4、一种实现脑血管动力学参数无损伤检测分析的仪器，包括检测系统、预处理系统、计算分析系统，其特征在于检测系统采用多普勒超声血液流量仪，实施对颈动脉流量波形、血管直径、心电的检测;预处理系统以单片计算机为核心，还包括将检测系统检测到的模拟信号转换成计算系统能够接受的数字信号的A/D转换器、存放预处理系统软件的只读存贮器ROM，存放采样数据的读写存贮器RAM以及保证预处理系统与计算系统数据传输的通讯接口;计算分析系统是一台通用计算机，该计算机通过专用软件，实现对脑血管动力学参数的分析计算。

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