CN105615844A - 一种肱动脉内皮功能的电阻抗检测分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种动脉内皮功能的电阻抗检测分析装置及方法，属于医疗仪器技术领域。本发明的装置通过交流电压检测电路检测电压变化，交流电压经放大器、滤波，A/D转换将模拟的电压信号转换成数字信号输入计算机。对FMD实施前静息状态和实施后的前臂电阻抗信号Z₀(t)和Z_F(t)进行小波分析获得9个特征参数：FMD实施前前臂电阻抗信号Z₀(t)特征频率f_c0、绝对能量E_c0和平均振幅A_c0；FMD实施后前臂电阻抗信号Z_F(t)的特征频率f_cF、绝对能量E_cF和平均振幅A_cF；以及FMD实施前后前臂电阻抗信号特征频率、绝对能量、平均振幅的相对变化百分比：Δf、ΔE、ΔA。本发明提供的9个特征参数用来评估肱动脉内皮功能，与传统超声多普勒技术检测FMD相比，操作简单，省时便携。

Description

一种肱动脉内皮功能的电阻抗检测分析装置及方法

技术领域

本发明属于医疗仪器技术领域，具体涉及一种血管功能的无创伤评估方法，特别涉及一种肱动脉内皮功能的无创伤检测分析装置及方法。

背景技术

近年来，因心脑血管疾病发病和死亡人数急剧增多，治疗费用也急剧增加，给患者家庭和社会带来了沉重的负担。大量研究表明，动脉硬化程度增加是心脑血管疾病的独立危险因子之一。动脉硬化作为一种全身性的病理变化过程，会直接导致重要脏器的损坏，威胁人类健康。

动脉内皮功能受损或者功能障碍是动脉硬化早期的主要表现。动脉内皮作为血管流动和血管壁之间的功能性屏障，不仅维持血管结构的完整，还在调节血管细胞生长、调节抗凝及纤溶系统、介导炎症与免疫、调节白细胞与血小板在血管内皮粘附、调节脂质氧化、调节血管通透性等方面扮演十分重要的角色。如果内皮结构破坏、功能紊乱，血液中的脂肪便会进入血管壁，与中膜相互作用，最终形成动脉粥样硬化性斑块。

肱动脉不仅是测量血压的部位，也是检测全身动脉功能的一个重要“窗口”。研究表明，肱动脉内皮功能与心脏冠状动脉的功能呈正相关，因此，正确评价肱动脉内皮功能，有助于及时发现动脉功能异常，从而为心脑血管疾病的早期诊断和治疗提供一定的参考。肱动脉血流介导性扩张(flow-mediateddilation,FMD)反映了动脉内皮在血流突然增加时的舒张能力。临床上，一般使用高空间分辨率的超声多普勒技术无创伤检测肱动脉血流介导性扩张引起的动脉管径扩张率来评价动脉的内皮功能。这种动脉管径扩张率定义为： $FMD=\frac{D_{peak}-D_{baseline}}{D_{baseline}}\×100\%,$ D_baseline表示静息状态下动脉搏动管径的平均值，D_peak表示动脉扩张后搏动管径平均值的最大峰值。

虽然利用高空间分辨率的超声多普勒技术测量肱动脉FMD评估内皮功能被美国心脏学会认为是一项“有前途的技术”，但用该方法检测动脉管径的变化需要对动脉管径进行精确定位，不仅操作程序烦琐、耗时，而且相关的仪器设备笨重、价格昂贵，不便于推广到社区或者家庭简单使用。

发明内容

用气袖无创伤阻断肱动脉血流一定时间(一般3-5分钟)后释放，将引起下游前臂动脉的血流动力学环境特别是作用于动脉内皮的壁面剪应力发生改变，改变的剪应力将诱发前臂动脉内皮释放血管舒张因子NO,进一步引起前臂动脉的管径发生改变，这一过程称为肱动脉血流介导性扩张(FMD)。在该过程中动脉血流量发生改变，动脉血液的电导特性发生相应变化，引起前臂动脉的总电阻抗发生改变。通过检测静息和FMD实施过程电阻抗的变化情况可以反映FMD引起的动脉管径变化，从而达到间接评估动脉内皮功能的目的。

前臂可看成一个电导体，其电阻抗由前臂内所有动脉、静脉、皮肤、肌肉、骨骼和其他组织的电导特性共同决定。由于FMD过程中只有动脉血流的电导特性才发生明显变化，因此所测量的前臂电阻抗的改变就是前臂内动脉段电阻抗的改变。将前臂内的动脉等效于一个纵向长度L不变的圆筒形腔室，其半径R则在动脉正常搏动和FMD过程中发生改变，该动脉段的电阻抗Z_a表达为

$Z_a=\frac{L}{\mathrm{\σ}\·{\mathrm{\πR}}^2}---\left(1\right)$

式中，σ为血液电导率。

假定除动脉外的组织和器官总阻抗为常量Z_p，则前臂总电阻抗Z为Z_p和Z_a的并联，表示为

$Z=\frac{Z_p{Z}_a}{Z_p+Z_a}---\left(2\right)$

进一步假定外围组织和器官的阻抗Z_p在FMD实施前后保持不变，则对公式(2)两边微分可得到

$dZ={\left(\frac{1}{1+\frac{Z_a}{Z_p}}\right)}^2{\mathrm{dZ}}_a---\left(3\right)$

由于Z_p>>Z_a，可近似为

ΔZ≈ΔZ_a(4)

即前臂电阻抗的改变就是前臂内动脉电阻抗的改变。

本发明的前臂电阻抗检测装置的技术方案如下：

本发明的装置包括前臂上双电极、前臂下双电极、高频低幅恒流源发生器、交流电压检测电路、信号放大器、滤波电路、A/D转换电路和计算机。前臂上双电极置于待测手臂的上部，前臂下双电极置于待测手臂的下部；高频低幅恒流源发生器和一对前臂上下电极构成电流回路；另一对前臂上下电极和交流电压检测电路构成回路检测电压变化。如图1所示，高频低幅恒流源发生器给前臂上电极和前臂下电极加一个一定频率ω的高频低幅的恒流电源，使前臂通过一个强度恒定的交流电流I,这样在前臂长度为L段两端就建立起一定的交流电压U。交流电压检测电路检测到的交流电压U经放大器、滤波，A/D转换将模拟的电压信号转换成数字信号输入计算机，并根据如下公式(5)计算电阻抗Z随时间的变化曲线：

$Z=\frac{U}{I}---\left(5\right)$

由公式(5)计算的电阻抗信号存入计算机进一步进行分析。

本发明的前臂电阻抗信号分析方法及提供的特征参数如下：

分别检测FMD实施前静息状态和实施后的前臂电阻抗信号Z₀(t)和Z_F(t)。对前臂电阻抗信号Z₀(t)和Z_F(t)进行小波分析获得特征参数：

对于电阻抗信号Z(t)，t∈[t₁,t₂]，该信号的连续小波变换被定义为:

$\tilde{Z}(S,t)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ψ}}}_{s,t}\left(u\right)Z\left(u\right)du---\left(6\right)$

其中，是基函数Ψ_s,t的共轭，基函数Ψ_s,t是母小波ψ(t)经过时间平移t和尺度伸缩s变换得到：

${\mathrm{\Ψ}}_{s,t}\left(u\right)={\left|s\right|}^{-1/2}\mathrm{\ψ}\left(\frac{u-t}{s}\right)---\left(7\right)$

通过小波变换后，信号在时间尺度上的能量密度被定义为：

$\mathrm{\ρ}(s,t)=C^{-1}{\left|s\right|}^{-2}{\left|\tilde{Z}(s,t)\right|}^2---\left(8\right)$

选择用Morlet母小波进行时频分析，其中，Morlet小波的时域表达式如下：

$\mathrm{\ψ}\left(u\right)=\frac{1}{\sqrt[4]{\mathrm{\π}}}{e}^{-{\mathrm{i\ω}}_{0}u}{e}^{-u^2/2}---\left(9\right)$

其中，ω₀＝2π，C的值取决于母小波的形状， 是Ψ_s,t(u)的傅里叶变换。

对连续的电阻抗波形Z(t)进行小波分析，可得到具有五个特征峰的频谱图，频谱区间为0.0005-2.0Hz。其中，频率区间0.005-0.021Hz对应动脉内皮的生理活动，计算频谱图中该频率区间的特征频率f_c、绝对能量E_c、平均振幅Α_c：

(1)特征频率f_i

$A\left(f\right)=\frac{1}{(t_2-t_1)}{\∫}_{t_1}^{t_2}\left|\tilde{Z}(f,t)\right|dt,f=\frac{1}{s}---\left(10\right)$

在频率区间0.005-0.021Hz内取Α(f)的极大值Α(f_p1),Α(f_p2),Α(f_p3)...，若f_c满足

Α(f_c)＝max(Α(f_p1),Α(f_p2),Α(f_p2),...)(11)

则f_c为频率区间[f_c1,f_c2]内的特征频率。

(2)绝对能量E_c

$E_c(f_{c1},f_{c2})=\frac{1}{(f_{c2}-f_{c1})(t_2-t_1)}{\∫}_{t_1}^{t_2}{\∫}_{1/f_{c2}}^{1/f_{c1}}\frac{1}{s^2}{\left|\tilde{Z}(s,t)\right|}^{2}dsdt---\left(12\right)$

(3)平均振幅Α_c

$A_c(f_{c1},f_{c2})=\frac{1}{(f_{c2}-f_{c1})(t_2-t_1)}{\∫}_{t_1}^{t_2}{\∫}_{1/f_{c2}}^{1/f_{c1}}\frac{1}{s^2}\left|\tilde{Z}(s,t)\right|dsdt---\left(13\right)$

其中，E_c(f_c1,f_c2)表示信号在频率间隔[f_c1,f_c2]和时间间隔[t₁,t₂]内的能量。Α_c(f_c1,f_c2)表示在频率间隔[f_c1,f_c2]和时间间隔[t₁,t₂]内的平均小波振幅。

这样，利用上述方法对FMD实施前的电阻抗信号Z₀(t)进行分析，可得FMD实施前的3个特征参数：f_c0,E_c0,A_c0,对FMD实施后的电阻抗信号Z_F(t)进行类似分析，可得FMD实施后的另外3个特征参数：f_cF,E_cF,A_cF，进一步，计算特征频率、绝对能量、平均振幅在FMD实施前后的相对变化百分比：

$\mathrm{\Δ}f=\frac{f_0-f_F}{f_0}\×100\%---\left(14\right)$

$\mathrm{\Δ}E=\frac{E_0-E_F}{E_0}\×100\%---\left(15\right)$

$\mathrm{\Δ}A=\frac{A_0-A_F}{A_0}\×100\%---\left(16\right)$

附图说明

图1是电阻抗法测量FMD结构示意图。

图2是图1中动脉等效圆筒。

图3是本发明的结构框图。

图4是FMD实施前静息状态实测的前臂电阻抗信号(10-50s)。

图5是FMD实施后实测的前臂电阻抗信号(10-50s)。

图6是FMD实施前后前臂电阻抗信号频谱对比图。

具体实施方式

如图1所示,本实施例中，铂金丝作为电极，常规血压计附带的袖带作为肱动脉加压装置。将电极置于待测前臂的两端，上下电极距离1.5cm。用图3所示的检测电路和计算机系统，采集、存储和分析检测信号。

首先检测并记录FMD实施前静息状态前臂电阻抗信号Z₀(t)，如图4所示；用类似常规水银血压计自带的气袖给肱动脉加压，阻断肱动脉血流一定时间(一般3～5分钟左右)后，记录前臂电阻抗信号Z_F(t)，如图5所示；对电阻抗数据Z₀(t)和Z_F(t)选择Morlet小波的小波变换分析，通过公式(6)～(9)即可得到时间平均小波变换下的频谱图。可明显得到五个特征峰如图6所示，然后对频谱图进行分段处理，通过公式(9)～(10)得到频率区间[f_c1,f_c2]内的的特征频率f_c。同时通过公式(10)～(13)可获取在0.005-0.021Hz频带下的特征频率f_c、绝对能量E_c、平均幅值Α_c，并通过公式(14)～(16)算其在FMD实施前后的相对变化百分比Δf、ΔE、ΔA，以9个特征参数f_c0、E_c0、Α_c0、f_cF、E_cF、Α_cF、Δf、ΔE、ΔA来描述肱动脉内皮功能。

Claims (2)

1.一种肱动脉内皮功能的电阻抗检测分析装置，包括检测硬件和分析系统两部分；检测硬件包括前臂上双电极、前臂下双电极、高频低幅恒流源发生器、交流电压检测电路、信号放大器、滤波电路、A/D转换电路和计算机；前臂上双电极置于待测手臂的上部，前臂下双电极置于待测手臂的下部；高频低幅恒流源发生器、前臂上电极和前臂下电极构成电流回路，另一对前臂上下电极和交流电压检测电路构成回路检测电压变化；高频低幅恒流源发生器给前臂上电极和前臂下电极加一个频率ω的高频低幅的恒流电源，使前臂通过一个强度恒定的交流电流I，在前臂长度为L段两端就建立交流电压U；交流电压检测电路检测到的交流电压U经放大器、滤波，A/D转换将模拟的电压信号转换成数字信号输入计算机，并根据如下公式(5)计算电阻抗Z随时间的变化曲线：

$Z=\frac{U}{I}---\left(5\right)$

分析系统包括：对FMD实施前静息状态和实施后的前臂电阻抗信号Z₀(t)和Z_F(t)进行小波分析获得9个特征参数，包括：FMD实施前前臂电阻抗信号Z₀(t)特征频率f_c0、绝对能量E_c0和平均振幅A_c0；FMD实施后前臂电阻抗信号Z_F(t)的特征频率f_cF、绝对能量E_cF和平均振幅A_cF以及FMD实施前后前臂电阻抗信号特征频率、绝对能量、平均振幅的相对变化百分比：Δf、ΔE、ΔA。

2.一种肱动脉内皮功能的电阻抗信号分析方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种肱动脉内皮功能的电阻抗检测分析装置分别检测FMD实施前静息状态和实施后的前臂电阻抗信号Z₀(t)和Z_F(t)；对前臂电阻抗信号Z₀(t)和Z_F(t)进行小波分析获得特征参数：

对于电阻抗信号Z(t)，t∈[t₁,t₂]，该信号的连续小波变换被定义为:

$\tilde{Z}(s,t)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ψ}}}_{s,t}\left(u\right)Z\left(u\right)du---\left(6\right)$

其中，是基函数Ψ_s,t的共轭，基函数Ψ_s,t是母小波ψ(t)经过时间平移t和尺度伸缩s变换得到：

${\mathrm{\Ψ}}_{s,t}\left(u\right)=|s{|}^{-1/2}\mathrm{\ψ}\left(\frac{u-t}{s}\right)---\left(7\right)$

通过小波变换后，信号在时间尺度上的能量密度被定义为：

$\mathrm{\ρ}(s,t)=C^{-1}\left|s{|}^{-2}\right|\tilde{Z}(s,t){|}^2---\left(8\right)$

选择用Morlet母小波进行时频分析，其中，Morlet小波的时域表达式如下：

$\mathrm{\ψ}\left(u\right)=\frac{1}{\sqrt[4]{\mathrm{\π}}}{e}^{-{\mathrm{i\ω}}_{0}u}{e}^{-u^2/2}---\left(9\right)$

其中，ω₀＝2π，C的值取决于母小波的形状， 是Ψ_s,t(u)的傅里叶变换；

对连续的电阻抗波形Z(t)进行小波分析，得到具有五个特征峰的频谱图，频谱区间为0.0005-2.0Hz。其中，频率区间0.005-0.021Hz对应动脉内皮的生理活动，计算频谱图中该频率区间的特征频率f_c、绝对能量E_c、平均振幅Α_c：

(1)特征频率f_i

$A\left(f\right)=\frac{1}{(t_2-t_1)}{\∫}_{t_1}^{t_2}\left|\tilde{Z}(f,t)\right|dt,f=\frac{1}{s}---\left(10\right)$

在频率区间0.005-0.021Hz内取Α(f)的极大值Α(f_p1),Α(f_p2),Α(f_p3)…，若f_c满足

Α(f_c)＝max(Α(f_p1),Α(f_p2),Α(f_p2),…)(11)

则f_c为频率区间[f_c1,f_c2]内的特征频率；

(2)绝对能量E_c

$E_c(f_{c1},f_{c2})=\frac{1}{(f_{c2}-f_{c1})(t_2-t_1)}{\∫}_{t_1}^{t_2}{\∫}_{1/f_{c2}}^{1/f_{c1}}\frac{1}{s^2}|\tilde{Z}(s,t){|}^{2}dsdt---\left(12\right)$

(3)平均振幅Α_c

$A_c(f_{c1},f_{c2})=\frac{1}{(f_{c2}-f_{c1})(t_2-t_1)}{\∫}_{t_1}^{t_2}{\∫}_{1/f_{c2}}^{1/f_{c1}}\frac{1}{s^2}\left|\tilde{Z}(s,t)\right|dsdt---\left(13\right)$

其中，E_c(f_c1,f_c2)表示信号在频率间隔[f_c1,f_c2]和时间间隔[t₁,t₂]内的能量；Α_c(f_c1,f_c2)表示在频率间隔[f_c1,f_c2]和时间间隔[t₁,t₂]内的平均小波振幅；

计算可获得FMD实施前后共的6个特征参数:f_c0、E_c0、A_c0、f_cF、E_cF、A_cF；分别计算特征频率、绝对能量、平均振幅在FMD实施前后的相对变化百分比：

$\mathrm{\Δ}f=\frac{f_0-f_F}{f_0}\×100\%---\left(14\right)$

$\mathrm{\Δ}E=\frac{E_0-E_F}{E_0}\×100\%---\left(15\right)$

$\mathrm{\Δ}A=\frac{A_0-A_F}{A_0}\×100\%---\left(16\right).$