CN1201700C - 导管测量血流的装置 - Google Patents

Abstract

一种导管测量血流的装置，是根据皮托管原理，当流体流过导管时，在导管顶孔(12)和侧孔(13)会产生压力差，这个压力差与流速一一对应，可以通过测量这个压力差达到测量血流速度的目的，同时，可以通过测量侧孔(13)的压力达到测量血压的目的。本发明的装置包含有双腔(或多腔)空心导管(1)、差压传感器(2)、三运放放大器(6)、减法器(7)、分压器(8)、显示器(9)、记录器(10)、电源(11)。本发明装置操作简单、性能可靠、价格低廉，可以测量和记录血流的动态变化，并且可以实现血流和血压变化的同步测量和记录，是适用于心血管导管术场合下的血流测量装置，可以满足临床和研究中血压和血流同步测量和记录的需要。

Description

导管测量血流的装置

所属技术领域

本发明属于流量测量装置，尤其是导管测量血流的装置，适用于心血管导管术场合下的血流测量装置。

背景技术

在本发明作出之前，血流测量通常采用超声多普勒法、核磁共振法、光学法、稀释法、自相关法、电磁血流钳等。超声多普勒法是根据超声波在遇到运动物体(如血细胞)后，其超声频率发生偏移的现象测量血管内血流。这种测量精度受血流性质、取样容积、取样位置、探头角度、探头压迫力等多种因素的影响，存在不能与其它血流动力学参数同步记录等问题。核磁共振法是利用在恒定线性磁场梯度中施加恒定强度的共振射频脉冲，组织或器官动脉中水的质子旋转转变为稳态方式，结果是绝热快速通道诱导的旋转沿磁场梯度方向上移动，由此根据核磁共振的成像测出水的流速，即为血流速度。这种方法主要用于局部脑血流与脑功能的研究，操作复杂，医疗费用高。光学法是将一束光投到血细胞上，血细胞可以散射部分入射光，同时部分成为反射光，根据反射光的强度可以测量血流，光源可以是激光。这种方法只适用于具有光透性血管，如微循环、眼底血管等。稀释法是根据费克原理，在一个闭合流体回路中的供点加入一定浓度的指示剂，这个指示剂在流动流体的带动下被运载到回路中的受点，受点指示剂浓度发生了变化，这个变化与流动流体的流速有关，根据这个变化可以测量血流。稀释指示剂可以是染料、同位素、冷水等，因此稀释法有Kety-Schmidt法、¹³¹Xe稀释法、热稀释法等等。这种方法只能测量出一段时间内的平均血流量，不能反映实时、动态的血流量变化。自相关法是在血管外壁放置四个构成X交叉状的超声发射器和接受器，当血流中的细胞流过超声区，则一组超声发射器和接受器构成流速上行，另一组为下行。由于血流中有多个血细胞，它们都对超声产生散射和反射，这样接受超声形成频谱，这些频谱通过相关处理可以测量血流速度。电磁血流钳是将血管置于电磁场中，血液中含有大量的电解质，当这些电解质通过电磁场时产生电磁感应，电解质的流速与感应电势成正比。自相关法和电磁血流计都须在开心手术中使用。

Tanabe等曾发明将温度传感器装置在导管顶部和侧部，这支导管从上腔静脉插入右心房，经过三尖瓣和右心室到达肺动脉，使导管顶部温度传感器和侧部温度传感器正好分别位于肺动脉入口和右心房入口。利用热稀释法测量心输出量和心脏血流。Ferek-Petric等曾发明了一种将3-4个电极分别装置在导管顶部和侧部不同位置的心脏起搏导管，这支导管从上腔静脉通过右心房和三尖瓣插到右心室，使导管顶部电极位于右心室顶，侧部电极位于三尖瓣处。由于电极附近血液的离子分布被血流速度调节，因此血流将引起过电压密度的变化，通过电极电压的测量可以获得流经三尖瓣的血流速度。Segal曾发明了一种贴血管内壁的超声导管，这种导管有一个圆弓，可以支撑血管壁，导管顶部装置了一个多普勒偏移传感器，并且根据多普勒效应测量血流速度。

近几十年来，临床血流动力学发展迅速，出现了漂浮导管术等一些医疗新技术。然而，至今临床上都是将导管作为单一功能使用，例如压力监测导管只用于传递血管或心室的压力，留置导管只用于传输药物或取样。

发明内容

导管测量血流的方法是将一支导管通过动脉或静脉插入到血流测量点部位，当血流迎着导管流动时，由导管管腔引导的体外正负导压接嘴上可以获得压力差p₁-p₂，这个压力差与血流有一一对应关系，可以通过测量压力差获得血流速度。同时，可以通过测量负导压接嘴的压力p₂获得血管内的血压。

导管测量血流方法所采用的装置，包含有导管、差压传感器、三运放放大器、减法器、分压器、显示器、记录器、电源，在导管的顶端开一个顶孔，并用一个管腔连通引导到体外的正导压接嘴，在导管的侧端开一个侧孔，并用另一个管腔连通引导到体外的负导压接嘴，导管可以是双腔，也可以是多腔，当导管多腔时，顶端仍开一个顶孔，并用一个管腔连通引导到体外的正导压接嘴，而侧端开多个侧孔，并用相应数量的管腔连通引导到体外相应数量的负导压接嘴，这些负导压接嘴用三通阀连接，最终成为一个负导压接嘴，正导压接嘴与差压传感器正输入接嘴连接，负导压接嘴与差压传感器负输入接嘴连接，差压传感器由压力容腔和敏感元件组成，差压传感器通过传输线与三运放放大器的输入端连接，三运放放大器的输出与减法器的输入连接、分压器的输出与减法器输入连接，减法器通过输出线分别与显示器的输入和记录器的输入连接，电源分别与三运放放大器、减法器、分压器、显示器、记录器连接。

三运放放大器的放大倍数限制在2-5倍，减法器正相端信号为三运放放大器的输出信号，反相端信号为分压器的输出信号，减法器的放大倍数为1至∞，分压器的分压值可调范围为减法器供电电源的±80％，显示器为3-6位的荧光数码管或液晶数码管，电源由电池供电，减法器的输出信号可以接入心电图机的外接输入接口(EXT)。

本发明利用在心血管导管术场合下，用导管进行血流测量，具有操作简单、性能可靠、价格低廉等特点，为心血管导管术、心脏动力学研究提供一种有效的血流测量方法。适用于心功能检测、脑代谢功能检测等医疗场合中的血流测量。

附图说明

图1是导管测量血流装置的示意图。

图2是双腔导管截面图。

图3是双腔导管原理图。

图4是三腔导管截面图。

图5是三腔导管原理图。

图6是脑静脉血流图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明加以详细说明。

实施例1：参见图1、图2、图3、图4、图5，导管测量血流方法所采用的装置，包含有导管1、差压传感器2、三运放放大器6、减法器7、分压器8、显示器9、记录器10、电源11，分别说明如下：

参见图2、图3，导管1的顶端和侧端分别开有顶孔12和侧孔13，顶孔12引导管腔19的正导压接嘴14与差压传感器2正输入接嘴17连接，侧孔13引导管腔20的负导压接嘴15与差压传感器2负输入接嘴18连接，使差压传感器2可以接受由血流引起的差压信号。参见图4、图5，导管1可以是双腔，也可以是多腔，当导管1是三腔导管(多腔导管的一种)时，导管1的顶孔12引导管腔19的正导压接嘴14与差压传感器2正输入接嘴17连接，而两个侧孔13引导两个管腔20和21的负导压接嘴15，这两个负导压接嘴15用三通阀16连接，最终三通阀16的输出与差压传感器2的负输入接嘴18连接。

差压传感器2是由压力容腔3和敏感元件4组成，其中敏感元件4可以是硅膜上单X型压敏电阻，导管1顶端压力和侧端压力通过导管引入到压力容腔3中，敏感元件4将压力容腔3分成两个腔，这两个腔分别与正导压接嘴14和负导压接嘴15连接。当正导压接嘴14和负导压接嘴15的压力不等形成差压时，则敏感元件4感受这个差压，并通过差压传感器2激励电源转变为电信号输出。在零差压时，差压传感器2约有激励电源40％的初始电压输出。

三运放放大器6是传统的仪表放大器，对反映敏感元件4变化量的电信号进行直流放大，放大倍数限制在2-5倍，以防止放大器输入电压过大时，三运放放大器6饱和而产生信号阻塞现象。

三运放放大器6的输出中包括了初始电压和信号电压，初始电压是引起放大器饱和的主要根源，信号电压中包含了反映舒张期血流的直流分量和反映射血期血流的交变分量。减法器7用于消除舒张期血流的直流分量，即放大器的初始电压，以扩大射血期血流交变分量的测量范围。减法器7放大倍数根据不同血流测量部位可以调节，对血流高的部位，如主动脉，放大倍数为低；对血流低的部位，如颈静脉，放大倍数可以高。调节放大倍数有两个目的：一是在减法器7输出不被饱和的前提下，获得血流计最高灵敏度；二是实现差压-电压的归一化处理，因此，减法器7的放大倍数为1至∞。

分压器8为减法器7提供减数信号，分压值是一个可调量，可调范围为减法器7供电电源的±80％，利用分压器8可以对整个系统的调零。

显示器9的输入信号来自于减法器7的输出，用于指示由血流在导管上所产生的差压，该显示器9可以用A/D转换电路以及3-6位的荧光数码管或液晶数码管组成，其时钟频率f₀＝48kHz，转换电路量程为2V。

记录器10的输入信号也是来自于减法器7的输出，用于记录由血流在导管上产生差压的波形，该记录器10可以用心电图机替代，可以将减法器7的输出接入心电图机的外接输入接口(EXT)。

该测量装置的电源11采用4节2号伏特电池供电方式，心电图机具有浮地电路，这些措施足以使漏电流限制在10μA以下，防止微电击。

本发明的导管测量血流的方法，其工作原理是利用皮托管原理测量流量。参见图3，双腔导管示意图，其中一腔的开口12在导管的顶端，另一腔的开口13在导管的侧端，当密度为ρ(kg/m³)的血流迎着导管1方向流动到导管顶口12时，血流速度减至为零，表明血流在导管顶口12发生停驻现象，因此，顶口12也可称为驻点。顶端的流体状态：压力为p₁(Pa)，流速u₁＝0；当血流平行流过导管侧端时，血流的流体状态：压力为p₂(Pa)，流速u₂(m/s)，流速u₂与血管中的血流u相同，即u₂＝u，血流方向与导管轴向不能大于15°，并且血流流态保持层流，即雷诺数在10²～10⁵范围内。根据伯努里原理，顶端的机械能与侧端相等：

$\frac{p_1}{\mathrm{\ρ}}=\frac{p_2}{\mathrm{\ρ}}+\frac{u_2^2}{2}---------\left(1\right)$

由(1)式可以得到血流流速(m/s)为：

$u=u_2=\sqrt{\frac{2(p_1-p_2)}{\mathrm{\ρ}}}--------\left(2\right)$

从(2)式可以看到，血流流速u与导管顶口12、侧口13两点差压的开方成正比。我们只要测量顶端和侧端两点的差压即可测量血流流速u，事实上，导管顶端的压力p₁是由血流在顶端12减速运动所产生的惯性力和血管内压力两部分组成，而侧端的压力p₂仅为血管内的压力，因此，通过测量侧端的压力p₂可测量血管内的血压。

实施例2：

一例胆囊切除志愿者，年龄45岁，体重67Kg，血色素13.4g/dl。术前用鲁米那钠0.1g，阿托品0.5mg肌注。用Φ2箭牌(ARROW)双腔导管做颈内静脉逆行插管。用异丙酚120mg，芬太尼0.3mg，卡肌宁25mg全麻2小时。麻醉维持异丙酚8mg/Kg·h，芬太尼2μg/Kg·h，卡肌宁0.5mg/Kg·h。全程机械通气16次/分，潮气量750ml。术中监护ECG，尿量，SaO₂，MAP。其中MAP在11.6-12.7KPa，SaO₂为100％。在正常情况下，血液密度ρ＝1020kg/m³，颈静脉血流约为50cm/s。根据(1)式估计在这个血流下约有128Pa的差压，为此，调节三运放放大器放大倍数使量程为200Pa。记录器为6511心电图机，走纸速度25mm/s，零线在记录图的中线。

图6为用导管记录下来的以压差为量度的脑静脉血流图。其中A组是麻醉前，B组是麻醉中，C组是复苏中。从这个脑血流图获得以下几个结果：

(1)在A组脑血流图中，明显地记录到低频分量的呼吸波；B组反映了在麻醉中脑代谢降低，从而脑血流也降低，所记录到的脑血流图为呼吸波；C组是在停止呼吸机工作，记录到没有呼吸波干扰的复苏期脑静脉血流图。

(2)导管血流测量明显记录了脑血流射血的动态变化。射血周期可以从记录纸长度和速度计算获得：17.5(mm)/25(mm/s)＝0.7s，它与心电监护的心率86次/分比较是一致的。因此，通过记录的脑血流图很好地看出心动周期。

(3)根据A组图，射血流的压差约为

从(2)式可以获得麻醉前颈静脉血流约为56cm/s。这与正常值是相近的。

从图6记录的脑静脉血流图观察，导管可以完整地记录血流的动态变化。所记录到的血流图周期图线与心动周期一致，有明显生理学意义。导管血流测量是一种有创测量，它仅适合于在血流动力学监测或重症监护中使用。在有创血压测量中，将测压导管改用双腔导管，可以在不增加任何导管的基础上，用一支导管完成血压和血流两个参数的测量。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.导管测量血流的装置，其特征是：包含导管(1)、差压传感器(2)、三运放放大器(6)、减法器(7)、分压器(8)、显示器(9)、记录器(10)、电源(11)，导管(1)的顶端和侧端分别开有顶孔(12)和侧孔(13)，顶孔(12)引导的管腔与正导压接嘴(14)连接，侧孔(13)引导的管腔与负导压接嘴(15)连接，正导压接嘴(14)和负导压接嘴(15)分别与差压传感器(2)的正输入接嘴(17)和负输入接嘴(18)连接，差压传感器(2)由压力容腔(3)和敏感元件(4)组成，差压传感器(2)通过传输线(5)与三运放放大器(6)的输入端连接，三运放放大器(6)的输出与减法器(7)的输入连接、分压器(8)的输出与减法器(7)输入连接，减法器(7)的输出分别与显示器(9)的输入和记录器(10)的输入连接，电源(11)分别与三运放放大器(6)、减法器(7)、分压器(8)、显示器(9)、记录器(10)连接。

2.根据权利要求1所述的导管测量血流方法的装置，其特征是：导管(1)为双腔或多腔，双腔导管(1)连接体外一个正导压接嘴(14)和一个负导压接嘴(15)，多腔导管(1)连接体外的一个正导压接嘴(14)和相应数量的负导压接嘴(15)，多个负导压接嘴(15)用三通阀(16)连接。

3.根据权利要求1所述的导管测量血流方法的装置，其特征是：三运放放大器(6)放大倍数限制在2-5倍。

4.根据权利要求1所述的导管测量血流方法的装置，其特征是：减法器(7)正相端信号为三运放放大器(6)的输出信号，反相端信号为分压器(8)的输出信号。

5.根据权利要求1所述的导管测量血流方法的装置，其特征是：减法器(7)的放大倍数为1至∞。

6.根据权利要求1所述的导管测量血流方法的装置，其特征是：分压器(8)的分压值可调范围为减法器(4)供电电源的±80％。

7.根据权利要求1所述的导管测量血流方法的装置，其特征是：减法器的输出信号可以接入心电图机的外接输入接口。

8.根据权利要求1所述的导管测量血流方法的装置，其特征是：电源(11)由电池供电。

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