專利名稱：血液循環(huán)動力學(xué)分析儀及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該專利屬于生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)療器械、循環(huán)系統(tǒng)分析的技術(shù)范疇，提供了心腦血管疾病早期預(yù)警的生理參數(shù)分析方法，適用于醫(yī)學(xué)診斷、個人保健、家庭護理等場合。
背景技術(shù)：
心腦血管疾病診斷的常規(guī)設(shè)備包括血壓計、脈搏圖儀、中醫(yī)脈象儀、心電圖儀、超聲心動圖儀、計算機斷層掃描儀、磁共振成像儀等，但是，這些檢查設(shè)備往往適用于心腦血管疾病已經(jīng)出現(xiàn)形態(tài)學(xué)改變和臨床癥狀的病人，而對于亞健康的病人，這些設(shè)備就無濟于事，無法對血液循環(huán)系統(tǒng)的動力學(xué)特性進行分析和評估。往往血液循環(huán)動力學(xué)特征對診斷心腦血管的亞健康狀態(tài)，即臨床早期診斷，有著重要的意義。目前，還沒有一種行之有效的無創(chuàng)的血液循環(huán)動力學(xué)的方法和裝置。
無創(chuàng)的人體血液循環(huán)動力學(xué)參數(shù)的測量是非常困難的，現(xiàn)有的方法和裝置都不能準(zhǔn)確地測量全部的血液循環(huán)動力學(xué)參數(shù)，往往是部分近似地測量。一個完整的流體動力學(xué)系統(tǒng)應(yīng)包括兩部分即液體和液路部分。血液循環(huán)系統(tǒng)中液體就是血液，液路就是血管。血液是粘性液體，血管是贗彈性固體。作為一流體動力學(xué)系統(tǒng)，血液循環(huán)系統(tǒng)可以等效為一個阻尼諧振電路網(wǎng)絡(luò)，阻尼諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率、阻尼系數(shù)、順應(yīng)性和粘性度可分析出來。血液循環(huán)系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)的改變可以用于血管疾病的早期診斷和預(yù)警。

發(fā)明內(nèi)容
本專利發(fā)明了一種血液循環(huán)動力學(xué)分析儀及其方法，解決了在活體的循環(huán)系統(tǒng)的血管網(wǎng)絡(luò)上施加擾動壓力的問題，然后測量血管網(wǎng)絡(luò)的血流量和血容積的響應(yīng)的裝置。同時，解決了根據(jù)血管網(wǎng)絡(luò)的激勵和相應(yīng)關(guān)系分析血液循環(huán)的動力學(xué)特性的方法。


圖1血液循環(huán)動力學(xué)分析儀示意圖1.馬達；2.傳動輪桿；3.活塞；4.氣袋；5.壓力傳感器；6.電磁閥；7.氣泵；8.流速(量)計；9.血容積計圖2血液循環(huán)動力學(xué)分析儀原理框圖。
1.壓力擾動裝置；2.線圈；3.電源；4.壓力傳感器；5.磁性桿；6.活塞；7.氣泵；8.氣袋；9.電磁閥；10.電源；11.機電控制電路；12.信號調(diào)理電路；13.顯示器；14.計算機；15.模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器；16.容積計；17.流速(量)計。
圖3壓力擾動裝置示意圖。
1.馬達；2.傳動輪桿；3.活塞；4.氣袋；5.壓力傳感器；6.電磁閥；7.氣泵；8.線圈；9.磁性桿；10.喇叭。
圖4血液循環(huán)動力學(xué)特性的網(wǎng)絡(luò)分析法。
具體實施方案圖2中的計算機是分析儀的核心，它通過機電控制電路控制著3個機電裝置(線圈、氣泵、電磁閥)的啟動關(guān)斷和工作狀態(tài)；也通過模擬信號轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)3個信號拾取裝置(壓力傳感器、流量(速)計、容積計)的4路信號的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，其中壓力傳感器的輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后產(chǎn)生兩路信號，一路是氣袋壓力信號的平均值，另一路是氣袋壓力信號的交變值，稱為擾動壓力；通過顯示器顯示血液循環(huán)動力學(xué)分析的結(jié)果。
圖2中的壓力擾動裝置在血液循環(huán)動力學(xué)分析過程中提供了輸入，它如同電子學(xué)中的網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號源，不同的是，它提供擾動壓力信號源。擾動壓力信號源是由計算機按程序發(fā)生的交變信號源經(jīng)過機電控制電路施加到線圈上，線圈感應(yīng)的磁場驅(qū)動磁性桿推動活塞運動，活塞運動改變了氣袋內(nèi)壓力作周期性擾動。這時，壓力擾動裝置中的氣袋就如同一個加在血管上的擾動壓力信號源，其幅度和頻率可以通過計算機設(shè)置。
圖2中的流量(速)計、容積計在血液循環(huán)動力學(xué)分析過程中提供了輸出，它如同電子學(xué)中的網(wǎng)絡(luò)輸出，不同的是，它提供是流量信號、容積信號、流速信號。這些信號隨著擾動壓力而變化，根據(jù)擾動壓力和流量之間的關(guān)系，血液循環(huán)動力學(xué)分析儀能夠得到血管網(wǎng)絡(luò)的血液循環(huán)的力學(xué)參數(shù)。
圖3給出了壓力擾動裝置實現(xiàn)的示意圖。圖3(a)中壓力擾動裝置的馬達也可采用圖3(b)中感應(yīng)線圈代替，傳動輪桿采用一個磁性桿代替。圖3(a)中壓力擾動裝置的馬達、傳動桿和活塞還可采用圖3(c)喇叭代替。
血液循環(huán)動力學(xué)分析儀能夠記錄血管網(wǎng)絡(luò)的平均血壓、擾動血壓、血流和血體，這些信號為分析血管網(wǎng)絡(luò)的動力學(xué)特性提供了臨床診斷和研究的實驗基礎(chǔ)。我們可以通過改變擾動血壓的幅度和頻率，來觀察血流和血體的變化，并能夠活體分析人體的血液循環(huán)的力學(xué)特性。
我們采用網(wǎng)絡(luò)分析法來分析血液循環(huán)血管網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)特性。
血液循環(huán)動力學(xué)參數(shù)分析方法由下列步驟組成(1)壓力擾動裝置的氣袋包裹在人體動脈上，將流量(速)計安放在動脈血管下流某處，將容積計安放在動脈血管下流末端某處。流量(速)計可以測得動脈血管內(nèi)血液的流量曲線，容積計可以測得動脈血管內(nèi)血液的流量曲線。
(2)壓力擾動裝置的氣泵將氣袋壓力施加到設(shè)定值(典型值為舒張壓、收縮壓、平均壓等)并保持氣袋壓力穩(wěn)定。氣袋內(nèi)平均壓力不宜過大也不宜過小，設(shè)置在血管血壓的平均值為宜。這樣流量(速)計、容積計度可以測得信號。
(3)壓力擾動裝置的馬達驅(qū)動活塞周期性地改變氣袋擾動壓力，氣袋擾動壓力頻率和幅度設(shè)定值，頻率可以設(shè)為0.05到40Hz間的任意值，幅度可以設(shè)為0到40mmHg間的任意值。氣袋擾動壓力的幅度不宜過大，通常設(shè)置值小于舒張壓和收縮壓差的一半。
(4)在不同頻率和幅度的擾動壓力下，在不同的氣袋平均壓力下，同時采集并記錄壓力擾動裝置的壓力傳感器、流量(速)計、血容積計的信號。對壓力傳感器、流量(速)計、血容積計的信號分別采用離散傅立葉變換，取出壓力傳感器、流量(速)計、血容積計所對應(yīng)的擾動壓力頻率下的頻域信號，計算它們之間的比值，從而可以得到它們之間的傳遞函數(shù)。取傳遞函數(shù)的絕對值(模)從而得到傳遞函數(shù)的幅頻特性曲線，取傳遞函數(shù)的實部從而得到傳遞函數(shù)的血管阻力特性曲線，取傳遞函數(shù)的虛部從而得到傳遞函數(shù)的血管順應(yīng)性特性曲線。
我們還采用定量地分析學(xué)管理學(xué)特性，圖4(a)中Zeff(ω)＝P(ω)/Q(ω)＝R∥+R⊥+jLω+1(jCω)，所以P(ω)＝R∥+R⊥+jLω+1/(jCω)]Q(ω)。通過血液循環(huán)動力學(xué)分析儀測得ωn對應(yīng)的P(ωn)和Q(ωn)，n＝1，2，...，N，將這些值代入前面的方程，求解方程組就可以得到R∥，L，C，R⊥。當(dāng)N＞4時，可以使用最小二乘法求解方程組，從而可以獲得更高的精度。R∥，L，C，R⊥分別對應(yīng)于血管網(wǎng)絡(luò)的剪切阻力、慣性、彈性和伸縮功阻力。
圖4中的等效阻抗Zeff(ω)實部是血管網(wǎng)絡(luò)的等效阻力，虛部是血管網(wǎng)絡(luò)的等效彈性。擾動壓力波p(t)的傅立葉變換記為P(ω)，流量波q(t)的傅立葉變換記為Q(ω)，那么等效阻抗Zeff(ω)＝P(ω)/Q(ω)，我們稱其絕對值為等效阻抗頻譜。如果擾動壓力是正弦信號，通過逐步改變正弦信號的頻率，等效阻抗頻譜的曲線就可得到。如圖4(b)所示，通過分析等效阻抗頻譜的峰值位置和寬度，血管阻力和彈性的大小就能夠被定量地確定。通常，峰值角頻率越大血管的彈性就越小，即彈性與峰值角頻率的平方成反比；譜峰寬度越窄血管的阻力就越小，即阻力與譜峰寬度成反比。
如果忽略血管網(wǎng)絡(luò)的伸縮功阻力，或?qū)⒅械郊羟凶枇ι?，那么圖4(a)的血管網(wǎng)絡(luò)可以等效成圖4(c)。這樣的網(wǎng)絡(luò)分析就變得更加簡單。
(5)根據(jù)記錄的上述信號分析血管阻力、順應(yīng)性、血液慣性、血管伸縮功的特性。計算流量的積分曲線，即可得到體積曲線，根據(jù)體積曲線和壓力的面積確定血管伸縮功，通過圖形表示出來。根據(jù)容積曲線和壓力的面積確定血管伸縮功，通過圖形表示出來。
權(quán)利要求
1.血液循環(huán)動力學(xué)分析儀用于分析人體的血液循環(huán)動力學(xué)特性，其中包括血管阻力(也稱剪切阻力)、血管彈性(也稱順應(yīng)性)、血管伸縮功(也稱伸縮阻力)、血液慣性(也稱血液沖量)等特性，其特征為含有一個計算機、壓力擾動裝置、一個流量(速)計、一個容積計、一個顯示器、一個信號調(diào)理電路、一個數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、一個機電控制電路、一個電源，其中計算機控制壓力擾動裝置給血管施加平均壓力和交變的擾動壓力，同時控制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器采集流量(速)計和容積計的信號，顯示器用于顯示人機交互界面和分析結(jié)果。
2.權(quán)利要求1所述的血液循環(huán)動力學(xué)分析儀，其進一步特征為壓力擾動裝置包含氣袋、馬達、活塞、壓力傳感器、氣泵、電磁閥、傳動輪桿、氣體管道，其作用是給血管施加平均壓力和交變的擾動壓力。
3.權(quán)利要求1所述的血液循環(huán)動力學(xué)分析儀，其進一步特征為在計算機控制下，流量(速)計用于記錄壓力擾動裝置作用下血管中血流量的變化。
4.權(quán)利要求1所述的血液循環(huán)動力學(xué)分析儀，其進一步特征為在計算機控制下，容積計用于記錄壓力擾動裝置作用下組織中血容積的變化，容積計還能夠紀(jì)錄擾動裝置作用下組織中血氧飽和度的變化，容積計的傳感器采用雙波段的光學(xué)傳感器。
5.權(quán)利要求1所述的血液循環(huán)動力學(xué)分析儀，其進一步特征為在計算機控制下，壓力傳感器用于記錄壓力擾動裝置的氣袋內(nèi)的平均壓力和擾動壓力的變化。
6.權(quán)利要求1所述的血液循環(huán)動力學(xué)分析儀，其進一步特征為壓力擾動裝置、流量(速)計、容積計、顯示器在計算機協(xié)調(diào)下工作，同時采集壓力擾動裝置的氣袋內(nèi)壓力傳感器、流量(速)計、容積計的信號波形。
7.權(quán)利要求2所述的壓力擾動裝置，其進一步特征為它能夠在計算機的控制下以一定的頻率和幅度擾動氣袋內(nèi)的壓力。
8.權(quán)利要求2所述的壓力擾動裝置，其進一步特征為壓力擾動裝置的馬達采用一個感應(yīng)線圈代替，傳動輪桿采用一個磁性桿代替，或者活塞、馬達和傳動桿輪用一個喇叭代替。
9.血液循環(huán)動力學(xué)參數(shù)分析方法由下列步驟組成(1)壓力擾動裝置的氣袋包裹在人體動脈上，將流量(速)計安放在動脈血管下流某處，將容積計安放在動脈血管下流末端某處；(2)壓力擾動裝置的氣泵將氣袋壓力施加到設(shè)定值(典型值為舒張壓、收縮壓、平均壓等)并保持氣袋壓力穩(wěn)定；(3)壓力擾動裝置的馬達驅(qū)動活塞周期性地改變氣袋擾動壓力，氣袋擾動壓力頻率和幅度設(shè)定值，頻率可以設(shè)為0.05到40Hz間的任意值，幅度可以設(shè)為0到40mmHg間的任意值；(4)在不同頻率和幅度的擾動壓力下，在不同的氣袋平均壓力下，同時采集并記錄壓力擾動裝置的壓力傳感器、流量(速)計、血容積計的信號；(5)根據(jù)記錄的上述信號分析血管阻力、順應(yīng)性、血液慣性、血管伸縮功的特性。
10.權(quán)利要求9所述的血液循環(huán)動力學(xué)參數(shù)分析方法，其進一步特征為利用離散傅立葉變換從流量(速)和容積的信號中提取與擾動壓力頻率相同的信號成分，利用離散傅立葉變換從流量(速)和容積的信號中過濾心臟脈動相關(guān)的信號成分。
11.權(quán)利要求9所述的血液循環(huán)動力學(xué)參數(shù)分析方法，其進一步特征為利用離散傅立葉變換計算壓力-流量和壓力-容積之間的傳遞函數(shù)，通過頻域網(wǎng)絡(luò)分析法分析血管阻力、血管彈性、血管伸縮功、血液慣性的特性，
12.權(quán)利要求9所述的血液循環(huán)動力學(xué)參數(shù)分析方法，其進一步特征為采用血壓-血流-血體的相空間曲線，計算血管阻力、血管彈性、血管伸縮功、血液慣性。
全文摘要
本發(fā)明一種血液循環(huán)動力學(xué)分析儀及其方法，設(shè)計了在活體的循環(huán)系統(tǒng)的血管網(wǎng)絡(luò)上施加擾動壓力，并且測量血管網(wǎng)絡(luò)的血流量響應(yīng)和血容積的裝置。同時，實現(xiàn)了根據(jù)血管網(wǎng)絡(luò)的壓力激勵和流量響應(yīng)或容積響應(yīng)的關(guān)系分析血液循環(huán)的力學(xué)特性的方法。
文檔編號G06F19/00GK1965754SQ20051011516
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月15日
發(fā)明者王衛(wèi)東 申請人:王衛(wèi)東