專利名稱：復(fù)數(shù)型外周阻力方案檢測活體動脈順應(yīng)性的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于人體和動物血液循環(huán)系統(tǒng)的生物力學(xué)檢測技術(shù)。
本發(fā)明涉及一種將動脈血管床的血液流出外周阻力，考慮成特定的復(fù)數(shù)型阻力，來進行活體動脈順應(yīng)性檢測的實施方法和設(shè)備。本發(fā)明用于人體或?qū)嶒瀯游锏膭用}順應(yīng)性的活體無創(chuàng)傷檢測，可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)的研究和臨床中檢測動脈的彈性狀況，對分析和判斷動脈的硬化和老化情況有重要意義。
動脈的硬化(即彈性變差)，以及與之密切相關(guān)的心腦血管疾病，是影響人類個體的健康和壽命的一個極其重要的因素。動脈的彈性數(shù)據(jù)本身，在血液循環(huán)系統(tǒng)中也是一項重要的生理學(xué)指標。本發(fā)明通過更正以前所有相關(guān)理論和產(chǎn)品中的有悖于公知的基本生理事實的一個共同的理論錯誤，用本專利提出的技術(shù)實施方案達到了遠更為準確地在活體上無創(chuàng)傷檢測末枝器官的動脈順應(yīng)性，從而提供一個可信的間接評價動脈硬化程度的重要檢驗指標。由于這種方法應(yīng)用的簡便性，又達到前所未有的準確度，在生物與醫(yī)學(xué)的研究領(lǐng)域和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣寬的應(yīng)用前景。例如，測量人體的頸總動脈下游的C(p)，可以有助于評價顱內(nèi)頸動脈系血管床的硬化情況(因其下游血管為顱內(nèi)的大腦中前動脈系和顱外的面頷動脈系)。例如，測量手腕處橈動脈下游的C(p)，將手作為人體器官的一個代表，可以方便地用來估評人體整個動脈系統(tǒng)的硬化和老化情況。
動脈順應(yīng)性(Compliance)，即動脈腔的體積對腔內(nèi)壓力變化的順應(yīng)性，定義為C(p)＝
。其中V為動脈腔體積，p為腔內(nèi)灌注壓力。動脈順應(yīng)性C的物理意義即表示，相對于灌注壓p的單位改變量，動脈腔的體積彈性改變量。C表達了動脈腔的一種生理屬性，與動脈腔的彈性指標有較為直接的關(guān)系。
在討論從活體上檢測動脈順應(yīng)性時，以下幾點是必需的1.動脈腔的灌注壓力p(t)，2.流入血流量qin(t)，3.流出血流量qout(t)，(其中t是時間)?；娟P(guān)系為C=dVdp=d(qin(t)-qout(t))dp(t)---(1)]]>其中p(t)，qin(t)可以直接或間接測量得到，在一般血循環(huán)的末梢器官(如頭，手，足，肺，肝......)，qout(t)是經(jīng)彌散分布的無數(shù)毛細血管流出去的。通常稱
為外周阻力，外周阻力主要是動脈下游毛細血管床的總和阻力。
在所有現(xiàn)有技術(shù)中，都將外周阻力處理成一個實型數(shù)值，如用符號R表示，則有基本關(guān)系qout(t)=p(t)R---(2)]]>討論動脈順應(yīng)性和外周阻力的傳統(tǒng)理論，有傳統(tǒng)的風(fēng)腔模型(Windkessel)(已有三百年)，改進的三元件及多元件風(fēng)腔模型(例如Westerhof，1972；吉村正藏，1979)。在所有傳統(tǒng)理論中，都一致使用實數(shù)型的外周阻力。從現(xiàn)有專利文獻看，日本專利昭55-143132；中華人民共和國專利公開號CN 1044899A，在檢測動脈的有關(guān)參數(shù)的模型中，都使用了該種實數(shù)型的外周阻力。在近20多年來討論體循環(huán)或器官循環(huán)的動脈順應(yīng)性的公開專業(yè)文獻中，也全部都是使用實數(shù)型外周阻力的。當前市場上用于檢測活體動脈順應(yīng)性的醫(yī)療儀器，如日本林電器公司的QFM 1000，QFM 2000，中國上海仁和醫(yī)療設(shè)備公司的LH450等，都是將外周阻力處理成實數(shù)型量來檢測的。
由于活體動脈在心臟搏動的條件下，p(t)總是大幅度波動的，(2)式中實數(shù)型的外周阻力R，決定了輸出流量qout(t)與p(t)呈正比例地大幅度波動。但是，幾十年來公知的實驗觀察事實卻是，活體上流經(jīng)毛細血管的總和血流(即qout(t))，應(yīng)該是非常近似為定常流(流速恒定)。即盡管灌注壓力p(t)在脈動變化，但毛細血流中，觀察不到同樣波形的脈動，甚至在平穩(wěn)心臟搏動的周期p(t)條件下，毛細總和血流是流速近乎不變的(即定常流)。毛細血流能順應(yīng)極緩慢的(相對心律而言)灌注壓的變化而緩慢改變，但對相對快速的灌注壓的變化不作反應(yīng)。這表明，用實數(shù)型外周阻力，由(2)式人為地認定毛細血流與p(t)以同樣波形變化，是有悖于已知基本生理事實的一個錯誤。這樣一個理論的錯誤導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)在求取活體的動脈順應(yīng)性時，人為地將一部分的變化體積認為從qout(t)流走了。換言之，原本從qin(t)脈動進入動脈腔的血液體積，其脈動變化成分本應(yīng)該基本由動脈腔的體積彈性變化來承受，但因為實數(shù)型外周阻力的錯誤的先驗性理論假設(shè)，被違背生理實際地認為其中的一大部分變化體積經(jīng)qout(t)的脈動而流出去了，從而導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)中，動脈腔的計算體積變化量大大小于生理實際，使由(1)，(2)式計算出來的動脈順應(yīng)性C與生理實際相比有重大的誤差。這種誤差完全是因為現(xiàn)有理論和方法將外周阻力處理成實型數(shù)值的理論錯誤引起的。
本發(fā)明創(chuàng)新提出用一個復(fù)數(shù)型的外周阻力，來表達動脈腔的血流最終經(jīng)過毛細血管床流出所受到的制約—這樣一種阻力型的生理參數(shù)。該復(fù)數(shù)型外周阻力的數(shù)學(xué)表達為Z＝Rμ+jw0Lμ(3)其中，Rμ為下游血管網(wǎng)的整體粘性阻力，Lμ為粘性慣性阻尼，j＝
w0為心率的的圓頻率，w0＝πHt/30，Ht為每分鐘心博次數(shù)，π為圓周率。
Z主要來自毛細血管的總和阻力。
于是基本關(guān)系(2)改變?yōu)閝out(t)=p(t)Z=p(t)Rμ+jw0Lμ---(4)]]>本發(fā)明提出，Lμ的取值應(yīng)滿足w0Lμ＞＞Rμ(5)從而可以實現(xiàn)動脈腔在平穩(wěn)心臟搏動引起的波動的灌注壓力下，經(jīng)毛細血管流出的血液流卻是非常近似為定常流(恒定流速)的條件。對正確檢測活體動脈順應(yīng)性，本發(fā)明的改進是重要的。
本發(fā)明提出的技術(shù)方案還包括1.在復(fù)數(shù)型外周阻力Rμ+jw0Lμ(w0Lμ＞＞Rμ)的模型條件下，描述動脈腔內(nèi)血液流動的微分方程為LμRμd2pdt2+(C+LμRμdCdt)dpdt+p-pvRμ=LμRμdqindt+qin---(6)]]>其中，qin＝qin(t)為動脈入口流量的時間函數(shù)，t為時間，p＝p(t)為動脈腔入口壓力的時間函數(shù)，pv為毛細血管后的靜脈背壓，其余符號如前述。
2.條件w0Lμ＞＞Rμ在平穩(wěn)心搏的條件下還可以近似處理成Lμ→∞，從而微分方程(6)還可以近似簡化為Cdpdt=qin-qin----(7)]]>其中qin-=1T∫0Tqindt,]]>為平均流量，T為心搏周期。
此種近似的實質(zhì)是用毛細血管血流量假定為完全定常流來替代真實條件的非常近似定常流。微分方程(6)，(7)引起的差別體現(xiàn)在討論非穩(wěn)定心搏時，問題涉及在很多次心搏的時間中血流變化的情況下。
3.本發(fā)明提出一種基于微分方程(6)或(7)，用最小二乘法擬合計算活體動脈順應(yīng)性C(p)的方法，其特點是可以在活體上通過檢測動脈入口處的壓力函數(shù)p(t)和流量函數(shù)qin(t)，直接分析得到測試點下游動脈系統(tǒng)的體積與壓力關(guān)系V(p)和動脈順應(yīng)性與壓力關(guān)系C(p)=dVdp]]>。
具體過程為，將動脈體積函數(shù)V(p)在下列三類函數(shù)類型之中選擇a.V(p)＝
+con 待定系數(shù)a，b，c，con＝V(0)b.V(p)＝fegp-h+con 待定系數(shù)f，g，h，con＝V(0)c.V(p)＝mp+n+V(p0) 待定系數(shù)m，n將實驗測試到的p(t)和qin(t)經(jīng)數(shù)字離散化后代入方程(6)或(7)，用函數(shù)a或b或c替代V(p)，用最小二乘法擬合程序運算，求得相應(yīng)待定系數(shù)最佳擬合值，得到體積-壓力函數(shù)的逼近表達式V(p)，然后通過C(p)＝dV/dp計算得到動脈順應(yīng)性。在作最小二乘法擬合運算中，可以采用諸如最優(yōu)梯度法(一種公知的基本的程序算法，又稱共軛斜量法)等有效算法。
計算截斷均方根誤差Q可評價所選擇函數(shù)類型的優(yōu)劣Q=1nΣi=1n(Vi-V0-Yi)2----(8)]]>其中，n為離散化點數(shù)，i為離散化采樣點序號，Vi為由結(jié)果函數(shù)計算得到的體積，Yi為由流入流量qin計算得到的體積。
4.本發(fā)明還提出，可以較為更簡便地用計算公式從p(t)，qin(t)直接近似地計算動脈順應(yīng)性Co公式為
其中，p0為時間t＝0時對應(yīng)的動脈壓，p°為t°時對應(yīng)的動脈壓。例如可取p0＝pd，t°可取p°＝ps對應(yīng)的時間，pd為舒張壓，ps為收縮壓(分別是動脈腔壓力在心動周期內(nèi)的最大點與最小點)，b為引用常數(shù)，b＝-0.0131，e為自然對數(shù)的底。
在討論主動脈弓下游(體主循環(huán))的動脈順應(yīng)性時，由于位置緊靠左心室出口，動脈入口血流的特點是，心室收縮期完成心動周期的全部血流量(射血)，舒張期血流量近似為零(閉鎖)，取p0＝pd，p°＝p*，為收縮期末Ts則對應(yīng)的壓力，∫0Tsqindt=∫0Tqindt=Tqin-,]]>T為心動周期，從而(9)可以簡化為C(p)=(T-Ts)qin-eb-p*-eb-pdb-eb-p---(10)]]>以上方法和公式(5)～(10)都是基于復(fù)數(shù)型外周阻力方案導(dǎo)出，因而都是創(chuàng)新的。
5.本發(fā)明提出一種按照上述方法實現(xiàn)檢測活體動脈順應(yīng)性的技術(shù)實施方案。其方法是在檢測一個動脈入口的下游動脈腔的順應(yīng)性時，通過以下步驟實現(xiàn)(1)檢測該動脈入口處在正常平穩(wěn)心搏條件下的脈動的壓力函數(shù)P(t)和流入流量函數(shù)qin(t)，(2)應(yīng)用上述最小二乘法計算機算法程序計算出順應(yīng)性C(p)，(3)或者，應(yīng)用上述公式(9)(特殊可用(10))直接近似計算出順應(yīng)性C(p)。
一種專門設(shè)計的設(shè)備用于實現(xiàn)該技術(shù)實施方案。該設(shè)備應(yīng)能檢測活體動脈在心臟搏動下的壓力函數(shù)P(t)和流量函數(shù)qin(t)。在設(shè)計時，可以優(yōu)先采用無創(chuàng)傷技術(shù)例如用超聲多普勒技術(shù)無創(chuàng)傷檢測qin(t)，用應(yīng)變壓力傳感器無創(chuàng)傷檢測動脈壁的搏動波形函數(shù)，然后用血壓Pd(舒張壓)，Ps(收縮壓)來標定得到壓力函數(shù)P(t)。(這樣的p(t)，qin(t)檢測技術(shù)在前述QFM2000，LH450等產(chǎn)品中是成熟的。)該設(shè)備還應(yīng)包含計算機部分，通過專用程序完成上述方案的C(p)的程序計算，從而實現(xiàn)復(fù)數(shù)型外周阻力方案動脈順應(yīng)性的活體直接檢測的試驗。


圖1為該專用設(shè)備實現(xiàn)方案的方框圖，圖2為采用公式直接計算C(p)的計算機程序框圖，圖3為用最小二乘法擬合法計算C(p)的計算機程序框圖。
以下通過一個實例進一步表明實現(xiàn)本發(fā)明方案的過程和結(jié)果。實例為檢測人的手腕處橈動脈下游的動脈順應(yīng)性C(p)，其步驟為1.檢測橈動脈壓力函數(shù)p(t)和流量函數(shù)qin(t)，波形見圖42.按p(t)，qin(t)數(shù)據(jù)，用函數(shù)類(3)a和微分方程(7)，運行最優(yōu)梯度法最小二乘法擬合程序得到了對應(yīng)于邊界數(shù)據(jù)的最佳逼近動脈腔體積表達式為V(p)=1295.0p-1.228-23.26+0.1566,Q=0.001346]]>從而通過求導(dǎo)得到 C(p)＝dVdp=362.5p-2.228(295.0p-1.228-23.26)2]]>圖5為V(p)與由qin(t)直接計算得到的體積Yi的比較，圖6為檢測結(jié)果C(p)，同時表明了在檢測的壓力范圍內(nèi)，C(p)的非線性特性。
本發(fā)明的方案，由于在模型中創(chuàng)新運用了特定的復(fù)數(shù)型外周阻力，從理論上實現(xiàn)了滿足毛細血管總和血流是非常近似定常流的已成共識的實驗事實，更正了所有的傳統(tǒng)方法中都先驗地認定毛細血流是與灌注壓同樣脈動的這樣一個隱含的理論錯誤。從而，導(dǎo)致描述流動的基本微分方程和全部的分析和計算都與傳統(tǒng)的所有方法不同，使活體動脈順應(yīng)性檢測的準確度得到顯著的改進。
本發(fā)明方案的又一創(chuàng)新處，是利用實驗所得函數(shù)p(t)和qin(t)作微分方程的邊界條件，直接用最小二乘法擬合程序求解最佳逼近函數(shù)V(p)，進而再算出C(p)，使得在檢測的壓力范圍內(nèi)，結(jié)果是按最小二乘判據(jù)最佳逼近實驗數(shù)據(jù)的，充分利用了入口條件的全部數(shù)據(jù)。這樣處理，直接取得了動脈順應(yīng)性的符合實驗事實的非線性特性，與采用近似公式計算C(p)的方法相比較，在用于人體或各種實驗動物的試驗，在各種器官、各種狀態(tài)、各種病況的實際檢測中，體現(xiàn)出普遍適用，一致較為準確的優(yōu)點來，為揭示實驗事物的本質(zhì)，提供了新的可能性。
權(quán)利要求
1.一種檢測活體動脈順應(yīng)性的方法。其檢測過程為，通過直接或間接的方法測量待測活體動脈系統(tǒng)的入口處的壓力脈動函數(shù)p(t)和血液流量脈動函數(shù)qin(t)，以p(t)和qin(t)為邊界條件，通過理論推導(dǎo)出的方法計算得到測量點下游的動脈順應(yīng)性C(p)。其特征在于在考慮動脈順應(yīng)性檢測的物理模型時，將動脈血管床下游出口的以毛細血管為主的總和流出外周阻力，處理成等價為一個復(fù)數(shù)型值的外周阻力Z。該復(fù)數(shù)型外周阻力的數(shù)學(xué)表達為Z＝Rμ+jw0Lμ，w0Lμ＞＞Rμ(1)其中Rμ為黏性阻力，Lμ為黏性慣性，w0為心臟搏動的圓頻率，j＝
從而實現(xiàn)描述動脈腔經(jīng)毛細血管流出的總和血流，在隨心律脈動的灌注壓p(t)下呈現(xiàn)非常近似為定常流的特性?；蛘?，該復(fù)數(shù)型外周阻力也可以表達為Z＝Rμ+jw0Lμ，Lμ→∞(2)其中Lμ→∞是近似條件，從而達到將毛細血管總和血流近似地處理成完全的定常流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)數(shù)型外周阻力模型，其特征在于計算動脈順應(yīng)性C(p)的過程中，使用的算法符合描述血液流動的微分方程LμRμd2pdt2+(C+LμRμdCdt)dpdt+p-pvRμ=LμRμdqindt+qin---(3)]]>且滿足w0Lμ＞＞Rμ。其中C為動脈順應(yīng)性，t為時間，pv為靜脈背壓。方程(3)描述經(jīng)毛細血管流出的總和血流為近似定常流?；蛘撸诓捎媒茥l件Lμ→∞時，使用的算法符合描述血液流動的近似的簡化微分方程Cdpdt=qin-qin-----(4)]]>其中qin-=1T∫0Tqin(t)dt,]]>t為時間，T為心臟搏動周期。方程(4)將經(jīng)毛細血管流出的總和血流近似處理成完全的定常流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述檢測動脈順應(yīng)性的模型和微分方程，其特征在于從邊界p(t)，qin(t)求取C(p)的過程中，使用到最小二乘法逼近擬合算法，用于達到直接得到動脈順應(yīng)性C(p)的非線性特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述檢測動脈順應(yīng)性的模型和微分方程，其特征在于動脈順應(yīng)性C(p)是用下述公式從p(t)，qin(t)直接近似計算得到
其中qin-=1T∫0Tqin(t)dt,]]>T為心臟搏動周期，p0為時間t＝0時的血壓。p°為t°時的血壓，b為常數(shù)，b＝-0.0131。在討論主動脈弓下游的體大循環(huán)的動脈順應(yīng)性時，公式(5)可以特殊簡化為C(p)=(T-Ts)qin-eb-p*-eb-pd---(6)]]>其中T為心搏周期，Ts為心搏收縮期末時間，P*為Ts時動脈壓，Pd為舒張壓。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或者1、2、4所述的動脈順應(yīng)性檢測方法而實現(xiàn)的直接檢測活體動脈順應(yīng)性的設(shè)備。其特征在于(1)設(shè)備具備完成從活體上測取脈動壓力p(t)和脈動血液流量qin(t)的檢測功能，(2)設(shè)備自身包含計算機，通過該計算機的專用程序直接完成由1、2、3或者1、2、4所述方法實現(xiàn)的動脈順應(yīng)性C(p)的計算和輸出，使得全部的活體動脈順應(yīng)性檢測過程能夠直接在一次試驗之中完成。
全文摘要
本發(fā)明屬于人體和動物血液循環(huán)系統(tǒng)的生物力學(xué)檢測技術(shù)。本發(fā)明涉及一種將動脈血管床的血液流出外周阻力,處理成特定的復(fù)數(shù)型阻力的技術(shù)方案,來進行活體動脈順應(yīng)性檢測的方法和設(shè)備。該方案糾正了傳統(tǒng)的理論和方法,都與總和毛細血流是非常近似定常流的公知的實驗事實相矛盾的錯誤,使活體動脈順應(yīng)性檢測的準確度得到顯著改進。在計算動脈順應(yīng)性的過程中,本發(fā)明提出一種基于直接用最小二乘法擬合程序求解最佳逼近函數(shù)的計算方法,達到直接從入口條件數(shù)據(jù)求取動脈順應(yīng)性的非線性特性。本發(fā)明為判斷動脈系統(tǒng)的硬化程度和老化程度提供了一種較現(xiàn)有技術(shù)顯著改進的活體動脈順應(yīng)性檢測技術(shù),在生物醫(yī)學(xué)的研究領(lǐng)域和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號A61B5/00GK1178662SQ97106670
公開日1998年4月15日 申請日期1997年10月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月23日
發(fā)明者莊永基 申請人:莊永基