一種腦血管能量指標分析方法及儀器的製作方法

2023-04-23 04:23:46 1

專利名稱：一種腦血管能量指標分析方法及儀器的製作方法
一種腦血管能量指標分析方法及儀器本發明涉及醫療技術領域中腦血管指標的分析，特別是一種腦血管系統能量指標 分析方法以及根據該方法而設計的臨床分析儀器。心臟的基本功能是將化學能轉化為機械能，而血液在循環系統中又在不停地進行 動能與勢能的轉化，所以對於特定循環系統(如體循環、肺循環等)血液所攜帶的能量進行 分析可以在一定程度上反應該循環系統內血管床的狀況。血液動力學的能量指標最初被主要用於評價心臟功能，因為心室做功可分為兩 類用於推動血液運動所做的心室外功，在心室收縮舒張過程中為克服自身能量損耗所做 的心室內功。心室內功總是隨著後負荷的增加而增加，通常遠大於心室外功，而心室外功 只有在合適的負荷下才能達到最大，並不總是隨著後負荷的增大而增大。2003年，Cotter 等人在文獻中指出，在心臟受到最大刺激時所得到的外功可以定義為最大心臟能量輸出 (CPOmax)，可以作為反映心臟整體功能的直接指標，可作為診斷慢性心臟病患者時的有力 指標，在急性心衰情況下可幫助選擇合適的治療辦法。心室外功可以根據能量儲存形式的不同分為勢能和動能，或根據血液的脈動特性 分為定常流部分的穩定能和脈動特性部分所產生的振蕩能，並可以進一步將總能量分為穩 定勢能、振蕩勢能、穩定動能以及振蕩動能四部分。一般來說，穩定勢能主要由血管外周阻 力所決定，即主要由微循環的特性所決定，振蕩勢能則與動脈樹的輸入阻抗有關，取決於動 脈樹的幾何尺寸和彈性特性，可反應動脈管壁的粘彈特性和血液本身的粘性。1965年到1966年，WR. Milnor等人對狗進行動物實驗，計算了肺靜脈_心房的能 量，發現78%的輸入能量消耗在肺循環中，總動能佔總輸入能量的 %。他們同時還將能量 指標用於肺血管床，通過計算入口端與出口端的能量，從而能到血流在狗的肺血管床的功 率損耗，發現心悸亢進能增加35%的肺靜脈血流量，而肺動脈的輸入能則有小於5%的增 幅。Nichols等人在1977年對16人的體循環進行能量指標的研究，其中5人正常無 心臟病(A組)，7人可能有冠狀動脈疾病但血壓正常(B組)，4人有冠心病且有高血壓(C 組)，主要計算了左心室外功的大小，得到C組的總能量最大，A組次之，B組最小，但對於總 振蕩能與總能量的比值，則C組最大，B組次之，A組最小。故，血流振蕩能與總能量的比值 也通常被作為血液流動中效率的指標，無論對於左心室還是右心室，在異常時該值都會顯 著大於正常狀態下的該值。Zahka等人在1989年將能量指標用於對小雞胚胎發育過程觀察 中對背部大動脈的血流狀況觀察發現，隨著胚胎發育，血管床的結構變複雜，振蕩能與總能 量的比率也增加，即心室-動脈耦合系統效率下降。1982年，Merillon等人對13名正常人與12名高血壓患者進行研究，並計算了主 動脈血流的輸入阻抗、穩定能、振蕩能以及振蕩能與穩定能的比值。結果顯示，當高血壓病 人進行降壓至正常後，大多數病人的阻抗曲線恢復正常，但振蕩能與穩定能的比值依然高於正常組，也就是說高血壓病人中振蕩能損失依然較高，說明主動脈壁依然較硬，或在對高 血壓病人降壓後血流的脈動特性更加明顯。他們在1984年又對11名正常人以及12名心 髒病患者進行研究，發現在硝普鈉輸液過程中，心臟每搏輸出量增加，而主動脈血流的波動 也更大，穩定能和振蕩能都上升。Berger等人在1995年對左心室-動脈系統的耦合模型進行計算，發現在調節脈搏 波速使之減少的情況下，左心室穩定能上升，振蕩能出現雙相響應，振蕩能與總能量的比值 基本一直減少。Burattini等人也在1999年通過對狗進行動物實驗以及數學計算，認為血 壓的增加以及動脈總順應性的減少會降低血流用于振蕩能的消耗。2002年，Hideaki Senzaki等人將能量指標用於臨床上分析Fontan循環中的心室 功，觀察對象為17位有Fontan循環的病人，15位病人只有單側心室並用Blalock-Taussig 分流術維持肺循環，還有13人有正常的二心室循環。他們定義了單位前向血流量所消耗總 能量(Wt/CIt)為觀察指標。然後，他們發現二心室循環者的Wt/CIs所要比單心室循環低 40%，這表明單心室循環中單位前向血流需要消耗更多的能量，其心室效率比較低。可見，能量指標分析在肺靜脈-心房系統，左心室-動脈系統等都有著廣泛的應 用。但目前尚無對腦循環系統進行能量指標的分析方法及儀器的相關研究及報導。腦循環與肺循環以及體循環有所不同，肺循環與體循環均為單端輸入，而腦循環 為四端輸入並有前後交通動脈構成Willis環，有著兩個頸動脈和兩個椎動脈輸入的網絡 系統。根據血液動力學原理，我們首次將其運用到腦循環系統中從而得到腦循環血流的總 能量、總勢能、總動能、穩定能、振蕩能以及總動能與總能量的比值，振蕩能與總能量的比值 等一系列能量指標。通過臨床實驗，在不同生理病理情況下，腦循環系統中頸動脈血流的功率變化情 況，得到十分富有臨床應用價值的結果。正常人的左右頸動脈各項能量指標均無顯著差異， 代表能量效率的指標一振蕩能與總能量的比值基本相同。而左側肢無力的中風患者，右側 頸動脈穩定能下降，振蕩能上升，振蕩能與總動能的比值相比左側頸動脈顯著增大。左側肢 無力的中風患者的右側頸動脈各能量指標均與正常人有著顯著差異。糖尿病患者的頸動脈 處振蕩能與總能量之比與正常人相比也有顯著增加。目前已知血糖與動脈粥樣硬化間存 在著複雜的關係，糖尿病的各種併發症也能影響腦循環功能，而頸動脈各功率指標的分析 結果與之相符。另外，根據臨床上對於運用頭排針治療中風病人前後進行了腦血管能量指 標分析，結果表明針刺後病人的穩定能與振蕩能相比針刺前均有所增加，而振蕩能與總能 量的比率則有下降趨勢，這也在一定程度上可以反映出頭排針的確有改善腦循環功能的作 用，提高了腦循環的能量效率。可見，腦血管能量指標的無創檢測無論是在理論科研還是臨 床應用中都具有極大的潛力。本發明所要解決的問題在於提供一種可以對腦血管能量指標進行檢測分析的方 法，要求指標分析方法簡明，臨床意義明確並具有較高的可靠性，根據該方法所設計的儀器 能無創檢測、操作簡便，從而為臨床腦血管疾病的診斷提供一個有效的輔助工具。本發明中的與腦循環功能相關的能量指標主要包括總能量、總勢能、總動能、穩 定能、振蕩能以及總動能與總能量的比值，振蕩能與總能量的比值等一系列能量指標。
本發明提出如下腦血管能量指標分析方法包括下列步驟(1)應用流速檢測裝置，檢測出一個心動周期內頸動脈的血流速度波形及數值 v(t)；(2)應用頸動脈管徑檢測裝置，檢測出頸動脈的血管直徑D ；(3)應用頸動脈壓力波形檢測裝置，檢測出一個心動周期內頸動脈的壓力波形
Pw(t)；(4)應用人體血壓檢測裝置，檢測出人體的舒張壓和收縮壓，將上述獲得的壓力波 Bpw(t)進行標定，得出頸動脈壓力波形及數值ρ (t)；(5)根據上述獲得的數據，計算腦血管的總勢能Wc，穩定勢能Ws，振蕩勢能Wo。
π γ NWc=——YPVi
c 4N 1 『
πτγ N N
^n2 Ν1 ΛΓ N \Σ^-^Σ^⑴
^iv V =ι ^v /=1 J其中N為一個心動周期內頸動脈流速波形和壓力波形的數據點個數。(6)計算腦血管的總動能Kc，穩定動能Ks，振蕩動能Ko。P為血液密度Kc=^Yv;
c tr
Γ v ^pD2 f ^jr V
0027 KsVF,
s SN3 (,tr 『)K0=^-(2)其中N為一個心動周期內頸動脈流速波形和壓力波形的數據點個數。(7)計算腦血管的總能量Tc，穩定總能Ts，振蕩總能To
TrD2 Νη N \苦Σ職 +伊3
HJV V =！Δ /=1 J
πΤγ N (Nn f N λΛ
-Γ)2 Ν1 N Nη Nη ( Ν ^3 τ0Σ伏-丄Σκ (3) ° ■ P ' ' N H 2tT ' 2N2{ii 'J _(8)計算腦血管的振蕩總能與總能量的比率Rq/tRo/T=Yc ⑷(9)計算腦血管的總動能與總能量的比率RK/T(5)
(10)計算腦血管的振蕩勢能與總勢能的比率Rw。
n W0(r\R 觀=-f-(6)(11)計算腦血管的振蕩動能與總動能的比率RK。
η —( \K0 ~ K^T為了更好地實施本發明所述的腦血管能量指標分析方法，本發明設計了與上述方 法相對應的檢測分析儀器，該檢測分析儀器包括檢測系統、控制系統以及計算分析系統。該儀器所述的檢測系統包括一個顱外頸動脈管徑檢測裝置、一個人體血壓檢測裝置、一個血流速度檢測裝置 和一個顱外頸動脈壓力波形檢測裝置，這些裝置分別與控制系統中的控制模塊相互通訊鏈 接；所述的控制系統包括—個控制模塊及一個操作面板，操作面板與控制模塊連接，控制模塊一端與檢測 系統中的各檢測裝置連接，一端與工控主機連接。所述的計算分析系統包括一臺工控主機及其外設顯示器和列印設備，控制系統中的控制模塊通過相應的通 訊接口與工控主機連接。本發明所述的腦血管能量指標分析方法臨床意義明確，簡明，並具有較高的可靠 性。所設計的檢測分析儀器，可以無創地分析腦血管的能量指標，比如總能量、總勢能、總 動能、穩定能、振蕩能以及總動能與總能量的比值，振蕩能與總能量的比值等一系列能量指 標。

圖1為本發明所述方法的數據處理流程圖；圖2為本發明所述檢測分析儀器的結構框圖；圖3為本發明所述儀器的操作流程圖。下面結合附圖以及實施例對本發明作進一步說明的描述。如圖1為本發明所述方法的數據處理流程圖。能量指標分析在肺靜脈_心房系統，左心室_動脈系統等都有著廣泛的應用。但 目前尚無對腦循環系統進行能量指標的分析方法及儀器的相關研究及報導。腦循環與肺循環以及體循環有所不同，肺循環與體循環均為單端輸入，而腦循環 為四端輸入並有前後交通動脈構成Willis環，有著兩個頸動脈和兩個椎動脈輸入的網絡 系統。根據血液動力學原理，我們首次將其運用到腦循環系統中從而得到腦循環血流的總 能量、總勢能、總動能、穩定能、振蕩能以及總動能與總能量的比值，振蕩能與總能量的比值 等一系列能量指標。本發明應用流速檢測裝置，檢測出一個心動周期內頸動脈的血流速度波形及數值
7v(t)，應用頸動脈壓力波形檢測裝置，檢測出一個心動周期內頸動脈的壓力波形pw(t)。在 實測環境中，可以將連續五個心動周期所測得的頸動脈血流速度波形進行平均得到一個心 動周期內頸動脈的血流速度波形，將連續五個心動周期內測得的頸動脈壓力波形進行平均 得到一個心動周期內頸動脈的壓力波形。由於在計算能量指標時，頸動脈血流速度波形與 頸動脈壓力波形的周期與相位需匹配，因此採用線性插值的方法將二者在一個心動周期上 的離散化取樣點都定為150，從而使頸動脈血流速度與頸動脈壓力在波形上相符便於計算。頸動脈壓力波形採用人體血壓進行定標後單位是mmHg，根據中華人民共和國法定 單位計量表，取ImmHg = 0. 13332kpa將單位轉化為kpa。頸動脈管徑檢測裝置檢測出頸動 脈的血管直徑D的單位是mm，在此將單位化為cm，從而計算出血管管徑面積S，單位為cm2。 流速檢測裝置檢測出頸動脈的血流速度的單位為cm/s，不用進行換算。以往通過傅立葉變換來分別求穩定能以及振蕩能的方法比較複雜，在此可以採用 一種較為簡便的方法。對於離散化並經過線性插值後的頸動脈血流速度波形數值以及頸動 脈血壓波形數值，本發明可以很方便地分別計算出頸動脈平均血流速度mv的大小以及頸 動脈的平均血壓mp大小，二者的乘積即為穩定總勢能Ws，單位為mW。將一個心動周期內的 頸動脈血流波形與血壓波形對應點的數值進行相乘求和之後求平均，就可以得到總勢能Wc 的大小。振蕩勢能Wtj的大小即可通過總勢能與穩定勢能的差值求得。人體血液密度採取正常人的生理值，取為P =1.05g/cm3。由於前面已經求得一 個心動周期內頸動脈處平均血流量mq的數值以及血管截面積s的大小，則可以通過Ks = P *mq*mq*mq/ (2*s*s)/10000求得頸動脈穩定動能的大小，單位為mW。然後對一個心動周 期內頸動脈在每一個取樣點時間的血流量大小進行三次方後求平均值得到sqqq，再通過計 算Ke = P *sqqq/ (2*s*s)/10000求得頸動脈總動能的大小，單位為mW。二者的差值就是頸 動脈振蕩動能Ktj的大小。得到上述指標大小後，就可以避開頸動脈總能量，穩定總能以及振蕩總能三項指 標原始計算公式的繁瑣過程，通過簡單的代數相加得到三者的值。其中，頸動脈總能量Te = wc+Ke，頸動脈穩定總能Ts = Ws+Ks，頸動脈振蕩總能Ttj = WfKy然後，通過滅％=$，rYt=Jl' ^wo =^' ^co 就可以分別計算出
腦血管的振蕩總能與總能量的比率，腦血管的總動能與總能量的比率，腦血管的振蕩勢能 與總勢能的比率，腦血管的振蕩動能與總動能的比率。參照附圖2，為了更好的實施本發明，根據上述分析方法設計了相應的腦血管循環 動力學檢測分析儀器。該檢測分析儀器包括檢測系統、控制系統以及計算分析系統。其中所述的檢測系統包括一個顱外頸動脈管徑檢測裝置，該裝置由B型超聲探頭以及B型超聲模塊所構成， B型超聲探頭連接B型超聲模塊的輸入端，B型超聲模塊輸出端通過USB接口與控制模塊通 訊連接。一個人體血壓檢測裝置，該檢測裝置由壓力檢測袖帶以及臂式自動血壓檢測模塊 所構成，壓力檢測袖帶連接臂式自動血壓檢測模塊的輸入端，臂式自動血壓檢測模塊的輸 出端通過USB接口與控制模塊通訊連接。一個血流速度檢測裝置，該檢測裝置由都卜勒超聲探頭以及都卜勒超聲模塊所構成，都卜勒超聲探頭連接都卜勒超聲模塊的輸入端，該超聲模塊的輸出端通過USB接口與 控制模塊通訊連接。一個顱外頸動脈壓力波形檢測裝置，該檢測裝置由壓力傳感探頭以及壓力傳感模 塊所構成，壓力傳感探頭連接壓力傳感模塊的輸入端，壓力傳感模塊的輸出端通過USB接 口與控制模塊通訊連接。本發明所述檢測分析儀器中控制系統包括一個用於操作儀器的操作面板和一個控制各檢測裝置通訊的控制模塊，其中操作 面板通過COM接口與控制模塊通訊連接，從而可以使操作面板的操作信息傳輸給控制模塊 中單片機，再通過單片機去控制各檢測模塊，並給工控主機傳輸相應的信息。 控制模塊的一端通過USB接口與各檢測模塊通訊，其另一端通過USB接口與工控 主機的IO通訊。這裡控制模塊可以把從工控主機或者操作面板中獲得的操作指令發送給 各檢測模塊，也可以把從各檢測模塊中獲得的檢測數據信息傳輸給工控主機。本發明所述檢測分析儀器中計算分析系統包括—臺工控主機及其外設顯示器和列印設備，控制系統中的控制模塊與工控主機中 的IO通訊連接。上述檢測分析儀器工作啟動後的操作流程已由附圖3清晰地給出，這裡不再贅 述。
權利要求
一種腦血管能量指標分析方法，其特徵在於包括下列步驟(1)應用流速檢測裝置，檢測出一個心動周期內頸動脈的血流速度波形及數值v(t)；(2)應用頸動脈管徑檢測裝置，檢測出頸動脈的血管直徑D；(3)應用頸動脈壓力波形檢測裝置，檢測出一個心動周期內頸動脈的壓力波形pw(t)；(4)應用人體血壓檢測裝置，檢測出人體的舒張壓和收縮壓，將上述獲得的壓力波形pw(t)進行標定，得出頸動脈壓力波形及數值p(t)；(5)根據上述獲得的數據，計算腦血管的總勢能Wc，穩定勢能Ws，振蕩勢能Wo W C= D 2 4N i=1 N P i V i W S= D 2 4 N 2 i=1 N P i i=1 N V i W O= D 2 4N ( i = 1N Pi Vi - 1N i = 1N Pi i = 1N Vi )--- ( 1 ) 其中N為一個心動周期內頸動脈流速波形和壓力波形的數據點個數；(6)計算腦血管的總動能Kc，穩定動能Ks，振蕩動能Ko，ρ為血液密度 K C= D 2 8N i=1 N V i 3 K S= D 2 8 N 3 ( i=1 N V i) 3 K O= D 2 8N [ i=1 N V i 3- 1 N2 ( i=1 N V i) 3]--- ( 2 ) 其中N為一個心動周期內頸動脈流速波形和壓力波形的數據點個數；(7)計算腦血管的總能量Tc，穩定總能Ts，振蕩總能To T C= D 2 4N ( i = 1N Pi Vi + 2 i = 1N Vi3 ) T S= D 2 4 N 2 i=1 N V i ( i = 1N Pi + 2 N ( i = 1N Vi )2 ) T O= D 2 4N [ i=1 N P i V i- 1 N i=1 N P i i=1 N V i+ 2 i=1 N V i 3- 2 N 2 ( i=1 N V i) 3]--- ( 3 ) (8)計算腦血管的振蕩總能與總能量的比率RO/T R O/T = TO TC --- ( 4 ) (9)計算腦血管的總動能與總能量的比率RK/T R K/T = KC TC --- ( 5 ) (10)計算腦血管的振蕩勢能與總勢能的比率RWo R WO= WO WC --- ( 6 ) (11)計算腦血管的振蕩動能與總動能的比率RKo R KO= KO KC --- ( 7 )
2.一種實施權利要求1所述腦血管能量指標分析方法的檢測分析儀器，包括檢測系 統、控制系統以及計算分析系統，其特徵在於所述的檢測系統包括一個顱外頸動脈管徑檢測裝置，該裝置輸出端與控制系統中的控制模塊通訊連接； 一個人體血壓檢測裝置，該裝置輸出端與控制系統中的控制模塊通訊連接； 一個血流速度檢測裝置，該裝置輸出端與控制系統中的控制模塊通訊連接； 一個顱外頸動脈壓力波形檢測裝置，該裝置輸出端控制系統中的控制模塊通訊連接； 所述的控制系統包括 一個操作面板，其與控制模塊通訊連接；一個控制模塊，其一端分別與檢測系統中各檢測模塊相連接，另一端與計算分析系統 中的工控主機相連接；所述的計算分析系統包括 一臺計算機主機及其外設顯示器和列印設備。
3.根據權利要求2所述的檢測分析儀器，其特徵在於顱外頸動脈管徑檢測裝置由B 型超聲探頭以及B型超聲模塊所構成，B型超聲探頭連接B型超聲模塊的輸入端，B型超聲 模塊的輸出端通過USB接口與控制系統中的控制模塊相互通訊連接。
4.根據權利要求2所述的檢測分析儀器，其特徵在於人體血壓檢測裝置由壓力檢測 袖帶以及臂式自動血壓檢測模塊所構成，壓力檢測袖帶連接臂式自動血壓檢測模塊的輸入 端，臂式自動血壓檢測模塊的輸出端通過通過USB接口與控制系統中的控制模塊相互通訊 連接。
5.根據權利要求2所述的檢測分析儀器，其特徵在於血流速度檢測裝置由都卜勒超 聲探頭以及都卜勒超聲模塊所構成，都卜勒超聲探頭連接都卜勒超聲模塊的輸入端，該超 聲模塊的輸出端通過USB接口與控制系統中的控制模塊相互通訊連接。
6.根據權利要求2所述的檢測分析儀器，其特徵在於顱外頸動脈壓力波形檢測裝置 由壓力傳感探頭以及壓力傳感模塊所構成，壓力傳感探頭連接壓力傳感模塊的輸入端，壓 力傳感模塊的輸出端通過USB接口與控制系統中的控制模塊相互通訊連接。
7.根據權利要求2所述的檢測分析儀器，其特徵在於控制系統中的操作面板通過COM 接口與控制模塊通訊連接，從而可以使操作面板的操作信息傳輸給控制模塊中單片機，再 通過單片機去控制各檢測模塊，並給工控主機傳輸相應的信息。
8.根據權利要求2所述的檢測分析儀器，其特徵在於控制模塊的一端通過USB接口 與各檢測模塊通訊連接，其另一端通過USB接口與工控主機的IO通訊連接，控制模塊可以 把從工控主機或者操作面板中獲得的操作指令發送給各檢測模塊，也可以把從各檢測模塊 中獲得的檢測數據信息傳輸給工控主機。
全文摘要
一種腦血管能量指標分析方法及儀器。其方法包括檢出頸動脈的血流速度波形及數值、血管直徑、壓力波形；檢出人體的舒張、收縮壓，得出頸動脈壓力波形及數值；然後計算出腦血管的總勢能，穩定勢能，振蕩勢能，總動能，穩定動能，振蕩動能，總能量，穩定總能，振蕩總能，最後計算出腦血管的振蕩總能與總能量比率，總動能與總能量比率，振蕩勢能與總勢能比率以及振蕩動能與總動能比率。本發明所述的檢測分析儀器包括檢測系統、控制系統以及計算分析系統，其中控制系統可把操作指令發送給各檢測模塊，也可把獲得的數據息傳輸給工控主機。本發明可通過無創方法全面分析腦循環血流能量等一系列指標，對於腦循環的基礎研究和臨床應用都具有重要意義。
文檔編號A61B5/107GK101919688SQ20091005326
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月17日 優先權日2009年6月17日
發明者李麗, 陸瑾, 龔劍秋 申請人:上海匡復醫療設備發展有限公司