脑血流调节功能监护系统及检测脑循环临界关闭压的方法

专利名称：脑血流调节功能监护系统及检测脑循环临界关闭压的方法
技术领域：
本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种无创脑血流自动调节功能检测/监护系统，以及实时检测脑循环临界关闭压的方法，进而实现脑血流自动调节下限临床无创检测和监护。
背景技术：
人体脑血流自动调节功能，在脑血管病的发生、发展和诊断治疗中至关重要，因此临床急需准确实用的无创脑血流自动调节功能检测/监护仪设备。传统生理理论认为，脑血流量取决于平均动脉压及颅内压(或静脉压)间的压差和脑血管的总血流阻力，脑血流自动调节通过调节阻力血管口径，改变血流阻力而实现。为此，脑血流自动调节功能的评价方法目前有三类①经典脑血流自动调节曲线法借助于药物或各种操作，人为地分级改变动脉血压，观察脑血流量或脑底动脉血流速度，绘制脑血流自动调节曲线，人工观察确定脑血流自动调节下限和上限，以及相应的调控范围。②利用血压和脑灌注间波动的相干性、位相性分析法记录动脉血压和脑血流信号的波动性，观察在动脉血压自发波动或人为给予波动时两者间的相干性和位相改变，进而评价脑血流自动调节功能。③动态脑血流自动调节功能评价法人为改变动脉血压后，观察脑血流恢复的程度和时间，进而计算相应的自动调节指数。并且现有理论认为颅内压不高时脑循环的有效下游压不是颈内静脉压，而是脑循环的临界关闭压。脑循环临界关闭压是动脉血压降低过程中血流停止时的平均动脉压，本质反映动态调节的血管紧张度。因此脑血流自动调节过程中，血管平滑肌的收缩或舒张，可动态调节脑血管紧张度，升高或降低临界关闭压，从而改变动脉部分的有效灌注压而实现稳定脑血流，而不是通过改变阻力血管口径来实现稳定脑血流，与毛细血管和静脉部分的压力无关。因此，对于脑血流自动调节的经典概念而言，临界关闭压为零时的平均动脉压即是脑血流自动调节下限。
现有方法①虽然是脑血流自动调节功能评价的经典方法，应用于动物试验多年，但却很难用于临床实际。因为方法学上必须的人为动脉血压升降，会导致自动调节功能濒临边缘状态的脑血管患者发生严重的并发症。同时分级改变血压又使得测定结果虽然在群体上比较可靠，但具体患者的测定精度却大受影响，甚至对于某些患者有时用经典方法很难客观判定自动调节上下限。现有方法②和③，除有同样存在人为干预动脉血压、不利于用于临床实际的缺点外，都存在测定结果人为分级、测定精确度不够理想的不足(如自动调节指数只分为0～9级)，无法满足临床，特别是脑血管病诊断治疗的实际需要。因为脑血管治疗，尤其是个体化的血压调控，非常需要脑血流自动调节下限的精确数值，以决定适当的脑循环有效灌注压。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供脑血流自动调节功能检测/监护系统，该系统通过同步采集经颅多普勒(TCD-Transcranial Doppler)脑血流信号和连续动脉血压(BP-Blood Pressure)信号，实现检测和监护脑循环临界关闭压。
本发明另一目的是，提供实时检测和监护脑循环临界关闭压的方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为一种脑血流调节功能监护系统，包括
一信号采集系统，所述信号采集系统用于同步采样获取经颅多普勒信号及连续动脉血压信号的模拟信号，并将所述经颅多普勒信号及连续动脉血压信号的模拟信号转换成对应的数字信号；经接口与所述信号采集系统连接的一信号处理/显示系统，所述信号处理/显示系统包括信号处理模块以及显示模块；所述信号处理/显示系统用于对同步获取的经颅多普勒及连续动脉血压数字信号进行处理，得到脑循环临界关闭压信号，并将脑循环临界关闭压信号显示出来。
所述的脑血流调节功能监护系统，其中第一种信号采集系统包括至少一用于采集经颅多普勒信号的TCD模块，至少一用于采集连续动脉血压信号的BP模块，所述TCD模块及BP模块各包括至少一信号采集通路；分别与各信号采集通路输出端相连的多个采样保持电路，所述采样保持电路在一与时钟脉冲同步的采样控制信号的控制下，对各采集通路输出的的信号进行同步采样；多通道或多片A/D转换器，所述A/D转换器入端分别与采样保持电路输出端相连，用于将采样输出的模拟信号进行A/D转换和输出数据，并产生告知A/D转换已完成的A/D转换结束信号；一与接口通讯连接的控制模块，该模块利用主时钟脉冲产生A/D转换开始信号以及A/D读取控制信号，所述A/D转换开始信号控制A/D转换器开始进行A/D转换，当A/D转换完成且控制模块收到A/D转换完成信号后，所述控制模块发出的A/D读取控制信号控制A/D转换器输出数据。
所述的脑血流调节功能监护系统，其中所述采样控制信号由控制模块产生。
所述的脑血流调节功能监护系统，其中第二种信号采集系统包括
至少一用于采集经颅多普勒信号的TCD模块，至少一用于采集连续动脉血压信号的BP模块，所述TCD模块及BP模块各包括至少一信号采集通路；分别与各信号采集通路输出端相连的多个采样保持电路，所述采样保持电路在一与时钟脉冲同步的采样控制信号的控制下，对各采集通路输出的的信号进行同步采样；一A/D转换器，用于将采样输出的模拟信号进行A/D转换和输出数据，并产生告知A/D转换已完成的A/D转换结束信号；一多路信号选择器，所述多路信号选择器入端分别与各采样保持电路输出端连接，所述多路信号选择器的输出端与A/D转换器的入端相连；一与接口通讯连接的控制模块，该模块利用主时钟脉冲产生A/D转换开始信号、A/D读取控制信号以及通道选择控制信号；所述通道选择控制信号控制多路信号选择器实现信号选择，将采样输出的模拟信号依次送到A/D转换器；所述A/D转换开始信号控制A/D转换器开始进行A/D转换，当A/D转换完成且控制模块收到A/D转换完成信号后，所述控制模块发出的A/D读取控制信号控制A/D转换器依次输出数据所述的脑血流调节功能监护系统，其中所述采样控制信号由控制模块产生。
所述的脑血流调节功能监护系统，其中第三种信号采集系统包括至少一用于采集经颅多普勒信号的TCD模块，至少一用于采集连续动脉血压信号的BP模块，所述TCD模块及BP模块各包括至少一信号采集通路；分别与各信号采集通路输出端相连的多个采样保持电路，所述采样保持电路对各采集通路输出的的信号进行同步采样；多通道或多片A/D转换器，所述A/D转换器入端分别与采样保持电路输出端相连，用于将采样输出的模拟信号转换成数字信号；一与接口通讯连接的控制模块，该模块用于产生主时钟信号及A/D转换控制信号，所述主时钟信号及A/D转换控制信号作用于A/D转换器，控制该A/D转换器进行模数转换；该模块还产生采样控制信号，所述采样控制信号用于控制每一采样保持电路同步获取经颅多普勒信号及连续动脉血压信号的一个采样点。
所述的脑血流调节功能监护系统，其中第四种信号采集系统包括至少一用于采集经颅多普勒信号的TCD模块，至少一用于采集连续动脉血压的BP模块，所述TCD模块及BP模块各包括至少一信号采集通路；分别与各信号采集通路输出端相连的多个采样保持电路，所述所述采样保持电路对各采集通路输出的的信号进行同步采样；一A/D转换器，用于将采样输出的模拟信号转换成数字信号；一多路信号选择器，所述多路信号选择器入端分别与各采样保持电路输出端连接，所述多路信号选择器的输出端与A/D转换器的入端相连；一与接口通讯连接的控制模块，该模块用于产生主时钟信号及A/D转换控制信号，所述主时钟信号及A/D转换控制信号作用于A/D转换器，控制该A/D转换器进行模数转换；该模块还产生采样控制信号，所述采样控制信号用于控制每一采样保持电路同步获取经颅多普勒信号及连续动脉血压信号的一个采样点；以及还产生通道选择控制信号，所述通道选择控制信号控制多路信号选择器实现信号选择，将采样输出的模拟信号依次送到A/D转换器进行模数转换。
以上所述的脑血流调节功能监护系统，其中所述信号采集/控制模块采用复杂可编程逻辑器件CPLD-Complex Programmable Logic Device实现。
所述的脑血流调节功能监护系统，其中所述的A/D转换器输出端与CPLD连接，A/D转换器输出的数字信号经CPLD缓存后输出至处理/显示系统。
所述的脑血流调节功能监护系统，其中所述处理/显示系统采用PC系统。
一种检测脑循环临界关闭压的方法，包括如下步骤A、同步采集经颅多普勒信号及连续动脉血压信号，使各信号通道的采样点相同；B、将同步采样获取的经颅多普勒信号及连续动脉血压信号进行A/D转换，得到对应的数字信号后缓存输出；C、根据经颅多普勒数字信号及连续动脉血压数字信号，得到按照心动周期律动的血流信号包络和血压信号曲线；D、在同一时段内选择M个连续完整的心动周期，其中M为大于等于1的正整数；E、在所述M个连续完整的心动周期内，分别选取N个血流信号包络和血压信号曲线相关系数大的高相关性心动周期，其中1≤N≤M，N为正整数；F、在每个高相关性心动周期内取至少两个时间点，并找出同一时间点上血流信号包络对应的值和血压信号曲线对应的值，在反映流速—血压对应关系的座标系中得到至少两个血流—血压关系点；G、将血流—血压关系点做线性回归，得到拟合的直线，计算直线在血压轴上的截矩，获得脑循环临界关闭压。
所述的方法，其中所述步骤E包括如下处理E1、平移血流信号包络或血压信号曲线，直至一个心动周期内对应的血流信号包络和血压信号曲线的相关系数最大，该心动周期为高相关性心动周期；E2、重复步骤E1，直至找出N个高相关性心动周期。
所述的方法，其中所述M等于6，所述N等于4，所述步骤G包括如下处理G1、分别将每个高相关性心动周期的血流—血压关系点做线性回归，得到拟合的第一至第四直线；G2、分别计算第一至第四直线在血压轴上的截矩，获得第一至第四脑循环临界关闭压；G3、对第一至第四脑循环临界关闭压取平均值，得到脑循环临界关闭压。
另一种检测脑循环临界关闭压的方法，包括如下步骤A、同步采集经颅多普勒信号及连续动脉血压信号，使各信号通道的采样点相同；B、将同步采样获取的经颅多普勒信号及连续动脉血压信号进行A/D转换，得到对应的数字信号后缓存输出；C、根据经颅多普勒数字信号及连续动脉血压数字信号，得到按照心动周期律动的血流信号包络和血压信号曲线；D、选取一个心动周期，用傅立叶变换法计算出该心动周期中血压的基波振幅和血流流速波的基波振幅；并计算该心动周期中血压时间平均值和血流流速波的时间平均值；E、采用下式计算出该心动周期的周期脑循环临界关闭压CCPf＝ABP0-CBFV0×ABP1/CBFV1其中CCPf为一个心动周期的周期脑循环临界关闭压，ABP1为血压的基波振幅，CBFV1为血流流速波的基波振幅，ABP0为血压时间平均值，CBFV0为血流流速波的时间平均值。
所述的方法，还包括如下步骤F、选取M个心动周期，重复步骤D至步骤E，计算出M个周期脑循环临界关闭压，其中M≥3，G、剔除最高和最低周期脑循环临界关闭压，将剩余的周期脑循环临界关闭压取平均值，即为脑循环临界关闭压。
以上所述的两种方法，其中所述步骤A包括如下步骤A1、采集经颅多普勒信号及连续动脉血压信号，设置与一时钟脉冲同步的采样控制信号；A2、用所述采样控制信号控制各信号通道对经颅多普勒信号及连续动脉血压信号进行同步采样，使各信号通道的采样点相同。
以上所述的方法，其中当获得所述脑循环临界关闭压后，用以下公式计算脑血流自动调节下限脑血流自动调节下限＝平均动脉压-脑循环临界关闭压。
本发明的有益效果为采用本发明的系统和方法，无须人工利用药物或采用其它各种操作手段来改变检测者的动脉血压，只需同步监护TCD脑血流信号和连续动脉血压信号就可以检测到脑循环临界关闭压，并通过脑循环临界关闭压可顺利监测脑血流自动调节下限，实现了无创检测脑血流自动调节功能；并且由于测定结果以平均动脉血压的精确数值表示，形式与经典脑血流自动调节曲线法类似，消除了人为分级的缺陷，因此结果准确可靠，临床实用性强。


图1为本发明脑血流调节功能监护系统原理方框图；图2为第一种技术方案信号采集系统方框图；图3为第一种技术方案信号采集控制时序图；
图4为第二种技术方案信号采集系统方框图；图5为第二种技术方案信号采集控制时序图；图6为第三种技术方案信号采集系统方框图；图7为第三种技术方案信号采集控制时序图；图8为第四种技术方案信号采集系统方框图；图9为第四种技术方案信号采集控制时序图；图10为信号采集系统一实施例电路图；图11血流信号的包络和血压信号的曲线示意图；图12为血流流速—血压关系示意图。
具体实施例方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明对脑血流自动调节功能的检测和监护，实质上是要检测和监护脑血流自动调节下限的精确数值，本发明借助同步采集和监护经颅多普勒(TCD-Transcranial Doppler)脑血流信号和连续动脉血压(BP-BloodPressure)信号，从而得到脑循环临界关闭压，并通过脑循环临界关闭压可顺利监测脑血流自动调节下限。本发明的脑血流自动调节功能检测/监护系统如图1所示，包括一信号采集系统，所述信号采集系统用于同步采样获取TCD脑血流信号及BP信号的模拟信号，并将同步采样获取TCD脑血流信号及BP信号的模拟信号转换成对应的数字信号；还包括一接口，以及经接口与信号采集系统连接的一信号处理/显示系统，该信号处理/显示系统包括信号处理模块以及显示模块，信号处理模块用于对同步获取的TCD脑血流信号及BP数字信号进行处理和运算，得到脑循环临界关闭压CCP和脑血流自动调节下限(Lower limit of cerebralautoregulation，LLCA)，显示模块将CCP和LLCA显示出来，实现对脑血流自动调节功能的检测和监护。其中，处理/显示系统通常采用PC系统实现；信号采集系统和PC系统之间采用PC接口连接，而PC接口通常采用USB控制器。
本发明信号采集系统采用了几种不同的技术方案，但几种方案实质都是通过采用同一个采集、转换信号来控制TCD脑血流信号、连续动脉血压信号的同步采样和模数转换(A/D)，从而实现信号同步采集的功能。
如图2所示第一种信号采集系统方案，包括至少一个用于采集经颅多普勒信号的TCD模块，至少一用于采集连续动脉血压信号的BP模块，BP模块可以是有创采集BP模块，也可以是无创采集BP模块；TCD模块及BP模块各包括一个或多个信号采集通路，例如TCD模块包括4个信号采集通道，BP模块包括一个信号采集通路；根据信号采集通道总数设置多个采样保持电路，采样保持电路与各信号采集通路输出端相连，用于对各采集通路输出的的信号进行同步采样；采样保持电路可以采用通用的电路结构，包括一模拟开关、一运算放大器以及一电容，模拟开关的入端连接信号采集电路的输出端，模拟开关的输出端连接运算放大器的同相输入端，电容连接在运算放大器的同相输入端与地之间，运算放大器的输出端连接运算放大器的反相输入端；在每一模拟开关的控制端都施加一采样控制信号S/H，S/H信号同步于同一时钟脉冲，S/H信号用于控制每一采样保持电路同步获取TCD信号和BP信号的一个采样点，从而实现对各采集通路输出信号的同步获取。采样保持电路的输出连接多通道A/D转换器(或多片A/D转换转换器)，A/D转换器用于将采样输出的模拟信号转换成数字信号，此时A/D转换转换器的信号通道总数必须大于或等于信号采集模块的信号采集通道总数，就可以将经过采样保持电路同步采样输出的模拟信号同时进行A/D转换，并将转换后的数字信号串行或并行输出。
一与USB控制器通讯连接的信号采集/控制模块，该模块可以用中、小规模集成电路(门电路、计数器、锁存器)来构建，也可以利用可编程器件(PLD、CPLD、FPGA)来实现，本实施例采用CPLD(复杂可编程逻辑器件一Complex Programmable Logic Device)。该CPLD与一时钟脉冲信号连接，例如一2M的时钟信号，CPLD将2M的时钟信号进行分频，产生采样控制信号(S/H信号)、A/D转换开始信号(SMP信号)以及A/D读取控制信号(RD信号)，其中S/H信号的频率为几kHz到十几kHz，S/H信号统一控制各采样保持电路对信号进行采样，实现了同步获取经颅多普勒信号及连续动脉血压信号在相同时刻的采样点；SMP信号控制A/D转换器开始进行A/D转换，当A/D转换完成后，A/D转换器发出告知A/D转换已完成的A/D转换结束信号(INT信号)，且CPLD收到INT信号后产生并发出RD信号，控制A/D转换器输出数据。其信号采集控制时序参见图3，由图3可以看出，当S/H信号有效后，TCD、BP信号被采样/保持电路保存下来，S/H信号变高后采样完成，之后SMP信号到来，A/D开始对信号进行转换，A/D转换完成后，产生INT信号，CPLD收到INT信号后发出RD信号，依次读取A/D的第1、2、3、4、5通道的数据，RD信号每变低一次读取一个通道。
图2所示的方案一使用了多通道同步转换A/D转换器，因此，只需要对信号进行采样、转换、读取即可。如果使用单通道A/D，则需要对信号进行采样后，再通过多路信号选择器依次将信号送给A/D进行转换。由此需要采用如图4所示的技术方案二。该技术方案的信号采集模块以及采样保持电路与技术方案一完全相同，与技术方案一不同的是A/D转换器为单通道A/D转换器，并增加了一多路信号选择器(MUX)，MUX入端分别与各采样保持电路输出端连接，其输出端与A/D转换器的入端相连，同时CPLD除了产生采样控制信号(S/H信号)、A/D转换开始信号(SMP信号)以及A/D读取控制信号(RD信号)，还产生通道选择控制信号MPX0、MPX1、MPX2(统一表示为MPX[2...0)，MPX[2...0]信号控制多路信号选择器实现信号选择，将采样输出的模拟信号依次送到A/D转换器进行模数转换，其信号采集控制时序参见图5。由图5可以看出，当S/H信号有效后，TCD、BP信号被采样/保持电路保存下来，S/H信号变高后采样完成，之后在MPX[2...0]信号从000、001、010、011、100变换，依次将多路转换器(MUX)的1、2、3、4、5通道保存下来的信号送入A/D转换器，A/D转换器在SMP信号的控制下对信号进行转换，A/D转换完成后，产生INT信号，CPLD收到INT信号后发出RD信号，读取A/D的第1、2、3、4、5通道的数据，RD信号每变低一次读取一个通道。
以上技术方案一和二中，A/D转换器采用了应答式的转换方式，即控制模块发送一转换开始信号SMP通知A/D转换开始，A/D转换完毕后发送一转换完成信号INT告知控制模块转换完毕，控制模块收到转换完毕信号后发出读数信号RD，从A/D转换器的数据输出端得到数据DATA。若A/D转换器采用同步转换方式，即提供给A/D转换器一个转换时钟DCLK和转换开始信号CS，A/D转换器即可在时钟的同步下完成转换和数据的输出，而无需外部控制模块(CPLD)的干预。采用这种方式时，可以有如下两种方案。
技术方案三如图6所示，与技术方案一的电路结构形式基本相同，并采用相同的信号采集模块以及采样保持电路，以及多通道或多片A/D转换器，所不同的是CPLD除了产生采样控制信号(S/H信号)外，给A/D转换器提供主时钟信号DCLK及A/D转换控制信号CS，DCLK信号及CS信号控制该A/D转换器进行模数转换，此时A/D转换器无须产生告知A/D转换已完成的INT信号，A/D转换器在时钟DCLK的同步下完成转换和数据的输出，该方案的信号采集控制时序参见图7。
技术方案四与方案三相似，参见图8，该技术方案的信号采集模块以及采样保持电路与技术方案三完全相同，与技术方案三不同的是A/D转换器为单通道A/D转换器，并增加了一多路信号选择器(MUX)，MUX入端分别与各采样保持电路输出端连接，其输出端与A/D转换器的入端相连，同时CPLD除了产生S/H信号、主时钟信号DCLK及A/D转换控制信号CS，还产生通道选择控制信号MPX0、MPX1、MPX2(统一表示为MPX[2...0])，MPX[2...0]信号控制多路信号选择器实现信号选择，将采样输出的模拟信号依次送到A/D转换器进行模数转换，其信号采集控制时序参见图9。在对该时序图进行说明之前，需要对有关信号说明如下TCD/BP表示经颅多普勒脑血流信号、连续动脉血压信号，为模拟信号，TCD为4路，BP为1路，共5路。
S/H采样控制信号，为数字信号，低电平时开关闭合，进行采样；高电平时开关打开，进入保持状态。
CSA/D转换控制信号，为数字信号，低电平时A/D开始转换。
DCLK信号采集、转换的主时钟信号。
DOUTA/D转换器的输出数据。
MPX[2...0]通道选择控制信号，用于MUX0-MUX3信号通道选择，为数字信号，信号选择方式如下表

从TCD模块、BP模块采集到的信号首先经过一个采样/保持电路，采样控制信号S/H由2M的时钟信号经过CPLD分频得到，S/H信号的频率为几kHz到十几kHz，由S/H信号统一控制各采样/保持电路对信号进行采样，实现了对信号的同步获取。同时，CPLD也将2M信号进行分频，得到MPX[2...0]和CS信号，由MPX[2...0]来控制多路信号选择器，将信号依次送到A/D，A/D在CS和DCLK的控制下进行转换。由图可以看出，当S/H信号到后，在MPX[2...0]信号的控制下，依次将保持的信号送给A/D，A/D对信号进行转换得到DOUT。例如，当第一个S/H信号到来后，MPX[2...0]按照000、001、010、011、100顺序变化，依次选中MUX的通道1、2、3、4、5，将信号送到A/D转换器，同时，每选中一个通道CS有效一次，这样就将选中的信号通过A/D进行了转换。
对于第一、三种技术方案，图1中的采集/控制模块包括采样保持电路、A/D转换器和控制模块，而对于第二、四种技术方案，图1中的采集/控制模块包括采样保持电路、A/D转换器、控制模块及多路信号选择器。A/D转换器输出的数字信号可直接经一缓存及PC接口传送至PC系统进行处理和显示，同时为了充分利用FPGA资源，A/D转换器输出端也可与CPLD连接，A/D转换器输出的数字信号经CPLD缓存后输出。在方案的具体实现过程中，在满足信号质量的前提下，可以根据实际情况选择多种不同的模拟开关、运算放大器、采样电容来实现采样/保持电路，均不影响采样/保持电路的功能；A/D转换器也可以根据情况选择一片或者多片，如果使用多片A/D，并且能保证A/D转换器信号输入的通道总数能满足TCD信号、BP信号同时进行转换，则不需要使用多路选择器；否则，需要使用多路选择器将信号依次送给A/D进行转换，而多路选择器也可以根据情况选择不同的型号；A/D的输出可以采用串行或者并行方式。
图10为本发明的一个具体实施例，该实施例采用了A/D转换器芯片AD787，该芯片内集成了采样保持电路、多路信号选择以及A/D转换功能，信号采集控制时序利用CPLD来产生。由于AD7874的输入端自带采样/保持电路、多路信号选择器，所以在电路实现中没有额外使用采样/保持电路和多路信号选择器，并且额外产生采样控制信号S/H，仅根据AD7874的使用要求，由CPLD提供了SMP、RD信号，AD7874内部通过SMP信号来产生相应的采样控制信号S/H。由于每片AD787仅有4个入端与采集通路相连，因此需要两片AD787实现。
综上四种技术方案，本发明检测脑循环临界关闭压，进而实现脑血流自动调节下限临床检测和监护的方法概括如下A1、采集经颅多普勒信号及连续动脉血压信号，设置与一时钟脉冲同步的采样控制信号；A2、用所述采样控制信号控制各信号通道对经颅多普勒信号及连续动脉血压信号进行同步采样，使各信号通道的采样点相同。
B、将同步采样获取的经颅多普勒信号及连续动脉血压信号进行A/D转换，得到对应的数字信号后缓存输出；当采集系统完成对TCD和BP信号的同步采集并输出TCD和BP数字信号后，PC系统对TCD和BP数字信号进行处理和计算，其步骤为C、首先利用图像处理方法(例如图像边缘提取算法)得到按照心动周期律动的血流信号包络和血压信号曲线如图11所示，其中曲线1为血流包络，单位为cm/s；曲线2为血压曲线，单位为mmHg；每个心动周期的血流信号包络和血压信号曲线呈现一个三角形；得到血流信号包络和血压信号曲线之后，可以采用两种不同的方法获得脑循环临界关闭压(critical closing pressure，CCP)，进而实现脑血流自动调节下限临床无创检测和监护。第一种方法D、在同一时段内选择M个连续完整的心动周期，其中M为大于等于1的正整数。例如选择M等于6，即选择6个连续完整的心动周期；E、在6个完整的心动周期内选取血流信号包络和血压信号曲线相关系数高的N个高相关性心动周期，其中1≤N≤M，N为正整数，例如N等于4。可以采用以下具体处理方法实现选择4个高相关性心动周期E1、平移血流信号包络或血压信号曲线(平移的范围不超过一个心动周期)，在平移的过程中计算(例如采用积差法)一个心动周期内血流信号包络和血压信号曲线的相关系数，直至找到二者相关系数最大的心动周期，该心动周期为高相关性心动周期；E2、重复步骤E1，直至找出4个高相关性心动周期。
F、在每个高相关性心动周期内取若干个时间点，并找出同一时间点(图11中横坐标相同的点)上血流信号包络(曲线1)对应的值和血压信号曲线(曲线2)对应的值，以血流包络的值为横坐标、血压曲线的值为纵坐标，建立流速—血压对应关系的座标系，并将血流—血压关系点(血流值，血压值)描绘在流速-血压座标中，得到如图12所示的流速-血压图；G、将这些血流—血压关系点做线性回归，得到拟合的直线，计算出该直线在血压轴(X轴)上的截矩，该截距即为一个心动周期的脑循环临界关闭压CCPr。
为了数据的精确性，步骤G包括以下处理G1、分别将每个高相关性心动周期的血流—血压关系点做线性回归，得到拟合的第一至第四直线；G2、分别计算第一至第四直线在血压轴上的截矩，获得第一至第四脑循环临界关闭压；G3、对第一至第四脑循环临界关闭压取平均值，得到脑循环临界关闭压CCP。
按照步骤A至C得到血流信号包络和血压信号曲线之后，第二种方法包括如下步骤D、选取一个心动周期，用傅立叶变换法计算出该心动周期中血压的基波振幅和血流流速波的基波振幅；并计算该心动周期中血压时间平均值和血流流速波的时间平均值；E、采用下式计算出该心动周期的周期脑循环临界关闭压CCPf＝ABP0-CBFV0×ABP1/CBFV1
其中CCPf为一个心动周期的周期脑循环临界关闭压，ABP1为血压的基波振幅，CBFV1为血流流速波的基波振幅，ABP0为血压时间平均值，CBFV0为血流流速波的时间平均值；F、选取M个心动周期，重复步骤D至步骤E，计算出M个(例如6个)CCPf，G、剔除最高和最低CCPf，将剩余的CCPf取平均值，即为脑循环临界关闭压CCP。
利用第一、二种方法得到脑循环临界关闭压CCP后，再利用下式就可以计算获得脑血流自动调节下限(Lower limit of cerebra1autoregulation，LLCA)，LLCA＝平均动脉压-CCPPC系统将最终显示临界关闭压和自动调节下限，因此本发明方法和系统实现了对脑血流自动调节功能临床无创检测和监护。
应当理解的是，本发明所述的脑血流调节功能监护系统及检测脑循环临界关闭压的方法，上述针对较佳实施例的描述过于具体，并不能因此而理解为对本实用新型的专利保护范围的限制，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种脑血流调节功能监护系统，其特征在于包括一信号采集系统，所述信号采集系统用于同步采样获取经颅多普勒信号及连续动脉血压信号的模拟信号，并将所述经颅多普勒信号及连续动脉血压信号的模拟信号转换成对应的数字信号；经接口与所述信号采集系统连接的一信号处理/显示系统，所述信号处理/显示系统包括信号处理模块以及显示模块；所述信号处理/显示系统用于对同步获取的经颅多普勒及连续动脉血压数字信号进行处理，得到脑循环临界关闭压信号，并将脑循环临界关闭压信号显示出来。
2.根据权利要求1所述的脑血流调节功能监护系统，其特征在于所述的信号采集系统包括至少一用于采集经颅多普勒信号的TCD模块，至少一用于采集连续动脉血压信号的BP模块，所述TCD模块及BP模块各包括至少一信号采集通路；分别与各信号采集通路输出端相连的多个采样保持电路，所述采样保持电路在一与时钟脉冲同步的采样控制信号的控制下，对各采集通路输出的的信号进行同步采样；多通道或多片A/D转换器，所述A/D转换器入端分别与采样保持电路输出端相连，用于将采样输出的模拟信号进行A/D转换和输出数据，并产生告知A/D转换已完成的A/D转换结束信号；一与接口通讯连接的控制模块，该模块利用主时钟脉冲产生A/D转换开始信号以及A/D读取控制信号，所述A/D转换开始信号控制A/D转换器开始进行A/D转换，当A/D转换完成且控制模块收到A/D转换完成信号后，所述控制模块发出的A/D读取控制信号控制A/D转换器输出数据。
3.根据权利要求2所述的脑血流调节功能监护系统，其特征在于所述采样控制信号由控制模块产生。
4.根据权利要求1所述的脑血流调节功能监护系统，其特征在于所述的信号采集系统包括至少一用于采集经颅多普勒信号的TCD模块，至少一用于采集连续动脉血压信号的BP模块，所述TCD模块及BP模块各包括至少一信号采集通路；分别与各信号采集通路输出端相连的多个采样保持电路，所述采样保持电路在一与时钟脉冲同步的采样控制信号的控制下，对各采集通路输出的的信号进行同步采样；一A/D转换器，用于将采样输出的模拟信号进行A/D转换和输出数据，并产生告知A/D转换已完成的A/D转换结束信号；一多路信号选择器，所述多路信号选择器入端分别与各采样保持电路输出端连接，所述多路信号选择器的输出端与A/D转换器的入端相连；一与接口通讯连接的控制模块，该模块利用主时钟脉冲产生A/D转换开始信号、A/D读取控制信号以及通道选择控制信号；所述通道选择控制信号控制多路信号选择器实现信号选择，将采样输出的模拟信号依次送到A/D转换器；所述A/D转换开始信号控制A/D转换器开始进行A/D转换，当A/D转换完成且控制模块收到A/D转换完成信号后，所述控制模块发出的A/D读取控制信号控制A/D转换器依次输出数据
5.根据权利要求4所述的脑血流调节功能监护系统，其特征在于所述采样控制信号由控制模块产生。
6.根据权利要求1所述的脑血流调节功能监护系统，其特征在于所述的信号采集系统包括至少一用于采集经颅多普勒信号的TCD模块，至少一用于采集连续动脉血压信号的BP模块，所述TCD模块及BP模块各包括至少一信号采集通路；分别与各信号采集通路输出端相连的多个采样保持电路，所述采样保持电路对各采集通路输出的的信号进行同步采样；多通道或多片A/D转换器，所述A/D转换器入端分别与采样保持电路输出端相连，用于将采样输出的模拟信号转换成数字信号；一与接口通讯连接的控制模块，该模块用于产生主时钟信号及A/D转换控制信号，所述主时钟信号及A/D转换控制信号作用于A/D转换器，控制该A/D转换器进行模数转换；该模块还产生采样控制信号，所述采样控制信号用于控制每一采样保持电路同步获取经颅多普勒信号及连续动脉血压信号的一个采样点。
7.根据权利要求1所述的脑血流调节功能监护系统，其特征在于所述的信号采集系统包括至少一用于采集经颅多普勒信号的TCD模块，至少一用于采集连续动脉血压的BP模块，所述TCD模块及BP模块各包括至少一信号采集通路；分别与各信号采集通路输出端相连的多个采样保持电路，所述所述采样保持电路对各采集通路输出的的信号进行同步采样；一A/D转换器，用于将采样输出的模拟信号转换成数字信号；一多路信号选择器，所述多路信号选择器入端分别与各采样保持电路输出端连接，所述多路信号选择器的输出端与A/D转换器的入端相连；一与接口通讯连接的控制模块，该模块用于产生主时钟信号及A/D转换控制信号，所述主时钟信号及A/D转换控制信号作用于A/D转换器，控制该A/D转换器进行模数转换；该模块还产生采样控制信号，所述采样控制信号用于控制每一采样保持电路同步获取经颅多普勒信号及连续动脉血压信号的一个采样点；以及还产生通道选择控制信号，所述通道选择控制信号控制多路信号选择器实现信号选择，将采样输出的模拟信号依次送到A/D转换器进行模数转换。
8.根据权利要求2至7任一权利要求所述的脑血流调节功能监护系统，其特征在于所述控制模块采用CPLD实现。
9.根据权利要求8所述的脑血流调节功能监护系统，其特征在于所述的A/D转换器输出端与CPLD连接，A/D转换器输出的数字信号经CPLD缓存后输出至处理/显示系统。
10.根据权利要求9所述的脑血流调节功能监护系统，其特征在于所述处理/显示系统采用PC系统。
11.一种检测脑循环临界关闭压的方法，包括如下步骤A、同步采集经颅多普勒信号及连续动脉血压信号，使各信号通道的采样点相同；B、将同步采样获取的经颅多普勒信号及连续动脉血压信号进行A/D转换，得到对应的数字信号后缓存输出；C、根据经颅多普勒数字信号及连续动脉血压数字信号，得到按照心动周期律动的血流信号包络和血压信号曲线；D、在同一时段内选择M个连续完整的心动周期，其中M为大于等于1的正整数；E、在所述M个连续完整的心动周期内，分别选取N个血流信号包络和血压信号曲线相关系数大的高相关性心动周期，其中1≤N≤M，N为正整数；F、在每个高相关性心动周期内取至少两个时间点，并找出同一时间点上血流信号包络对应的值和血压信号曲线对应的值，在反映流速-血压对应关系的座标系中得到至少两个血流-血压关系点；G、将血流-血压关系点做线性回归，得到拟合的直线，计算直线在血压轴上的截矩，获得脑循环临界关闭压。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述步骤E包括如下处理E1、平移血流信号包络或血压信号曲线，直至一个心动周期内对应的血流信号包络和血压信号曲线的相关系数最大，该心动周期为高相关性心动周期；E2、重复步骤E1，直至找出N个高相关性心动周期。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述M等于6，所述N等于4，所述步骤G包括如下处理G1、分别将每个高相关性心动周期的血流-血压关系点做线性回归，得到拟合的第一至第四直线；G2、分别计算第一至第四直线在血压轴上的截矩，获得第一至第四脑循环临界关闭压；G3、对第一至第四脑循环临界关闭压取平均值，得到脑循环临界关闭压。
14.一种检测脑循环临界关闭压的方法，包括如下步骤A、同步采集经颅多普勒信号及连续动脉血压信号，使各信号通道的采样点相同；B、将同步采样获取的经颅多普勒信号及连续动脉血压信号进行A/D转换，得到对应的数字信号后缓存输出；C、根据经颅多普勒数字信号及连续动脉血压数字信号，得到按照心动周期律动的血流信号包络和血压信号曲线；D、选取一个心动周期，用傅立叶变换法计算出该心动周期中血压的基波振幅和血流流速波的基波振幅；并计算该心动周期中血压时间平均值和血流流速波的时间平均值；E、采用下式计算出该心动周期的周期脑循环临界关闭压CCPf＝ABP0-CBFV0×ABP1/CBFV1其中CCPf为一个心动周期的周期脑循环临界关闭压，ABP1为血压的基波振幅，CBFV1为血流流速波的基波振幅，ABP0为血压时间平均值，CBFV0为血流流速波的时间平均值。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤F、选取M个心动周期，重复步骤D至步骤E，计算出M个周期脑循环临界关闭压，其中M≥3，G、剔除最高和最低周期脑循环临界关闭压，将剩余的周期脑循环临界关闭压取平均值，即为脑循环临界关闭压。
16.根据权利要求11至15任一权利要求所述的方法，其特征在于所述步骤A包括如下步骤A1、采集经颅多普勒信号及连续动脉血压信号，设置与一时钟脉冲同步的采样控制信号；A2、用所述采样控制信号控制各信号通道对经颅多普勒信号及连续动脉血压信号进行同步采样，使各信号通道的采样点相同。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于当获得所述脑循环临界关闭压后，用以下公式计算脑血流自动调节下限脑血流自动调节下限＝平均动脉压-脑循环临界关闭压。
全文摘要
一种脑血流调节功能监护系统及检测脑循环临界关闭压的方法，脑血流调节功能监护系统包括一信号采集系统，以及经接口与信号采集系统连接的信号处理/显示系统，所述信号采集系统用于同步采样获取经颅多普勒信号及连续动脉血压信号的模拟信号，并将所述经颅多普勒信号及连续动脉血压信号的模拟信号转换成对应的数字信号；所述信号处理/显示系统用于对同步获取的经颅多普勒及连续动脉血压数字信号进行处理，得到脑循环临界关闭压信号，并将脑循环临界关闭压信号显示出来。该方法和系统实现了对脑血流自动调节功能临床无创检测和监护。
文档编号A61B5/0476GK1883383SQ20061006123
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月21日 优先权日2006年6月21日
发明者陈思平, 黄如训, 高庆春, 曾益民, 汪凯, 王筱毅 申请人:深圳市德力凯电子有限公司, 深圳大学