专利名称：脑血管系统功能无创伤检测的模型和方法
技术领域：
本发明涉及用于医学的检测模型和方法，具体涉及一种脑血管系统功能无创伤检测的模型和方法。
中风具有高死亡率、高复发率和高致残率的特点，它严重危害着人类的健康和生命。中风的治愈率低，因此应该重视早期预防、诊断和治疗。为此，我们进行了中风监测和防治的长期研究。证实脑血管壁弹性、血液动力学状态和血液成分及流变学特征是中风发病的三大主要因素。如果能尽早发现这些危险因素并对其危险性进行评估，及时采取相应有效的措施，切断疾病发生、发展的病理基础，就有可能防止中风的发生。同时，研究又表明，脑血管病血液动力学的某些指标是脑血管功能的直接反映，而中风又是脑血管功能低下或损伤的结果，中风高危个体的筛选可依据脑血管血液动力学的无创伤检测结果。
现国内外已有多种脑血管血液动力学分析仪，这些分析仪(如上海麦登公司的CBA300)大多采用在颈总动脉处用超声多普勒探头测量的血液流速及其压力脉搏波信息计算脑血管血液动力学指标的方法。其数学模型为十分简单的弹性腔模型，即把主动脉与大动脉比拟为一弹性腔。根据这一粗糙模型，颈总动脉上游的血液压力和流量均处处相等而其下游的整个脑血管床仅模拟为一外周阻力(R)，主要来自小动脉与毛细血管，其压力降P-Pv(P为动脉弹性腔中的压力；Pv为静脉中腔的压力)与血液流量Q之间近似满足Poiseuille定律，即R＝(P-Pv)/Q＝8ηL/πa4(式中a为血管直径；η为血液的粘度；L为血管长度)。血流速度是直接测量的反映脑血管血流状况的重要指标而模型的其他指标大多是它们与测得的压力计算出来的，而这压力又是用手臂的收缩压和舒张压近似标化的，血管直径是估算的，也不考虑实际上存在的两侧颈动脉供血在脑内的代偿。
另一种能测量颅内血管中血流速度的检测方法是TCD，利用TCD可直接检测到大脑前、中、后动脉和椎动脉的血流速度，计算其博动指数(PI＝(Vmax-Vmin)/Vmean)和血管外围阻力，此外还可进行谱分析。TCD着重检测并无评估脑血管系统功能的确定模型，但其数学模型均较粗糙，检测方法和计算指标尚有缺陷。
本发明的目的在于克服上述不足之处，研究适合脑血管血液循环和能正确评估脑血管系统功能的模型，提出实际可使用的可靠而精密的无创伤检测方法，为研制新型便携式脑血管功能分析仪提供模型和方法学基础，使之更确切地描述脑血管血液循环的生理过程而得出更多的有生理意义的参数，更适合开展中风防治计划。
良好的血液供应是维持正常大脑功能的重要条件，脑的血液由两个来源，即颈内动脉和椎动脉。两侧颈内动脉所供血液约占脑总血液的70％，即经大脑前动脉和大脑中动脉供大脑半球前3/5部分的血液，也称为前循环；经两侧椎动脉、基底动脉和大脑后动脉则供大脑半球后2/5部分及脑其他部分的血液，也称为后循环。两侧大脑前动脉由短粗的前交通动脉使之互相沟通，大脑中动脉和大脑后动脉由细长的后交通动脉互相沟通，这就是所谓的Willis环。
现有的分析仪仅孤立检测一侧颈动脉数据是难以全面分析脑血管血液循环状态。无法测得椎动脉的血流，就只得放弃血流较少的脑后循环，随之忽略的后交通支，因后交通动脉细而长，其血流相对于前交通动脉和其他脑动脉的血流可忽略不计。
本发明提供了一种脑血管血液循环集中参数模型，该模型为脑血管血液循环集中参数模型、脑血管血液循环脉动流改进模型及脑血管血液循环恒定流改进模型。其中(1)脑血管血液循环集中参数模型的脑血管血液循环为有2输入端口，由9根动脉和4个终端流阻组成的一个网络。在脑血管血液循环中，动脉段特征长度与脉搏波波长之比是一个小量，可采用集中参数模型(如
图1脑血管血液循环集中参数模型所示)。图中的符号意义如表1，每个方框代表一根动脉管或一终端流阻，通过其中的血流量用Qi表示，端口的血液压力用Pi表示，并假设静脉压为零，对正常人，终端流阻Rm1＝Rm2＝15200；Ra21＝Ra22＝29600(dyn*s/cm5)。
表1 正常人脑循环各动脉段数据与流阻参考值左支符号 右支符号 直径(cm) 长度(cm) 流阻(dyn*s/cm5)颈内动脉 c1 c20.4 25 1592前动脉I a11a12 0.25 2 834前动脉II a21a22 0.25 5 2086中动脉m1 m20.35 7 760前交通动脉 ac 0.15 0.51609(2)脑血管血液循环集中参数模型是对于脉动流，每一动脉段的动力学参数除有管段流阻R外，还有流容C(动脉管的顺应性)和流感(动脉管的惯量)，脑动脉的管径(d)很小，其惯性(和d2成反比)相对于流阻(和d4成反比)可忽略不计，先将串联支的流阻合并，再将位于中部的星状三个流阻按电路理论转换成角状并合并并联流阻，最后将正中的星状三个流阻转换成角状并合并并联流阻，得到改进的脉动流网络模型(如图2脑血管血液循环脉动流改进模型所示)。
网络有2个独立节点和3个回路，类似电路网络分析中的基尔霍夫定理，对每一节点流量守恒，对每一回路能量守恒，可得一组方程，遵循系统分析习惯，上列方程式可用矩阵表示 DdXDt=EX+B,X=(P3P4Q1Q2Q5)T,B=(OOP1P2O)T]]>D=C100000C2000000000000000000,]]>E=-1/R3010-10-1/R4011-10R1000-10-R2000-R3R4R5]]>
由于我们忽略了动脉惯性，部分方程蜕化为静态方程，式中X为未知向量，B为已知向量，D和E为系数矩阵，其元素除流阻和流容值外均为常数。
(3)脑血管血液循环恒定流改进模型为每一动脉段的动力学参数只有管段流阻一项。上述模型和数学描述可简化为(如图3脑血管血液循环恒定流改进模型所示)图中，R1和R2即颈内动脉流阻，其他流阻均可从表1中动脉流阻和终端流阻计算， AX＝B，X＝(Q1Q2Q3Q4Q5)T，B＝(0 0 P1P20)T，A=10-10-1010-11R10R3000R20R4000-R3R4R5]]>式中X为流量向量，B为压力向量，A为系数矩阵，其元素除流阻值外均为常数。
而CBA300所用的弹性腔模型不过是本模型的忽略Willis环以及将半边脑血管床作为一个输出流阻的特例。(1)模型解法本发明的另一目的是提供了应用上述模型的方法，该方法包括从模型中可以看出如果给定各流阻和流容值和输入端压力，能计算出每一动脉管段流量，由于方程的蜕化特性，用消元法从下三个方程求得Q1、Q2、Q5(均为P3和P4的函数)；把解代入上二微分方程，用迭代或Fouier变换等方法求解P3和P4(Q3＝P3/R3，Q4＝P4/R4)即可，反之，已知输入端压力和每一动脉管段流量，可求出各段流阻值和流容。对于恒定流情况，给定各流阻值和输入端压力，用消元法可计算出每一动脉管段流量，反之，已知输入端压力和每一动脉管段流量，也可求出各段流阻值。(2)系统辨识--零极点方法从生理上看，整个脑循环系统是由心脏、主动脉、大动脉和脑血管床组成，从血液动力学来看，心脏为一定流源；主动脉和大动脉为一具有流阻、流容和流感的二阶阻尼环节；脑血管床为一阶阻容环节如模型所示。所以系统的传递函数为H(s)=1(s2+2δω0s+ω2)(s+γ)]]>δ为阻尼项，应与测量点近处的管径大小有关；ω0为本征频率，正比于动脉弹性；γ为衰减系数，正比于远端阻抗。通过信号处理方法可从颈动脉血流速度波形计算该系统传递函数的三个极点并得到上述三个参数，这就是系统辩识方法，可作为只能测得颈动脉血流速度时评估脑血管系统功能的方法，也可作为其他方法的补充。(3)超声多谱勒血流时频分析但对颈动脉血管的部分狭窄的诊断仅靠流速和管径这些指标尚不灵敏(流速对轻度狭窄不敏感而又难于测得所有管径)和可靠(血液动力学指标的绝对幅值受流速基线漂移而偏倚)，可用最新的时频分析方法可解决这二问题。通过计算机声卡将颈动脉血流的多谱勒频移声信号采集并存储下来。对此信号选取一典型周期进行短时付立叶变换(STFT)即加窗处理的离散付立叶变换得到时频分布，即某一时刻某一频率的幅值，在计算机中是通过调用MatLab软件中的函数specgram实现的。用MatLab软件提供的矩阵计算语言编制专用程序对时频数据进一步处理取出其峰值频率(fmax)即频率包络、模式频率(fmode)即最大功率频率、平均频率(fmean)、低值频率(fmin)即舒张末期平均频率、重脉波频率(fp)即第二次反复最大频率和频弥散宽度(fw)即峰值频率一半处截取的频谱时间。正常人的颈动脉内壁光滑无斑块，按照Bernoullis原理，其中血流为定常层流，其峰值频率、平均频率和模式频率的曲线在一个心动周期中具有总体相似的形状而重叠。对正常人分别从颈总动脉和颈内动脉测的血流信号的时频分析这些结果曲线也无显著差异，其中收缩期的峰值频率尖高，波形光滑不弥散，尖峰值均应大于3KHz。舒张末期频率最低也不会低于1KHz。血液动力学的研究表明，当血管狭窄高达75％，其中的层流完全发散而形成湍流，流速和压力大变；当血管狭窄达到50％，其中的层流部分发散，已影响其流速和压力；当血管狭窄不足25％，其中的层流还没有发散，所以宏观上不会影响其流速和压力，但只要狭窄，其中的血流就会受到挤压，在微观上其流速信号的时频谱会有所反映，并分别从颈总动脉和颈内动脉测的血流信号的时频分析也会显著差异，对于颈动脉狭窄病人，其流速信号时频谱的尖峰收缩期频率减低(＜3KHz)，形状弥散与正常人迥然不同，舒张期频率减小(＜1KHz)，频谱宽度弥散，这些时频谱上的差异对动脉狭窄敏感又不会受检测流速时基线漂移的影响。
通过本发明的方法以颈动脉多谱勒血流时频分析方法作为诊断试验来有效识别正常情况下的血流与亚健康情况(颈动脉轻度动脉硬化及少量粥样斑块)下的血流轻微紊乱间的差别和其他异常状况。颈动脉动脉硬化及粥样斑块正是脑梗塞的直接起因，能更敏感地评估颅内外动脉系统的状态以鉴别易中风病变个体。
由于脑血管的自身调节功能，在正常情况下，随着平均血压的波动，平均血流量将维持在一个基本恒定的范围之内。但在一个心动周期之内，由于心脏的间歇性射血，血压在不断地变化着，随着血压的升高或降低，血流速度也将随之变化，动态阻力DR即为描写血流速度随血压变化的难易程度的指标。很显然，在一个心动周期之内，DR应是时间的函数。但以往的分析仪却是用与时间无关的估算公式，DR=Pmean-PminVmean-Vmin]]>我们则还其时间函数的本质，采用如下的脑血管动态阻力的微分计算方法，DR(t)=dp(t)dv(t)]]>并用该函数在一个心动周期之内的平均值及其标准差作为临床指标。大量的临床病例证实这两指标有很高的临床鉴别能力。
本发明的脑血管系统功能无创伤评估模型和方法为研制新型便携式脑血管功能分析仪提供适合脑血管血液循环的能正确评估脑血管系统功能的模型和实际可使用的可靠而精密的无创伤检测方法，使之更确切地描述脑血管血液循环的生理过程而得出更多的有生理意义的参数，和CBA300等相比，能减少假阳性和假阴性，大大提高诊断的正确度，更适合于临床和社区中风防治。
实例1、颈内动脉血管管径波动和壁厚的临床价值检测用超声探头经M形超声图象可以测到颈内动脉血管管径时，还能同时测得动脉管的壁厚和观察到动脉管的波动，这些也是有确切的临床意义的。我们知道，动脉管横截面积的波动与血液压力的波动的关系(动脉管的可扩张度即软硬度)为dA/dP＝A0D0/Eh(式中A0和D0为自然状态下动脉管的横截面积和直径；E和h为动脉管壁的杨氏弹性模量和厚度)，而动脉管的顺应性即流容为C＝dV/dP＝LdA/dP，由此可见，动脉管的壁厚和动脉管径的波动可直接用来衡量和计算动脉管的可扩张度(软硬度)及其顺应性(流容)和动脉管壁的杨氏弹性模量。有关动脉管弹性的这些参数是直接衡量颈内动脉状态的重要指标，对评估脑供血和中风危险度很有意义。利用动脉管的波动信号的短时付立叶变换(Short time Fourier transform)和弹性管弹性值以及管壁压力的力学公式可计算血管真实的压力波形。
实例2、颈内动脉内血液异常的检测方法超声多普勒效应的直接结果即频率的改变是以声波的形式呈现的。用超声多普勒检出血流速度时，将频率的改变转换成电压来表示。可以想到，频率转换成电压时将会丢失信息，而直接对多普勒声波的分析可检出血管中血液的除流速以外的其它改变，如是否有栓子、凝血、血栓、动脉粥样硬化、血小板集聚、气体等。可将多普勒声波信号通过声霸卡(16位)以11.025kHz采样并数字化。时域内幅度的突变伴随频域内多普勒谱的缩减就能捡出这些改变。如将这方法用于我们今后的分析仪，就突破了脑血管血液动力学的范畴，使分析仪的应用范围更广，对中风的监测和防治更加有效。
实例3、可靠而精密的无创伤检测方法(1)用M型超声测出管径，用于计算真实的血管流量。(2)用改制的多普勒超声探头(为双发射双接收方式使其测量值与探头的放置角度无关)的垂直放置能测得径内动脉血流速度，保证测量精度与探头放置角度无关。(3)用M型超声图象测出血管壁厚和血管壁波动，计算动脉管的可扩张度(软硬度)、顺应性(流容)、动脉管壁的杨氏弹性模量和血管真实的压力波形。(4)用脉冲式超声多普勒测流速，目前应用在脑血管血液动力学分析仪的均为连续波多普勒方法，它有一个较严重的缺陷，即它不能确切知道所测得的是血管截面的何处的血流速度(血管内的流速在其截面上呈抛物面分布，中心处最高)。而脉冲多普勒方法就可克服这一缺陷。在脉冲多普勒形式中，除具有脉冲发射系统外，还有可调距离的时限系统。利用距离门限选通脉冲系统，可沿多普勒声束线从2～15cm范内任意控制泪滴状采样点进行采样。用常规M型或二维图像显示被采样的组织结构图形，以确定采样部位，这样就能达到检测不同血管和血管内不同部位的血流速度。用脉冲式超声多普勒方法不但能测得颈动脉截面的中心处的流速便于互相比较，而且还可测量椎动脉的血流速度。如上所述，这时可让脑血液后循环进入模型。
权利要求
1.一种脑血管系统功能无创伤检测的模型，其特征在于该模型为脑血管血液循环集中参数模型、脑血管血液循环脉动流改进模型及脑血管血液循环恒定流改进模型。
2.根据权利1所述的一种脑血管系统功能无创伤检测的模型，其特征在于其中所述的脑血管血液循环集中参数模型的脑血管血液循环为有2输入端口，由9根动脉和4个终端流阻组成的一个网络。
3.根据权利1所述的一种脑血管系统功能无创伤检测的模型，其特征在于其中所述的脑血管血液循环脉动流改进模型是将串联支的流阻合并，再将位于中部的星状三个流阻按电路理论转换成角状并合并并联流阻，最后将正中的星状三个流阻转换成角状并合并并联流阻得到有2个独立节点和3个回路的网络。
4.根据权利要求1所述的一种脑血管系统功能无创伤检测的模型，其特征在于其中所述的脑血管血液循环恒定流改进模型为每一动脉段的动力学参数只有管段流阻一项。
5.一种应用脑血管系统功能无创伤检测模型的方法，其特征在于该方法为模型解法、系统辨识—零极点方法和超声多谱勒血液时频分析。
全文摘要
本发明提供了一种脑血管系统功能无创伤检测的模型,该模型为脑血管血液循环集中参数模型、脑血管血液循环脉动流改进模型及脑血管血液循环恒定流改进模型。该模型能提高诊断的正确度,适于临床和社区中风防治。本发明提供了使用方法。
文档编号G09B23/00GK1372232SQ011053
公开日2002年10月2日 申请日期2001年2月22日 优先权日2001年2月22日
发明者钱国正, 王桂清, 李友发, 曹奕丰 申请人:上海祥鹤脑血管病防治研究所