基于外周脉搏波的动脉系统建模及动脉硬化早期检测技术研究

摘要

心血管疾病日益成为威胁人类健康的严重问题,WHO的调查显示,全球每年大约有1200万人死于心血管疾病,占世界人口总死亡的25％,预计到2025年其将成为全球致残和致死的首要原因。大多数慢性心血管疾病都是由一种被称为动脉粥样硬化的进行性血管疾病引发。动脉粥样硬化是动脉的一种退行性、增生性和非炎症性病变,作为一种全身系统性疾病,它不仅发生在脑动脉、颈动脉、冠状动脉,也常发生在四肢等外周大动脉。研究发现,动脉管腔发生显著狭窄等结构性改变之前,动脉弹性变化等功能性病变就已经发生。因此,研究一种在动脉硬化早期阶段就能方便快捷地发现动脉功能细微变化的无创检测方法和装置,对延缓甚至避免动脉结构性病变的发生,进而对预防、诊断和治疗心血管疾病都具有重要的意义。
　　根据心血管动力学原理和流体网络理论,人体血流网络与电网络具有相似的传输特性,其传输方程具有相同的数学形式。通过建立流体网络与电网络各个参数之间的类比关系,如血流阻尼等效为电阻,血流等效为电流,血压等效为电压,血流惯性等效为电感,血流顺应性等效为电容等,可以构建心血管系统的电网络等效模型,并用来模拟心血管系统的生理病理特征,能为临床诊断和相关检测仪器研制提供理论支持和指导。
　　本论文主要从动脉系统建模和动脉硬化早期无创检测技术两个方面,开展了以下研究工作:
　　①基于弹性腔模型理论,构建了一个三段式上肢动脉电网络模型并采用Simulink软件实现了该模型的建模。基于模型对动脉硬化和高血压进行了仿真研究,研究结果表明该模型能较好的反映动脉脉搏波波形和收缩压的整体变化趋势。
　　②基于传输线理论,构建了一个人体动脉树37段生理参数计算模型。详细推导了动脉树模型中全局参数、血管特征阻抗ZC、血管终端阻抗ZT、血管输入阻抗Zin和血压脉搏波传递方程的计算流程。对动脉树模型进行的仿真研究表明该动脉树模型主要具有以下优点:能正确反映出收缩压和舒张压之间的差值将随动脉距心脏距离的增加而增加的变化趋势;能正确反映一个心动周期中舒张期约占2/3,收缩期约占1/3的生理现象;能正确反映下肢动脉血管的血压高于上肢动脉血管的血压和血压脉搏波波形随年龄、身高、体重、心率变化的变化趋势。
　　③在假定体表脉搏波信号同出血性脑卒中之间存在生物学关联的前提下,应用k-树组法分析理论,首次提出了一种通过测量体表脉搏波信号来无创检测出血性脑卒中的网络拓扑分析理论模型。该模型将心脏和体表三处测量点视为节点,通过计算节点导纳行列式值,并同某一阈值比较来判断是否发生出血性脑卒中。
　　④基于ARM和WinCE设计了一种便携式无创动脉弹性功能检测仪。建立了一套以ASI作为主要指标并结合brPWV来评判受试者是否动脉硬化的评估体系。稳定性实验中各检测参数的最大相对标准误差为4.37%;可靠性实验中,其测得的血压与听诊法测量结果的相关系数为0.95,其测得的PWV与OMRON仪测量结果的相关系数为0.96,并且准确判断出两名动脉血管硬化的受试者。前期可行性评估实验表明该检测仪具有良好的稳定性和可靠性。该仪器与同类仪器相比,具有体积小、重量轻、操作方便、成本低等优点,特别适合基层医疗机构用于动脉硬化程度和心血管功能的快速无创检测,对无创动脉硬化检测的推广具有重要意义。
　　⑤为了测量ABI和baPWV,设计了一种能同步测量人体四肢动脉血压脉搏波信号的动脉弹性功能检测系统。建立了一套以ASI作为主要指标并结合左右baPWV及左右ABI中的高值来评判受试者是否动脉硬化的评估体系。通过前期可行性评估实验和临床试验验证了该仪器的有效性。通过临床试验分析了动脉硬化评价因子的影响因素。并且通过临床试验证实了如下相关关系:L-baPWV与ASI之间高度正相关(男性:r=0.895,P<0.01;女性:r=0.898,P<0.01);ASI与年龄之间显著正相关(男性:r=0.684,P<0.01;女性:r=0.610,P<0.01);L-baPWV与年龄之间显著正相关(男性:r=0.668,P<0.01;女性:r=0.633,P<0.01)。

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图表目录

缩略语表

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 论文的研究内容和结构

2 动脉脉搏波生理与心血管功能评估指标

2.1 引言

2.2 动脉系统的生理基础

2.3 动脉血管中波的传播[137]

2.4 心血管功能评估指标的计算

2.5 小结

3 动脉系统的电网络建模及仿真

3.1 引言

3.2 血液循环系统建模理论

3.3 基于弹性腔模型理论的三段式人体上肢动脉电网络模型

3.4 基于传输线理论的动脉系统生理参数计算模型

3.5 基于网络拓扑分析的无创出血性脑卒中检测理论模型

3.6 小结

4 基于脉搏波的无创动脉弹性功能评估系统研究

4.1 引言

4.2 脉搏波信号的获取与预处理

4.3 单上肢测量的动脉弹性功能检测仪

4.4 四肢同步测量的动脉弹性功能检测系统

4.5 小结

5 临床试验及其统计分析

5.1 引言

5.2 临床试验设计

5.3 采用的评价标准和统计处理方法

5.4 试验数据分析

5.5 小结

6 总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 主要创新点

6.3 未来研究工作展望

致谢

参考文献

附录