橈動(dòng)脈血壓模型的系統(tǒng)建模及其生理參數(shù)檢測(cè)方法研究.pdf

1、近些年來(lái)，中心動(dòng)脈壓的研究成為了心血管疾病學(xué)術(shù)領(lǐng)域中備受關(guān)注的重要部分，通過(guò)對(duì)心血管疾病的研究可以預(yù)防一些日常的生理疾病，比如高血壓、糖尿病、血脂異常、動(dòng)脈硬化等。為了評(píng)估心血管疾病，需要測(cè)試很多受試者的血壓血流指標(biāo)，比如增長(zhǎng)因子AIx、收縮壓SBP、舒張壓DBP等。本研究對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程方面有著針對(duì)性的意義，在實(shí)驗(yàn)中測(cè)試者使用了中科院智能所自行開發(fā)的儀器，并駐點(diǎn)北京301醫(yī)院對(duì)各種病人進(jìn)行測(cè)試，從而獲得病人的各種橈動(dòng)脈、頸動(dòng)脈特征參數(shù)

2、值。本人的工作是在團(tuán)隊(duì)中做橈動(dòng)脈血壓波形的系統(tǒng)建模分析，包括數(shù)學(xué)建模、力學(xué)參數(shù)建模以及在相應(yīng)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試和分析。其中數(shù)學(xué)建模的內(nèi)容是，通過(guò)頸動(dòng)脈到橈動(dòng)脈之間的血壓關(guān)聯(lián)求傳遞函數(shù);力學(xué)參數(shù)建模的內(nèi)容是，通過(guò)對(duì)橈動(dòng)脈血管模型進(jìn)行血壓、血流的基本理論推導(dǎo)，補(bǔ)充了橈動(dòng)脈血管的振動(dòng)力學(xué)分析和血流動(dòng)力學(xué)分析。論文的基本內(nèi)容主要包括以下部分:
　　1.橈動(dòng)脈血壓波形的阻抗建模和分析
　　本節(jié)首先構(gòu)建橈動(dòng)脈的血管模型，首先推導(dǎo)最

3、基本的阻抗模型，這個(gè)阻抗模型是用于關(guān)聯(lián)橈動(dòng)脈血管內(nèi)部血壓和血流之間的關(guān)系，用一個(gè)頻域的函數(shù)通過(guò)血流推導(dǎo)血壓。其次用ARX模型和ARMAX模型來(lái)驗(yàn)證對(duì)于橈動(dòng)脈脈搏波血壓波形的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過(guò)matlab軟件的系統(tǒng)辨識(shí)工具箱獲取對(duì)于波形的擬合效果，推出合適的階次和時(shí)延以更好的擬合橈動(dòng)脈血壓波形。之后作者進(jìn)一步討論了彈性腔模型，一個(gè)前人學(xué)者構(gòu)建的對(duì)于血壓波形的經(jīng)典模型。彈性腔模型把血管的血壓和血流假想成電路中的電壓和電流，把血管內(nèi)部的粘滯阻力

4、假想成電路中的電阻，把血管內(nèi)部的順應(yīng)性假想成電路中的電容。經(jīng)典的彈性腔模型有一階模型和三階模型，一階模型是在電路中用一個(gè)電容器和一個(gè)電阻并聯(lián)，三階模型是在電路中用兩個(gè)電容器和一個(gè)電阻并聯(lián)。一階模型是考慮血管片段式的簡(jiǎn)單模型，三階模型是考慮血壓循環(huán)的結(jié)合中心動(dòng)脈和外周動(dòng)脈之間關(guān)聯(lián)而構(gòu)建的更為復(fù)雜的模型。本文對(duì)彈性腔模型的討論是為了探討橈動(dòng)脈脈搏波頻域分量的內(nèi)涵。在阻抗建模的基礎(chǔ)上，論文進(jìn)一步提出了構(gòu)建橈-頸動(dòng)脈脈搏波血壓波形的頻域傳遞函數(shù)

5、。
　　2.頸-橈動(dòng)脈傳遞函數(shù)和血流血壓波形的數(shù)學(xué)建模
　　頸-橈動(dòng)脈傳遞函數(shù)是根據(jù)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的臨床需要而構(gòu)建的，在橈動(dòng)脈脈搏波血壓波形的獲取中首先要使用到基于張力測(cè)定法的脈搏波傳感器，由于頸動(dòng)脈埋藏較深并且相對(duì)移動(dòng)，致使傳感器不好測(cè)量、信號(hào)采集困難，加之測(cè)量的時(shí)候需要按壓受試者的頸動(dòng)脈會(huì)給受試者帶來(lái)不適，所以頸-橈動(dòng)脈脈搏波傳遞函數(shù)的構(gòu)建有著重要的意義，頸動(dòng)脈的脈搏波波形可以通過(guò)橈動(dòng)脈脈搏波波形和傳遞函數(shù)來(lái)獲取。頸動(dòng)脈波形可

6、以通過(guò)廣義傳遞函數(shù)計(jì)算，目前這種廣義傳遞函數(shù)方法最早是由美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)的學(xué)者提出，開始主要在歐洲人群中構(gòu)建并驗(yàn)證。本研究初次在中國(guó)人群中使用了廣義傳遞函數(shù)方法，測(cè)量了60個(gè)受試者的頸動(dòng)脈和橈動(dòng)脈波形，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中匯總，再通過(guò)matlab程序來(lái)求頸動(dòng)脈波形信號(hào)和橈動(dòng)脈波形信號(hào)之間的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)，進(jìn)行傅里葉變換之后求得幅值和相位，計(jì)算幅值比和相位差，最后得到歸一化的頻域傳遞函數(shù)。
　　3.橈動(dòng)脈的力學(xué)參數(shù)建模
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得

7、的血壓生理信號(hào)，可以分析各種因素對(duì)于血壓血流波形的影響。相比較于實(shí)測(cè)的波形信號(hào)分析，研究者還做了關(guān)于橈動(dòng)脈的力學(xué)參數(shù)建模的研究工作。其主要內(nèi)容是通過(guò)橈動(dòng)脈血管的力學(xué)模型推導(dǎo)，讓血壓信號(hào)與各種參數(shù)之間的關(guān)系物理化，以便于進(jìn)行生物力學(xué)分析。通過(guò)理論推導(dǎo)和ANSYS的力學(xué)仿真，我們把理論推導(dǎo)和仿真圖、實(shí)驗(yàn)波形結(jié)合起來(lái)，分析血壓等因素對(duì)于橈動(dòng)脈波形的影響。在此基礎(chǔ)上，探討了兩種常用的力學(xué)計(jì)算方法，分別是有限元方法和無(wú)網(wǎng)格方法。有限元方法是常用經(jīng)

8、典方法，通過(guò)對(duì)一定的結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格獲取最小的基本單元進(jìn)行力學(xué)求解。而無(wú)網(wǎng)格方法是通過(guò)使用形函數(shù)來(lái)回避劃分網(wǎng)格引起的一系列問(wèn)題，用更優(yōu)化的計(jì)算方法來(lái)求解。相比之下，無(wú)網(wǎng)格方法更加新穎、計(jì)算效率更高。
　　4.橈動(dòng)脈血管的振動(dòng)分析和血流動(dòng)力學(xué)分析
　　論文最后做了橈動(dòng)脈血管在動(dòng)脈狹窄和正常血管兩種狀態(tài)下的振動(dòng)力學(xué)分析和血流動(dòng)力學(xué)分析。振動(dòng)力學(xué)分析考察了前三階振動(dòng)模態(tài)下的振動(dòng)力學(xué)云圖和振動(dòng)頻率，用ANSYS軟件做了血管在剛性狀態(tài)下（

9、不考慮血液流動(dòng)）的模態(tài)和應(yīng)變?cè)茍D，并進(jìn)一步討論了可以用于血管內(nèi)部的生物材料，主要是新興的生物材料包括石墨烯等。此外，為了探究微觀狀態(tài)下血管內(nèi)部血液流動(dòng)的不同影響，作者更深入的進(jìn)行了橈動(dòng)脈血管四組動(dòng)脈狹窄狀態(tài)下的血流動(dòng)力學(xué)分析:20％狹窄狀態(tài)、50％狹窄狀態(tài)、75％狹窄狀態(tài)、90％狹窄狀態(tài)，運(yùn)用Gambit軟件做好血管的建模和網(wǎng)格劃分，再用Fluent軟件進(jìn)行流體分析，判斷不同程度下橈動(dòng)脈血管動(dòng)脈狹窄的特征對(duì)于血流的速度和壓強(qiáng)云圖有著什么