一种脑血管循环动力学分析方法及仪器

摘要

一种脑血管循环动力学分析方法及仪器。根据脑循环血管床解剖模型，建立由十二个管道单元模拟脑循环血液动力学等效网络模型，并确立相应参数计算公式。应用这些公式，可无创检测到颈动脉中流速波形及数值、压力波形、人体血压、血管管径，及颅内两侧前、中、后及椎动脉中流速波形及数值，求出颈动脉及颅内动脉各血管段特性参数。实施本发明方法所设计的仪器，检测系统包括颅外颈动脉管径检测、血压检测、颅外颈动脉血流速度检测、颅外颈动脉压力波形检测以及颅内动脉血流速度检测等装置；控制系统包括控制模块和电源模块；计算分析系统包括主机、外设和模数转换器，本发明可全面分析脑循环动力学特性，在脑血管疾病的早期与超早期诊断及治疗等方面具有显著效果。

主权项

1.一种脑血管循环动力学分析方法，其特征在于包括下列步骤：(1)根据脑循环血管床的解剖模型，建立一个由十二个管道单元模拟脑循环血液动力学的等效网络模型：采用两个管道模拟左右侧颈动脉系统c1、c2，用一个管道模拟前交通动脉ac并将左右侧颈动脉系统c1、c2联成一体；采用一个管道来模拟两侧椎动脉和基底动脉v，采用两管道分别模拟其后的大脑左、右后动脉p1、p2；采用两管道分别模拟大脑左中动脉m1和大脑右中动脉m2；采用两管道分别模拟大脑左前动脉a1和大脑左中动脉a2；在颈动脉系统c1、c2和椎-基底系统v之间，采用两管道分别模拟大脑左后交通动脉Lpc和大脑右后交通动脉Rpc；(2)应用下列公式获得的血管床零频输入阻抗也称外周阻力Rp描述该血管床的血流通畅程度，$\mathrm{Rp}=\frac{{\int }_0^T(P\left(t\right)-P_0)\mathrm{dt}}{{\int }_0^{T}Q\left(t\right)\mathrm{dt}}---\left(1\right)$式中P(t)和Q(t)分别为该血管床入口端动脉内的压力和血流量随时间变化关系式，T为心动周期，P₀为修正压力项；(3)应用下列公式获得的血管床高频平均输入阻抗也称特征阻抗Zc来描述该血管床动脉系统的整体弹性特性，$\mathrm{Zc}=\frac{1}{n-3}\underset{i=4}{\overset{n}{\Sigma }}\left|Z_i\right|---\left(2\right)$式中|Z_i|为第i阶输入阻抗的模，计算得到Zc后，比较每个|Z_i|(i＞0)与Zc的值，如果某个|Z_j|＞3Zc，则除去该Z_j并修正n，再代入公式(2)重新计算；(4)应用下列公式获得的血管床动态阻力Dr来描述该血管床中小动脉对血流量的调节功能，$\mathrm{Dr}=\frac{1}{3}(\frac{P_s-P_d}{Q_s-Q_d}+\frac{P_m-P_d}{Q_m-Q_d}+\frac{P_s-P_m}{Q_s-Q_m})---\left(3\right)$式中P、Q分别表示压力和流量，下标s、m、d分别表示最大，平均和最小值；(5)应用下列公式获得非线性临界压力Pc来描述血液在血流中粘滞特性，式中$K_p=\frac{(P_d{Q_m}^2-P_m{Q_d}^2)(Q_m{Q_s}^2-Q_s{Q_m}^2)-(Q_d{Q_m}^2-Q_m{Q_d}^2)(P_m{Q_s}^2-P_s{Q_m}^2)}{({Q_m}^2-{Q_d}^2)(Q_m{Q_s}^2-Q_s{Q_m}^2)-({Q_s}^2-{Q_m}^2)(Q_d{Q_m}^2-Q_m{Q_d}^2)}$式中P、Q分别表示压力和流量，下标s、m、d分别表示最大、平均和最小值；(6)通过以下步骤获得颈动脉系统脑循环功能参数：①应用超声多普勒检测颈动脉血流速度V(t)，应用脉冲超声检测颈动脉血管直径D，用下列公式获得流量Q(t)，$Q\left(t\right)=\frac{\pi }{4}{D}^2·V\left(t\right)---\left(5\right)$②应用压力传感器检测颈动脉压力脉博波波形P_W(t)，并应用血压计检测出肱动脉血压，并对P(t)进行数值标定，从而获得压力P(t)，③将上述Q(t)、P(t)代入公式(1)-(4)可获得颈动脉系统脑循环功能的定量描述参数Rp、Zc、Dr和Pc；(7)通过以下步骤获得椎动脉系统脑循环功能参数：①应用经颅脉冲超声多普勒检测两侧椎动脉血流速度V(t)，应用脉冲超声检测两侧椎动脉管直径D，根据公式(5)计算出两侧椎动脉流量Q_左(t)、Q_右(t)，从而获得椎动脉系统的总流量Q(t)＝Q_左(t)+Q_右(t)；②采用步骤(6)之②所获得的压力P(t)代替椎动脉入口的压力；③将上述Q(t)、P(t)代入公式(1)-(4)可获得椎动脉系统脑循环功能的定量描述参数Rp、Zc、Dr和Pc；(8)通过以下步骤获得大脑前动脉、中动脉和后动脉系统的脑循环功能：①应用经颅脉冲超声多普勒检测左右大脑前、中、后动脉的血流速度，分别为LV^a(t)，LV^m(t)，LV^p(t)，RV^a(t)，RV^m(t)和RV^p(t)，它们的最大值、平均值和最小值分别以s、m和d下标表示；②按照前述步骤(6)之②中的方法获得左侧颈动脉压力LP(t)和右侧颈动脉压力RP(t)，由下列公式计算出左右大脑前中动脉入口压力LP^am(t)、RP^am(t)和后动脉入口压力P^p(t)：LP^am(t)＝LP(t)-LZc^c(t)·LQ^c(t)RP^am(t)＝RP(t)-RZc^c(t)·LQ^c(t)      (6)P^p(t)＝(LP(t)+RP(t))/2-Zc^v(t)·Q^v(t)式中Zc^c和Q^c表示颈动脉的特性阻抗和流量，由前述步骤(6)得到；Zc^v和Q^v表示的是椎动脉的特性阻抗和流量，由前述步骤(7)得到；③大脑前交通动脉、左后交通动脉和右后交通动脉的平均流量Q_m^ac、Q_m^Lpc和Q_m^Rpc由下列公式计算获得：$Q_m^{\mathrm{ac}}=\frac{{\mathrm{LP}}_m^{\mathrm{am}}-{\mathrm{RP}}_m^{\mathrm{am}}}{R^{\mathrm{ac}}}$$Q_m^{\mathrm{Lpc}}=\frac{{\mathrm{LP}}_m^{\mathrm{am}}-P_m^p}{R^{\mathrm{Lpc}}}---\left(7\right)$$Q_m^{\mathrm{Rpc}}=\frac{{\mathrm{RP}}_m^{\mathrm{am}}-P_m^p}{R^{\mathrm{Rpc}}}$式中R^ac、R^Lpc和R^Rpc分别是前、后交通动脉的阻力；④应用下列公式可求得左右侧大脑前、中、后动脉血流的阻力为：$L{R}^a=\frac{K^{\mathrm{am}}{\mathrm{LV}}_m^a+{\mathrm{LV}}_m^m}{K^{\mathrm{am}}{\mathrm{LV}}_m^a}·\frac{{\mathrm{LP}}_m^{\mathrm{am}}}{{\mathrm{LQ}}_m^c-Q_m^{\mathrm{ac}}-Q_m^{\mathrm{Lpc}}}$${\mathrm{RR}}^a=\frac{K^{\mathrm{am}}{\mathrm{RV}}_m^a+{\mathrm{RV}}_m^m}{K^{\mathrm{am}}{\mathrm{RV}}_m^a}·\frac{{\mathrm{RP}}_m^{\mathrm{am}}}{{\mathrm{RQ}}_m^c+Q_m^{\mathrm{ac}}-Q_m^{\mathrm{Lpc}}}$${\mathrm{LR}}^m=\frac{K^{\mathrm{am}}{\mathrm{LV}}_m^a+{\mathrm{LV}}_m^m}{{\mathrm{LV}}_m^m}·\frac{{\mathrm{LP}}_m^{\mathrm{am}}}{{\mathrm{LQ}}_m^c-Q_m^{\mathrm{ac}}-Q_m^{\mathrm{Lpc}}}$${\mathrm{RR}}^m=\frac{K^{\mathrm{am}}{\mathrm{RV}}_m^a+{\mathrm{RV}}_m^m}{{\mathrm{RV}}_m^m}·\frac{{\mathrm{RP}}_m^{\mathrm{am}}}{{\mathrm{RQ}}_m^c+Q_m^{\mathrm{ac}}-Q_m^{\mathrm{Lpc}}}---\left(8\right)$${\mathrm{LR}}^p=\frac{{\mathrm{LV}}_m^P+{\mathrm{RV}}_m^p}{{\mathrm{LV}}_m^p}·\frac{P_m^p}{{\mathrm{LQ}}_m^v+{\mathrm{RQ}}_m^v+Q_m^{\mathrm{Lpc}}+Q_m^{\mathrm{Rpc}}}$${\mathrm{RR}}^p=\frac{{\mathrm{LV}}_m^P+{\mathrm{RV}}_m^p}{{\mathrm{RV}}_m^p}·\frac{P_m^p}{{\mathrm{LQ}}_m^v+{\mathrm{RQ}}_m^v+Q_m^{\mathrm{LPc}}+Q_m^{\mathrm{RPc}}}$其中K^am为大脑前中动脉分配系数，取0.52；⑤应用下列公式计算出左、右侧大脑前、中、后动脉系统的流量为：LQ^a(t)＝LR^a·LP^am(t)RQ^a(t)＝RR^a·RP^am(t)LQ^m(t)＝LR^m·LP^am(t)RQ^m(t)＝RR^m·RP^am(t)    (9)LQ^p(t)＝LR^p·P^p(t)RQ^p(t)＝RR^p·P^t(t)对时间积分就可获得各分支血管中的平均血流量。