專利名稱：心血管動力學參數的檢測方法
技術領域：
本發明屬人體生理學參數檢測技術領域，具體涉及一種心血管動力學參數的檢測方法。
背景技術：
貫徹個性化治療原則，做到“量體裁衣”或“按鎖配鑰匙”，是提高高血壓等疾病的療效和控制率的關鍵措施。目前，個性化決策的常用方法，仍然是根據病史、體檢、化驗、心電、超聲、X光等多方面的結果，憑專科醫生的知識與經驗進行決策。臺灣邱緒新發明的DynaPluse200M型儀器，是在給患者肱部以袖袋式血壓計測壓時，拾取局部的震動信號來檢測患者的心血管彈性參數，它不可能對人體整體的病理生理學狀態進行系統分析。
本發明人曾在長期的心血管監測中發現脈搏與血壓和心血管疾病的關系密切，而且中醫三指切脈也是采集脈搏與血壓信息同步分析。血壓相同的患者，其脈搏信息不同，則具有不同的病理生理學狀態，可作為高血壓等疾病個性化辨證論治的客觀依據。發明人和合作者在脈診現代化、數字化早期研究中，曾先后建立過三套脈診參數算法，即以改進的彈性腔模型為基礎的SS參數算法(1977年)和EZ參數算法(1980年)，二者在全國性辦班推廣已充分公開，并被改頭換面使用(如安徽的ZXG型、XXG型心血管功能檢測儀等)，這些儀器所用的參數，數學模型比較簡單，沒有考慮到人體神經調節、體液調節及心血管自身調節等因素，更沒有經過動物實驗和人體對照試驗的驗證與修正，所以不很符合人體病理生理學規律，難以用作患者病情判斷和治療的依據。
1986年后，發明人和合作者又改用狀態空間模型為基礎的ES參數算法，但其算法仍不能準確描述高血壓等疾病的病理生理學變化規律，如按1999WHO/ISH標準分類，3級高血壓的心輸出量不應高于1級高血壓。

發明內容
本發明的目的在于通過建立能真實反映血液循環動力學的數學模型，提出一種能對心血管動力學參數進行檢測、分析的方法，為建立相應的無創、簡便、快速檢測的智能儀器打下基礎。
本發明人長期在心臟直視手術圍術期監測的過程中，研究了壓力脈波與血液循環動力學狀態的定量關系，發現有14項心血管動力學參數，可描述心血管生理學和病理生理變化規律，并判斷其個性狀態分類，以之作為高血壓等病情個性化治療輔助決策的客觀依據。于是建立了這些心血管動力學參數無損傷檢測和定量判斷的方法，具體步驟如下1、用壓力傳感器按標準方法采集寸口關部脈搏波，同時準確采集相應部位的血壓信息；2、將上述信息相結合和放大，低通濾波后進行模數轉換，標定為壓力脈波P(t)，再作數據處理；3、用斜率法和模式識別法對壓力脈波識別10個特征點，提取14個特征量；4、對心血管生理學參數進行計算。
下面就分析模型和計算方法作具體描述1、對壓力脈波進行數據處理，識別特征點和提取特征量(圖1)。
特征點10個(1)a點心房收縮開始點，(2)b點主動脈辨開放點，(3)c點主動脈最高壓力點，(4)d點主動脈彈性振動點，(5)e點左心室停止射血點，(6)e1點左心室舒張開始點，(7)e2點主動脈辨關閉點，(8)f點二尖辨開放點，(9)g點反潮波起點，(10)b’點下一個周期的主動脈辨開放點。
圖1中，a-b波 (a’-b’波)為心房收縮波，m-n波為主動脈彈性振動波，L-a’波為主動脈靜壓排空段。
特征量共14個(1)bc射血時主動脈壓上升時間，(2)be1左心室快速射血時間，(3)be2左心室射血時間，(4)bf左心室收縮時間，(5)bg動脈內主潮波時間，(6)bb’每搏周期時間，(7)c高主脈波高度，
(8)e1高潮波高度，(9)e2高心舒點高度，(10)f高波谷點高度，(11)g高反潮波高度，(12)---∫be1AP(t)·dt=APE1,]]>射血期動脈壓力積分，(13)---∫e1b′AP(t)·dt=APE2,]]>心舒期動脈壓力積分，(14)---∫bb′AP(t)·dt=APE3,]]>每搏期動脈壓力積分。
其中，特征量(1)-(6)為時值，特征量(7)-(11)為幅值，特征量(12)-(14)為3個包絡面積值。AP(t)為(Arterial Pressure)動脈壓力函數。
根據圖1測量所得的特征量可以計算下述參數(1)計算脈率(PR-Pulse Rate)，從心動周期bb’得PR＝60/bb’，bb’單位秒 (1)(2)計算左室射血時間(LVET——L.V.EjectionTime)LVET＝be2(ms)，單位為秒 (2)2、將脈搏波與血壓相結合，分析各壓力值(P)與流量值(V)的相互關系(圖2)，圖2中，SP為收縮壓，DP為舒張壓，PP為脈壓，VEP為心室射血壓，AEP為(動脈內)射流壓，ESV為心縮末血容量，EDV為心舒末血容量，SV為每搏血量，ABV為動脈血容量，MAP為平均動脈壓，PEP為射血前期，LVET為左室射血時間，LVDT為左室舒張時間。
(1)計算心室射血壓(VEP——Ventricular Ejection Pressure)左室收縮全期造成的壓力，可分解為舒張壓(DP)，動脈內射流壓(AEP)，管道內存留壓(VPE)三部分，其計算式為VEP＝DP+VPE+AEP，單位為kPa (3)式中，VPE＝e1高×APE3/APE1×(1-e1高/APE2)(4)(2)計算動脈內射流壓AEP——(Arterial ejection Pressure)。左室射血時，動脈內血流的壓力一面上升并部分由動脈壁吸收為勢能，一面使血液向末梢動脈輸運，從脈搏波的起伏可以看出其動量與壓力的變化過程。
AEP＝APE3×ATC (5)式中，ATC(Arterial Transpotation Coefficiency)為心室舒期后動脈內壓穩定下降所表現的血液輸運系數，如圖1的L~a段，曲線為一下降的指數曲線。
其曲線方程為DP(t)＝e1高×Exp(-ATC×t)上式中，e1后的壓力積分和t可從壓力脈波測量，DP(t)為心室舒張期動脈內壓。
(3)計算平均脈壓(MPP——Mean Pulse Pressure)MPP＝APE3/bb’，單位為kPa (6)(4)計算平均動脈壓(MAP——Mean Arterial Pressure)MAP＝MPP+DP，單位為kPa (7)(5)計算動脈血容量(ABV——Arterial Blood Volume)ABV＝SV×MAP/MPP，單位為ml (8)式中，SV為每搏血量(見后)。
3、按生物控制論中的狀態空間法，建立與壓力脈波特征量相應的微分方程，以描述心血管系統生理學狀態。
如在心臟生理學中有著名的Starling定律(見周衍椒、張鏡如主編生理學，人民衛生出版社，1989)在心率一定的條件下，心舒末左室容量EDV和心室射血壓力VEP或每搏血量SV成函數關系(圖3)。試將曲線放大，并忽略其下降支。則形成心室射血壓力、容積、流量曲線(圖4)，其曲線方程表達式為VEP(t)＝VEP(0)×(Exp(K(0)/α(1-Exp(-α×EDV)))式中，VEP為心室射血壓力，VEP(o)為壓力的邊界值，K(0)/α為心肌變力系數，EDV為心舒末(左室)容量。
通過一批動物實驗和人體(心臟手術中)心導管壓力曲線的描記和相關數據的提取，進行曲線擬合相關分析，其相關系數r＝0.99，表明所建曲線方程有高精度的可靠性。
下面根據這一曲線方程，對幾個函數(或參數)求解。
(1)計算心舒末容量(EDV——End Diastolic Volume)，根據心臟手術前后的記錄，得知心臟舒縮運動時體積變化(圖5)及其方程表達式為V(t)＝V(0)×Exp(-VWK×t)表述方程中；V(o)為體積縮小的初始量，即心舒末(左室)容量EDV。VWK為心室體積縮小曲線的時間常數，t為心縮時間(圖2中“PEP+LVET”時間)。
根據動物(犬)試驗和100例人體心臟手術中有關測值的統計，VWK＝0.378±0.037(sec-1)，1/α＝80.76±7.27，β/K(0)＝0.146±0.06。由于從壓力脈波測得的VWK和t值可以求得
r＝0.985/(1-Exp(vwk×t))。
根據圖5中的曲線表述方程，移項可得EDV＝(-1/α)×Ln(1-β/K(0)×Ln(VEP×r))單位為毫升，(9)在測量VEP之后，便可根據上述已知條件，求解EDV值。
(2)計算射血分數(EF——Ejection Fraction)已知一搏期間心室射血壓為VEP，射血產生的動脈內射流壓為AEP，二者的比值即射血分數EF。
EF＝AEP(kPa)/VEP(kPa)，(10)即EF＝SV(ml)/EDV(ml)，(3)計算每搏血量(SV——Stroke Volume)從方程組(14)移項，得SV＝EDV×EF單位ml，(4)計算心輸出量(CO——Cadiac Output) (11)CO＝SV(ml)×PR/1000，單位L/min， (12)(5)計算總外周血管阻力(TPR——Total Peripheral Resistance)TPR＝79.96×MAP/CO 單位kPa·s/t， (13)根據公認的知識，如果不知道右房壓或由于右房壓通常很低，計算時可以忽略，則可以通過上式(13)計算。
(6)計算動脈順應性(AC——Arterial Compliance)。
動脈順應性是指單位時間內動脈管段血液體積變量與壓力變量的比值(即dv/dp)，故可表述為AC＝SV/(SP-DP) 單位ml/kPa， (14)上述參數若按體重與體表面積計算，還可以求得反映個性化差別的各種指數。這些生理學參數具有如圖6所示的相互關系，也表明了產生高血壓的病理生理學機理，某些參數的異常特性，可表示患者的病理生理學個性。


圖1為典型脈波特征點和特征量測量圖示。
圖2為壓力脈波波形與各壓力值、流量值的關系示意圖。
圖2中，自a點左室開始收縮，經等容收縮期(或射血前期-PEP)使動脈中壓力超過舒張壓(b點)，壓力從b點加速上升至c點，動脈升壓因素和降壓因素達到平衡。C點與e點的波動是由于主動脈壁彈性振動，e點后左心室舒張，并引起動脈中的反潮波(g波)，其后動脈中壓力呈指數曲線下降。
圖3為Frank-Starling關系曲線。
圖3(A)表明EDV(心舒未容量)與VEP(心室射血壓)的關系，圖3(B)表明EDV與SV(每搏血量)的關系。
圖4為左室壓力、容積、流量關系曲線的上升段。
圖5為心室舒縮運動時的體積變化曲線。
圖6為所檢測14項心血管動力學參數相關的關系圖。
本發明提出的血液動力學參數的無損傷性檢測方法是建立在嚴格的血液循環動力學基礎之上的。所建立的分析、計算模型科學性強，與動物實驗及人體試驗符合程度高，所獲得的病理生理學參數能較好地顯示出高血壓等疾病的病理生理學特性，參數的敏感性強，顯著性好，可用以區分不同高血壓等疾病患者的個性類型。從而有針對性提供合理而恰當的防治建議，對患者和專業醫生均有實用價值。依據本發明方法提供的儀器(裝置)，用嵌入式軟硬件建造，結構簡單，使用方便，可實現無損傷檢測，所得結果可靠。實踐表明、本發明有助于對高血壓等疾病患者進行個性化的辨證論治和隨訪，研究藥效與機理，進而可提高高血壓等疾病的控制率。
具體實施例方式
本發明采集人體左寸口關部(橈動脈)的體表脈搏信息，在標準體位與規范操作下，可取得典型的拐點清晰的脈波(圖1)，結合用血壓值標定為壓力脈波，并可矯正予置壓力的影響。由于采用超低頻頻響(0.01-50Hz)的壓力傳感器、線性放大器、低通濾波器，使失真度＜0.2％。得到圖1和圖2的曲線圖。根據這2個圖獲得10個特征值和14個特征量。再根據計算式(1)-(14)，獲得各項心血管動力學參數。
由本發明方法計算獲得的動力學參數準確可靠。
(1)對所建立的數學模型分解的狀態空間方程組進行曲線擬合相關分析，14個方程組的擬合相差系數均在0.99以上。證實了數學模型的可行性及其精度。在此基礎上建立的XXG參數算法的理論誤差甚小。
(2)經動物(犬)試驗。用雙盲法進行放血、輸血等處理，證明本發明測定的血容量可靠(17次試驗中16次一致，1次基本符合。也證明人工失血性休克及用抗休克液的結果和所監測的參數變化規律吻合。
(3)經動物(犬)試驗和臨床直接對照驗證，結果小輸出量(CO)測定的相關系數的心導管(Fick)法r＝0.805，熱稀釋法r＝0.868，色素法r＝0.891，電磁流量計法r＝0.953。心室射血壓(VEP)測定54例，r＝0.963，總外周血管阻力(TPR)測定的結果，符合病理生理學和藥物作用應有的變化。
本發明可以定量分析和判斷一些心血管疾病的病理生理學狀態，如對479例高血壓患者的調查發現，患者雖在用藥治療，但查出種種參數的改變，有的屬于2-3級高血壓，根據特征性參數的異常，可將高血壓區分為高動力型(VEP、VPE、SV升高)、高阻力型(TPR升高)、高容量型(ABV、EDV升高)，或高模量型(MPP升高、AC降低)，因而可用以輔助醫生進行個體化治療決策，也可用以隨訪和比較病情。如對49列高血壓患者用美托洛爾(Betaloc)治療前后中檢測比較，有統計學意義的結果為MPP與MAP均明顯降低的同時，VEP、CO及PR亦明顯降低，而EDV、TPR、ABV、AC則無明顯改變，這不僅定量闡明了該藥降壓作用的機理，也表明該藥僅適用于有VEP、CO、PR升高的高動力型高血壓。
根據上述病理生理學參數的檢測和人工智能判斷的方法，本發明設計了相應的專用檢測儀器，該儀器包括檢測系統，予處理系統和計算分析系統。其中檢測系統用壓力傳感器配放大器采集信息，人工輸入某些人體生理參數性別、年齡、身高、體重等。予處理系統以單片機為核心，采用EC3-1451，586型或兼容CPU，配有模數轉換器(12bitA/D)、ROM、RAM及與計算機系統連接的通訊接口。計算分析系統采用基于“和欣”操作系統的專用程序，該程序固化在專用ROM或FLASH中，另外，還配有顯示器、打印機和電源等。
計算機分析系統包含有三個模塊①壓力脈波自動識別取值模塊(PRMVP程序)，②模型分解、參數計算模塊(XXGP程序)③面向臨床應用的專家咨詢模塊。AICEXP程序用C語言編程，包括①知識庫，(知識規則與參數關系)；②數據庫(正常標準與升降判定)；③推理機制與狀態判式；
權利要求
1.一種心血管動力學參數的檢測方法，其特征在于具體步驟如下(1)用壓力傳感器按標準方法采集寸口關部脈搏波，同時準確采集相應部位的血壓信息；(2)將上述信息相結合和放大，低通濾波進行模數轉換，標定為壓力脈波P(t)，再作數據處理；(3)用斜率法和模式識別法對壓力脈波識別10個特征點，提取14個特征量；(4)對心血管生理學參數進行計算；其中，10個特征點為(1)a點心房收縮開始點，(2)b點主動脈辨開放點，(3)c點主動脈最高壓力點，(4)d點主動脈彈性振動點，(5)e點左心室停止射血點，(6)e1點左心室舒張開始點，(7)e2點主動脈辨關閉點，(8)f點二尖辨開放點，(9)g點反潮波起點，(10)b’點下一個周期的主動脈辨開放點。14個特征量為(1)bc射血時主動脈壓上升時間，(2)be1左心室快速射血時間，(3)be2左心室射血時間，(4)bf左心室收縮時間，(5)bg動脈內主潮波時間，(6)bb’每搏周期時間，(7)c高主脈波高度，(8)e1高潮波高度，(9)e2高心舒點高度，(10)f高波谷點高度，(11)g高反潮波高度，(12)---∫be1AP(t)·dt=APE1,]]>射血期動脈壓力積分，(13)---∫e1b′AP(t)·dt=APE2,]]>心舒期動脈壓力積分，(14)---∫bb′AP(t)·dt=APE3,]]>每搏期動脈壓力積分。
2.根據權利要求1所述的檢測方法，其特征在于(1)脈率PR＝60/bb’，單位為每分鐘搏動次數 (1)(2)左室射血時間LVET＝be2(ms)，單位為秒(2)
3.根據權利要求1所述的檢測方法，其特征在于(1)心室射血壓VEP＝DP+VPE+AEP (3)其中，DP為舒張壓，VPE為管道內存留壓，VPE＝e1高×APE3/APE1×(1-e1高/APE2 (4)AEP為動脈內射壓，AEP＝APE3×ATC (5)這里ATC為心室舒期后動脈內壓穩定下降所表現的血液輸運系數，DP(t)＝e1高×Exp(-ATC·t)(2)平均脈壓MPP＝APE3/bb’單位為kPa (6)(3)平均動脈壓MAP＝MPP+DP (7)(4)動脈血容量ABV＝SV×MAP/MPP單位為ml (8)這里SV為每搏血量。
4.根據權利要求1所述的檢測方法，其特征在于(1)心舒末容量EDV＝(-1/α)×Ln(1-β/K(0)×Ln(VEP×r))單位為毫升， (9)其中，VEP為心室射血壓力，1/α＝80.76±7.27，β/K(0)＝0.146±0.06，r＝0.985/(1-Exp(vwk×t))，VWK＝0.378±0.037；(2)射血分數EF＝AEP/VEP (10)(3)每搏血量SV＝EDV×EF單位L/min， (11)(4)心輸出量CO＝SV×PR/1000單位L/min， (12)(5)總外周血管阻力TPR＝79.96×MAP/CO單位kPa·s/t， (13)(6)動脈順應性AC＝SV/(SP-DP)單位ml/kPa，(14)。
全文摘要
本發明為一種心血管動力學參數的無創傷檢測方法。其步驟是，先采集寸口關部的脈搏波及血壓信息，標定壓力脈波，確定其中的10個特征點，提取14個特征量，由此計算獲得心血管動力學參數，包括脈率、左室射血時間、心室射血壓、動脈內射流壓、平均脈壓、平均動脈壓、心舒末容量、射血分數、每搏血量、心輸出量、外周血管阻力、動脈順應性等。這些參數可描述血壓生理變化規律，并判斷血壓個性化分類，是高血壓等疾病個性化診斷和治療的輔助決策的重要客觀依據。本發明方法的模型科學性強，與動物實驗和人體實驗符合程度高，參數敏感性強，顯著性好。
文檔編號A61B5/00GK1593330SQ20041002523
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月17日 優先權日2004年6月17日
發明者肖行貫 申請人:肖行貫