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

1、近些年來，中心動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，通過對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、動脈硬化等。為了評估心血管疾病，需要測試很多受試者的血壓血流指標(biāo)，比如增長因子AIx、收縮壓SBP、舒張壓DBP等。本研究對于生物醫(yī)學(xué)工程方面有著針對性的意義，在實驗中測試者使用了中科院智能所自行開發(fā)的儀器，并駐點北京301醫(yī)院對各種病人進(jìn)行測試，從而獲得病人的各種橈動脈、頸動脈特征參數(shù)

2、值。本人的工作是在團(tuán)隊中做橈動脈血壓波形的系統(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)的測試和分析。其中數(shù)學(xué)建模的內(nèi)容是，通過頸動脈到橈動脈之間的血壓關(guān)聯(lián)求傳遞函數(shù);力學(xué)參數(shù)建模的內(nèi)容是，通過對橈動脈血管模型進(jìn)行血壓、血流的基本理論推導(dǎo)，補充了橈動脈血管的振動力學(xué)分析和血流動力學(xué)分析。論文的基本內(nèi)容主要包括以下部分:
　　1.橈動脈血壓波形的阻抗建模和分析
　　本節(jié)首先構(gòu)建橈動脈的血管模型，首先推導(dǎo)最

3、基本的阻抗模型，這個阻抗模型是用于關(guān)聯(lián)橈動脈血管內(nèi)部血壓和血流之間的關(guān)系，用一個頻域的函數(shù)通過血流推導(dǎo)血壓。其次用ARX模型和ARMAX模型來驗證對于橈動脈脈搏波血壓波形的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過matlab軟件的系統(tǒng)辨識工具箱獲取對于波形的擬合效果，推出合適的階次和時延以更好的擬合橈動脈血壓波形。之后作者進(jìn)一步討論了彈性腔模型，一個前人學(xué)者構(gòu)建的對于血壓波形的經(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電容器和一個電阻并聯(lián)，三階模型是在電路中用兩個電容器和一個電阻并聯(lián)。一階模型是考慮血管片段式的簡單模型，三階模型是考慮血壓循環(huán)的結(jié)合中心動脈和外周動脈之間關(guān)聯(lián)而構(gòu)建的更為復(fù)雜的模型。本文對彈性腔模型的討論是為了探討橈動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-頸動脈脈搏波血壓波形的頻域傳遞函數(shù)

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

6、以通過廣義傳遞函數(shù)計算，目前這種廣義傳遞函數(shù)方法最早是由美國約翰霍普金斯大學(xué)的學(xué)者提出，開始主要在歐洲人群中構(gòu)建并驗證。本研究初次在中國人群中使用了廣義傳遞函數(shù)方法，測量了60個受試者的頸動脈和橈動脈波形，并在數(shù)據(jù)庫中匯總，再通過matlab程序來求頸動脈波形信號和橈動脈波形信號之間的數(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.橈動脈的力學(xué)參數(shù)建模
　　根據(jù)實驗測得

7、的血壓生理信號，可以分析各種因素對于血壓血流波形的影響。相比較于實測的波形信號分析，研究者還做了關(guān)于橈動脈的力學(xué)參數(shù)建模的研究工作。其主要內(nèi)容是通過橈動脈血管的力學(xué)模型推導(dǎo)，讓血壓信號與各種參數(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、實驗波形結(jié)合起來，分析血壓等因素對于橈動脈波形的影響。在此基礎(chǔ)上，探討了兩種常用的力學(xué)計算方法，分別是有限元方法和無網(wǎng)格方法。有限元方法是常用經(jīng)

8、典方法，通過對一定的結(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。而無網(wǎng)格方法是通過使用形函數(shù)來回避劃分網(wǎng)格引起的一系列問題，用更優(yōu)化的計算方法來求解。相比之下，無網(wǎng)格方法更加新穎、計算效率更高。
　　4.橈動脈血管的振動分析和血流動力學(xué)分析
　　論文最后做了橈動脈血管在動脈狹窄和正常血管兩種狀態(tài)下的振動力學(xué)分析和血流動力學(xué)分析。振動力學(xué)分析考察了前三階振動模態(tài)下的振動力學(xué)云圖和振動頻率，用ANSYS軟件做了血管在剛性狀態(tài)下（

9、不考慮血液流動）的模態(tài)和應(yīng)變云圖，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)部血液流動的不同影響，作者更深入的進(jìn)行了橈動脈血管四組動脈狹窄狀態(tài)下的血流動力學(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脈血管動脈狹窄的特征對于血流的速度和壓強云圖有著什么