新型脑循环分析仪的研制

【作 者】龚剑秋，陆瑾，丁光宏

1 上海匡复医疗设备发展有限公司，上海市，200437

2 复旦大学力学与工程科学系，上海市，200433

0 引言

脑血管疾病（如：卒中，脑出血等）是严重危害人类健康的三大疾病之一，其发病前没有明显征兆，但发病所导致的死亡率和致残率极高。脑血管动力学参数的检测对于脑血管疾病的早期预测和诊断起着非常重要的作用[1-3]。

目前常见脑循环分析仪是根据丁光宏的32单元集中参数模型所研制的KF3000脑循环分析仪[4-6]，该仪器通过无创检测颈动脉的流速、血液压力波形、管径和人体血压，以及颅内大脑两侧前、中、后动脉及椎动脉的流速，可以获得颈动脉及颅内主要血管的阻力、弹性、血流量、脑血管调节和脑血流代偿功能等指标，在脑血管病早期检测和脑血管功能检测等方面都得到了很好的临床应用。然而该仪器进行全脑循环分析时需要获得颅内8根血管的流速信息，根据目前的技术水平，不少人的颅内血管流速信息不能准确测全，因此这也在一定程度上限制了该设备在临床上的推广。龚剑秋等的11单元集中参数模型在一定程度上克服了这个缺点[7]。

近年来脑血管动力学参数的理论和临床方面研究也取得了一些进展。首先，脉动低切应力在动脉粥样硬化形成和发展中起始动和主要的决定作用[8-10]，颈动脉管壁的切应力指标不但可以对一些脑血管疾病的诊断提供重要的参考意义，而且可以预警动脉粥样硬化的发展趋势，为医生的早期干预治疗赢得时间。其次，对特定循环系统（如体循环、肺循环等）血液所携带的能量进行分析可在一定程度上反映该循环系统内血管床的状况[11-14]，李丽等[15]利用颈动脉的能量指标成功评价了脑梗塞患者在头排针治疗前后的功能变化。最后，脑循环动力学参数不少，临床应用时往往需要有经验的临床医生根据多个参数的变化进行分析，这让临床医生在解读时感到不便。李丽等[16]利用主成分分析和logistic回归分析对各种脑循环动力学参数进行建模研究，整理出了反映血管弹性、微循环状况、供血状态和综合情况4个评分指标。

1 仪器设计思路

目前的脑循环分析仪可以提供颈动脉动力学分析和脑Willis环动力学分析两种报告。前者只需要颈动脉的流速、压力、管径和人体血压数据，一般熟练操作人员7 min左右就可以完成；后者需要在前者数据基础上增加颅内前、中、后及椎动脉共8根动脉的流速，一般熟练操作人员35 min左右才能完成，而根据目前技术水平，检测不全的概率不少。根据11单元集中参数模型[7]，如果获得颈动脉的相关数据和椎动脉流速也可以进行全脑循环的分析，因此可以在原来的基础上增加一个颈、椎动脉动力学分析报告。

我们在目前脑循环分析仪的基础上，结合11单元集中参数模型以及能量指标、综合指标和血管壁切应力等分析指标的最新研究成果，开发出了新型脑循环分析仪。另外，在新仪器中我们使用B超代替A超来检测颈动脉血管壁的管径，这样不但可以提高管径检测的精确度，同时也可以为脑循环分析仪进行疾病诊断时增加影像学信息。

新型脑循环分析仪的数据流程，见图1。首先，如果前端数据只获得了B超数据、颈动脉流速、压力和人体血压，我们利用3单元模型[17]可以进行颈动脉动力学分析，也可以获得能量指标、综合评价指标、血管壁切应力和颈动脉血管B超影像。其次，在此基础上如果进一步获得了椎动脉的流速，利用由11单元模型及其参数识别算法，可以计算分析出大脑左前、右前和后部的流速、流量、外周阻力、分区灌注压和前交通代偿等指标，以及颈动脉和椎动脉的特性阻抗、动态阻力、临界压力等指标。最后，更进一步如果颅内大脑前、中、后6根动脉的流速也可获得，则可以利用32单元模型的参数识别算法来分析颈动脉和颅内主要血管的阻力、弹性、血流量、脑血管调节和脑血流代偿等指标。

图1 新型脑循环分析仪的数据流程Fig.1 Data flow of new cerebral circulation analyzer

2 仪器整体结构

新型脑循环分析仪主要由三大系统构成，即检测系统、数据采集系统、计算和分析系统，如图2所示。其中检测系统由TCD模块、B型超声模块、血液脉动压力检测模块和臂式血压自动测量模块所组成，数据采集分析系统主要由A/D卡组成，计算分析系统由工控计算机以及用于脑循环动力学参数分析的分析计算软件组成。

图2 分析仪工作原理框图Fig.2 Working principle of analyzer

检测系统中血液脉动压力检测模块通过应变式高灵敏度压力变送器，来检测颈动脉内压力脉搏波波形；B型超声模块用于检测颈动脉的影像，从而分析出血管管径；壁式自动血压模块用于检测人体的收缩压、舒张压和心率，并自动输入计算机中；TCD检测模块包括连续波模式和脉冲波模式，其中连续波模式(4 MHz)用于检测颈动脉流速，脉冲波模式(2 MHz)用于检测椎动脉流速和颅内大脑前中后动脉的流速。检测系统中获得的数据经过计算分析系统中的分析软件计算并与相应正常参考值比较后输出分析报告。

3 软件编制

分析软件的总体要求它能驱动脑循环分析仪实时检测血管内的血流状况和血管的自身参数；能在Windows操作平台上实现实时滚动波形显示；能运用脑血管动力学参数分析方法去计算脑循环特性的一系列指标；能进行各模块与主机之间的数据通讯；能维护一个庞大的病员信息资料数据库；能用自带正常参考值去判别检测参数偏离正常值的程度；能根据所检测的数据类型采用合适的模型算法进行分析计算；此外还要能提供准确的病员信息输出（包括打印、存盘及修改等）。

图3 为分析软件的整体逻辑图。软件通过一个高精度（精度为1 ms）定时器进行信号扫描，扫描的周期为10 ms，这样系统采样频率理论上可以控制在100 dot/s，实际系统工作中一般可以实现85 dot/s的采样频率。定时器通过对硬件资源的访问，实现数据的获取；通过对I/O口的控制，实现各种资源的功能切换。从硬件获得的数据，操作人员通过主界面控制（截取波形）将数据以内存对象的形式储存在数据链表中，该链表是各个硬件功能在全局上都能访问到的，各功能仅仅记录对应数据在链表上的位置。

图3 分析软件整体逻辑图Fig.3 Overalllogic diagram of analysis software

主界面通过对内存数据链表的控制，实现数据的各种操作。其中数据库保存了系统的原始数据以及最终诊断数据，同时也保存了各种配置信息，这些信息也以独立配置文件的形式存在。

新型脑循环功能分析仪的操作流程，如图4所示。通过界面操作，完成图中所示功能的执行。

图4 分析仪操作流程Fig.4 Operating process of analyzer

4 总结

新型脑循环分析仪是在丁光宏所发明的脑循环分析仪的基础上，结合11单元集中参数模型以及能量指标、综合评价指标和血管壁切应力等分析指标的最新研究成果而研制出的。该仪器既兼顾原有脑循环分析仪的优点，又克服了其在临床上经常碰到的颅内血管检测不全则无法进行全面分析的缺点，并且增加了新的功能模块和分析指标，为脑血管疾病的早期预防和诊断提供了重要的辅助手段。

本仪器目前已获得2项发明专利分别为：“一种脑血管循环动力学分析方法及仪器”，专利号：ZL200610117846.9；“一种脑血管能量指标分析方法及仪器”，专利号：ZL200910053265.7。

[1]汪昕,范薇,朱文炳,等.颈动脉系统脑梗塞血液动力学分析[J].中国神经精神疾病杂志,1994,20(6): 349-350.

[2]王京,史荫绵,李惜惜,等.兔动脉硬化时脑血管动力学参数的变化[J].第二军医大学学报,1992,13(6): 543-546.

[3]丁光宏,王桂清,汪昕.脑循环血液动力学与脑血管疾病[J].中华神经精神科杂志(脑血管疾病专刊),1995,28: 21-23.

[4]Ding GH,Lu CZ,Yao W,A hemodynamic model and a mathematics method to calculate the dynamics index for cerebral circulation [J].J Hydrodynamics Ser B,1997,9(1): 71-81.

[5]丁光宏,吕传真.脑循环脉动流的参数模型[J].力学学报,1996,28 (3): 336-346.

[6]龚剑秋,李丽,丁光宏.脑循环功能检测技术近三十年进展[J].生物医学工程学进展,2008,29(1): 45-48.

[7]龚剑秋.脑循环动力学模型、方法、临床与仪器设计[D].复旦大学,2005: 23-36.

[8]GlagovS,Bassiouny HS,Sakaguchi Y,et al.Mechanical determinants of plaque modeling,remodeling and disruption[J].Atherosclerosis,1997,131(Suppl): S13-S14.

[9]Ku DN,Giddens DP,Zarins CK,et al.Pulsatile flow and atherosclerosis in the human carotid bifurcation: positive correlation between plaque location and low and oscillating shear stress[J].Arteriosclerosis,1985,5: 293-302.

[10]黄荣国.脉动低切应力对动脉粥样硬化形成的影响及其机制[D].第二军医大学,2003.

[11]Nichols WW,Conti CR,Walker WE,et al.Input impedance of the systemic circulation in man [J].Circ Res,1977,40 (5): 451- 458.

[12]Berger DS,Li JK,Noordergraaf A.Arterial wave propagation phenomena,ventricular work,and power dissipation[J].Ann Biomed Eng,1995,23(6): 804- 811.

[13]Burattini R,Campbell KB.Assessment of aortic pressure power components and their link to overall elastic and resistive arterial properties [J].Med Biol Eng Comput,1999,37(3): 366- 376.

[14]Senzaki H,Masutani S,Kobayashi J,et al.Ventricular afterload and ventricular work in font an circulation: comparison with normal two-ventricle circulation and s ingle-ventricle circulation with blalock-taussig shunts[J]Circulation,2002,105( 24): 2885- 2892.

[15]李丽,龚剑秋,丁光宏,等.头排针治疗脑梗死过程中颈动脉血液动力学能量变化研究[J].针刺研究,2009,34(5): 334-338.

[16]李丽,龚剑秋,丁光宏.一种评价脑循环动力学综合功能的新方法[J].生物医学工程学进展,2008,29(3): 146-150.

[17]李惜惜,丁光宏,杨菊华,等.脑血管血液动力学参数的正常值[J].医用生物力学,1992,7(2): 63-68.