【作 者】龔劍秋，陸瑾，丁光宏

1 上海匡復(fù)醫(yī)療設(shè)備發(fā)展有限公司，上海市，200437

2 復(fù)旦大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系，上海市，200433

0 引言

腦血管疾?。ㄈ纾鹤渲?，腦出血等）是嚴(yán)重危害人類健康的三大疾病之一，其發(fā)病前沒有明顯征兆，但發(fā)病所導(dǎo)致的死亡率和致殘率極高。腦血管動力學(xué)參數(shù)的檢測對于腦血管疾病的早期預(yù)測和診斷起著非常重要的作用[1-3]。

目前常見腦循環(huán)分析儀是根據(jù)丁光宏的32單元集中參數(shù)模型所研制的KF3000腦循環(huán)分析儀[4-6]，該儀器通過無創(chuàng)檢測頸動脈的流速、血液壓力波形、管徑和人體血壓，以及顱內(nèi)大腦兩側(cè)前、中、后動脈及椎動脈的流速，可以獲得頸動脈及顱內(nèi)主要血管的阻力、彈性、血流量、腦血管調(diào)節(jié)和腦血流代償功能等指標(biāo)，在腦血管病早期檢測和腦血管功能檢測等方面都得到了很好的臨床應(yīng)用。然而該儀器進行全腦循環(huán)分析時需要獲得顱內(nèi)8根血管的流速信息，根據(jù)目前的技術(shù)水平，不少人的顱內(nèi)血管流速信息不能準(zhǔn)確測全，因此這也在一定程度上限制了該設(shè)備在臨床上的推廣。龔劍秋等的11單元集中參數(shù)模型在一定程度上克服了這個缺點[7]。

近年來腦血管動力學(xué)參數(shù)的理論和臨床方面研究也取得了一些進展。首先，脈動低切應(yīng)力在動脈粥樣硬化形成和發(fā)展中起始動和主要的決定作用[8-10]，頸動脈管壁的切應(yīng)力指標(biāo)不但可以對一些腦血管疾病的診斷提供重要的參考意義，而且可以預(yù)警動脈粥樣硬化的發(fā)展趨勢，為醫(yī)生的早期干預(yù)治療贏得時間。其次，對特定循環(huán)系統(tǒng)（如體循環(huán)、肺循環(huán)等）血液所攜帶的能量進行分析可在一定程度上反映該循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)血管床的狀況[11-14]，李麗等[15]利用頸動脈的能量指標(biāo)成功評價了腦梗塞患者在頭排針治療前后的功能變化。最后，腦循環(huán)動力學(xué)參數(shù)不少，臨床應(yīng)用時往往需要有經(jīng)驗的臨床醫(yī)生根據(jù)多個參數(shù)的變化進行分析，這讓臨床醫(yī)生在解讀時感到不便。李麗等[16]利用主成分分析和logistic回歸分析對各種腦循環(huán)動力學(xué)參數(shù)進行建模研究，整理出了反映血管彈性、微循環(huán)狀況、供血狀態(tài)和綜合情況4個評分指標(biāo)。

1 儀器設(shè)計思路

目前的腦循環(huán)分析儀可以提供頸動脈動力學(xué)分析和腦Willis環(huán)動力學(xué)分析兩種報告。前者只需要頸動脈的流速、壓力、管徑和人體血壓數(shù)據(jù)，一般熟練操作人員7 min左右就可以完成；后者需要在前者數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上增加顱內(nèi)前、中、后及椎動脈共8根動脈的流速，一般熟練操作人員35 min左右才能完成，而根據(jù)目前技術(shù)水平，檢測不全的概率不少。根據(jù)11單元集中參數(shù)模型[7]，如果獲得頸動脈的相關(guān)數(shù)據(jù)和椎動脈流速也可以進行全腦循環(huán)的分析，因此可以在原來的基礎(chǔ)上增加一個頸、椎動脈動力學(xué)分析報告。

我們在目前腦循環(huán)分析儀的基礎(chǔ)上，結(jié)合11單元集中參數(shù)模型以及能量指標(biāo)、綜合指標(biāo)和血管壁切應(yīng)力等分析指標(biāo)的最新研究成果，開發(fā)出了新型腦循環(huán)分析儀。另外，在新儀器中我們使用B超代替A超來檢測頸動脈血管壁的管徑，這樣不但可以提高管徑檢測的精確度，同時也可以為腦循環(huán)分析儀進行疾病診斷時增加影像學(xué)信息。

新型腦循環(huán)分析儀的數(shù)據(jù)流程，見圖1。首先，如果前端數(shù)據(jù)只獲得了B超數(shù)據(jù)、頸動脈流速、壓力和人體血壓，我們利用3單元模型[17]可以進行頸動脈動力學(xué)分析，也可以獲得能量指標(biāo)、綜合評價指標(biāo)、血管壁切應(yīng)力和頸動脈血管B超影像。其次，在此基礎(chǔ)上如果進一步獲得了椎動脈的流速，利用由11單元模型及其參數(shù)識別算法，可以計算分析出大腦左前、右前和后部的流速、流量、外周阻力、分區(qū)灌注壓和前交通代償?shù)戎笜?biāo)，以及頸動脈和椎動脈的特性阻抗、動態(tài)阻力、臨界壓力等指標(biāo)。最后，更進一步如果顱內(nèi)大腦前、中、后6根動脈的流速也可獲得，則可以利用32單元模型的參數(shù)識別算法來分析頸動脈和顱內(nèi)主要血管的阻力、彈性、血流量、腦血管調(diào)節(jié)和腦血流代償?shù)戎笜?biāo)。

圖1 新型腦循環(huán)分析儀的數(shù)據(jù)流程Fig.1 Data flow of new cerebral circulation analyzer

2 儀器整體結(jié)構(gòu)

新型腦循環(huán)分析儀主要由三大系統(tǒng)構(gòu)成，即檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算和分析系統(tǒng)，如圖2所示。其中檢測系統(tǒng)由TCD模塊、B型超聲模塊、血液脈動壓力檢測模塊和臂式血壓自動測量模塊所組成，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要由A/D卡組成，計算分析系統(tǒng)由工控計算機以及用于腦循環(huán)動力學(xué)參數(shù)分析的分析計算軟件組成。

圖2 分析儀工作原理框圖Fig.2 Working principle of analyzer

檢測系統(tǒng)中血液脈動壓力檢測模塊通過應(yīng)變式高靈敏度壓力變送器，來檢測頸動脈內(nèi)壓力脈搏波波形；B型超聲模塊用于檢測頸動脈的影像，從而分析出血管管徑；壁式自動血壓模塊用于檢測人體的收縮壓、舒張壓和心率，并自動輸入計算機中；TCD檢測模塊包括連續(xù)波模式和脈沖波模式，其中連續(xù)波模式(4 MHz)用于檢測頸動脈流速，脈沖波模式(2 MHz)用于檢測椎動脈流速和顱內(nèi)大腦前中后動脈的流速。檢測系統(tǒng)中獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算分析系統(tǒng)中的分析軟件計算并與相應(yīng)正常參考值比較后輸出分析報告。

3 軟件編制

分析軟件的總體要求它能驅(qū)動腦循環(huán)分析儀實時檢測血管內(nèi)的血流狀況和血管的自身參數(shù)；能在Windows操作平臺上實現(xiàn)實時滾動波形顯示；能運用腦血管動力學(xué)參數(shù)分析方法去計算腦循環(huán)特性的一系列指標(biāo)；能進行各模塊與主機之間的數(shù)據(jù)通訊；能維護一個龐大的病員信息資料數(shù)據(jù)庫；能用自帶正常參考值去判別檢測參數(shù)偏離正常值的程度；能根據(jù)所檢測的數(shù)據(jù)類型采用合適的模型算法進行分析計算；此外還要能提供準(zhǔn)確的病員信息輸出（包括打印、存盤及修改等）。

圖3 為分析軟件的整體邏輯圖。軟件通過一個高精度（精度為1 ms）定時器進行信號掃描，掃描的周期為10 ms，這樣系統(tǒng)采樣頻率理論上可以控制在100 dot/s，實際系統(tǒng)工作中一般可以實現(xiàn)85 dot/s的采樣頻率。定時器通過對硬件資源的訪問，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲?。煌ㄟ^對I/O口的控制，實現(xiàn)各種資源的功能切換。從硬件獲得的數(shù)據(jù)，操作人員通過主界面控制（截取波形）將數(shù)據(jù)以內(nèi)存對象的形式儲存在數(shù)據(jù)鏈表中，該鏈表是各個硬件功能在全局上都能訪問到的，各功能僅僅記錄對應(yīng)數(shù)據(jù)在鏈表上的位置。

圖3 分析軟件整體邏輯圖Fig.3 Overalllogic diagram of analysis software

主界面通過對內(nèi)存數(shù)據(jù)鏈表的控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的各種操作。其中數(shù)據(jù)庫保存了系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)以及最終診斷數(shù)據(jù)，同時也保存了各種配置信息，這些信息也以獨立配置文件的形式存在。

新型腦循環(huán)功能分析儀的操作流程，如圖4所示。通過界面操作，完成圖中所示功能的執(zhí)行。

圖4 分析儀操作流程Fig.4 Operating process of analyzer

4 總結(jié)

新型腦循環(huán)分析儀是在丁光宏所發(fā)明的腦循環(huán)分析儀的基礎(chǔ)上，結(jié)合11單元集中參數(shù)模型以及能量指標(biāo)、綜合評價指標(biāo)和血管壁切應(yīng)力等分析指標(biāo)的最新研究成果而研制出的。該儀器既兼顧原有腦循環(huán)分析儀的優(yōu)點，又克服了其在臨床上經(jīng)常碰到的顱內(nèi)血管檢測不全則無法進行全面分析的缺點，并且增加了新的功能模塊和分析指標(biāo)，為腦血管疾病的早期預(yù)防和診斷提供了重要的輔助手段。

本儀器目前已獲得2項發(fā)明專利分別為：“一種腦血管循環(huán)動力學(xué)分析方法及儀器”，專利號：ZL200610117846.9；“一種腦血管能量指標(biāo)分析方法及儀器”，專利號：ZL200910053265.7。

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