馬天寧，徐磊，郝麗玲，齊林，徐禮勝,b，張長(zhǎng)帥

東北大學(xué) a.中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院；b.教育部醫(yī)學(xué)影像計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110169

引言

心血管循環(huán)系統(tǒng)是身體眾多系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)。如今，心血管循環(huán)系統(tǒng)方面的疾病嚴(yán)重威脅著眾多人的生命健康。心血管循環(huán)系統(tǒng)的研究具有巨大的社會(huì)意義和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)心血管疾病也是研究學(xué)者們迫切想解決的重大問題[1]。

心血管循環(huán)系統(tǒng)建模主要有十分重要的意義。物理模型可以輔助研究血液循環(huán)系統(tǒng)并作為其研究的工具[2-3]。在進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)之前，首先進(jìn)行體外模擬實(shí)驗(yàn)，可以為治療方案提供理論依據(jù)，降低臨床實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)；模型便于控制參數(shù)，容易得到精確的測(cè)量結(jié)果，使很多臨床上難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)得以完成，大大提高了效率。

早在1898年，德國(guó)的生理學(xué)專家Frank研究了彈性腔（Windkessel） 模型。他用一個(gè)彈性腔代替人體整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)，給予后人很大的啟發(fā)。1970年Rideout等基于分布式模型思想制作了使用電子元器件搭建的體循環(huán)系統(tǒng)[4]。隨后進(jìn)行了基于上述模型結(jié)合人體的生理反饋調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)[5]。2007年英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院Matthys等研制了一個(gè)評(píng)估脈搏波在人類動(dòng)脈網(wǎng)絡(luò)傳播中一維粘彈性的模型。該模型對(duì)動(dòng)脈進(jìn)行了37個(gè)分支的模擬仿真。結(jié)果證明使用一維簡(jiǎn)化模型能準(zhǔn)確地模擬一些臨床上動(dòng)脈的粘彈性問題。近年來隨著科技的發(fā)展，新技術(shù)的出現(xiàn)使得該領(lǐng)域的研究越來越細(xì)化，模型的建立也越來越具有針對(duì)性。

基于現(xiàn)今研究熱點(diǎn)，以及血壓與脈搏波的測(cè)量在人體健康監(jiān)測(cè)的重要性。本文的主要研究?jī)?nèi)容為設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)人體體循環(huán)系統(tǒng)物理模型，該模型可以模擬人體肱動(dòng)脈脈搏波且波形多變參數(shù)可調(diào)，為深入研究打下了基礎(chǔ)。

1 模型的原理與設(shè)計(jì)

1.1 建模的生理學(xué)基礎(chǔ)

心血管循環(huán)系統(tǒng)的生理學(xué)知識(shí)是體循環(huán)系統(tǒng)模型建立的基本依據(jù)，本文應(yīng)用該理論知識(shí)來指導(dǎo)課題模型的設(shè)計(jì)和制作。心血管循環(huán)系統(tǒng)主要由體循環(huán)和肺循環(huán)兩部分組成。體循環(huán)血液的流動(dòng)方向?yàn)椋鹤笮氖?、主?dòng)脈、大動(dòng)脈及其分支、器官、毛細(xì)血管、靜脈和右心房。心臟在人體體循環(huán)中的作用就相當(dāng)于一個(gè)“泵”，它將靜脈中的血液泵到全身各處。心臟內(nèi)部組成主要由左右兩個(gè)心室和左右兩個(gè)心房四部分組成，一般情況下在左心室的收縮和舒張時(shí)會(huì)使其內(nèi)部的壓力在120 mmHg以內(nèi)，到了動(dòng)脈中在70～120 mmHg 之間波動(dòng)[6-7]。

傳統(tǒng)研究心血管循環(huán)的方法主要有兩大類，臨床實(shí)驗(yàn)和是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。但是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)有一定局限，可信度較低，成本較高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠穩(wěn)定。心血管循環(huán)系統(tǒng)建模與仿真可以避免這些缺點(diǎn)[8-9]，因而也成為了研究的熱點(diǎn)。同時(shí)，建模仿真總體來看有物理模型和數(shù)學(xué)模型兩種。物理模型有實(shí)際物體的模型形象逼真，但是花費(fèi)大而且靈活性差，容易受到材料和加工的限制。由于物理模型具有直觀易懂的特點(diǎn)，并且與客觀實(shí)際相符合，而數(shù)學(xué)模型往往是在理想化的結(jié)果，可能與實(shí)際有所差距。因此物理模型在研究中被廣泛使用[10]。

1.2 物理模型制作

根據(jù)人體生理學(xué)知識(shí)，我們可以對(duì)物理模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文中的體循環(huán)系統(tǒng)主要組成有：心臟（左心室）、動(dòng)脈、毛細(xì)血管和靜脈[11]。相應(yīng)的設(shè)計(jì)并制作心臟泵、動(dòng)脈模塊、節(jié)流閥和儲(chǔ)液箱四個(gè)模塊來分別模擬其在系統(tǒng)中起到的作用。依據(jù)血液循環(huán)生理知識(shí)并結(jié)合相關(guān)配件將這四個(gè)模塊依次連接完成人體體循環(huán)體統(tǒng)物理模型的搭建。系統(tǒng)框圖，見圖1。

圖1 血液循環(huán)系統(tǒng)模型示意圖

在圖中我們可以看到，心臟泵為循環(huán)系統(tǒng)提供動(dòng)力，保證了循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行。單向閥控制血液的單向流動(dòng)，模擬了人體動(dòng)脈瓣的功能，之后血液流向主動(dòng)脈肱，然后兩分支分別流向肱動(dòng)脈以及人體其他動(dòng)脈。節(jié)流閥模擬了人體毛細(xì)血管的阻尼作用。最后血液流向模擬人體靜脈的儲(chǔ)液罐，完成一次循環(huán)。裝置的實(shí)物圖，見圖2。

下面對(duì)模型的各個(gè)部分做簡(jiǎn)要介紹。綜合考慮研究需求并參考許多其他相關(guān)研究，本文提出了滿足輸出功率的前提下參考人體左心室輸出流量曲線設(shè)計(jì)心臟泵的輸出流量，即設(shè)計(jì)制作一款輸出流量與人體心臟左心室的輸出流量一致的心臟泵[12-13]。因此本文選擇了86步進(jìn)電機(jī)通過滑臺(tái)與柱塞泵的結(jié)合，這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置嚴(yán)格由脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)控制，在載荷范圍內(nèi)可以不受負(fù)載的影響。

圖2 血液循環(huán)系統(tǒng)實(shí)物圖

心臟的搏動(dòng)周期約為0.8 s，每搏輸出量約為70 mL。通過計(jì)算，我們最終選擇SC80×100標(biāo)準(zhǔn)氣缸作為本模型的柱塞缸，導(dǎo)程是4 mm、行程為100 mm的滑臺(tái)。轉(zhuǎn)矩為7 N·m的86BYGH1148型號(hào)步進(jìn)電機(jī)，以及型號(hào)為HST886A的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（圖3）。這樣就可以保證設(shè)計(jì)的心臟泵在動(dòng)力上滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖3 心臟泵設(shè)計(jì)圖

人與人之間有一定的生理學(xué)差異，但是參考相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)心臟在收縮期和舒張期會(huì)呈現(xiàn)出很多共性：舒張期的流量幾乎為零，收縮期可用一個(gè)分段正弦函數(shù)來逼近[14]。因此是可以用近似函數(shù)來代表左心室流量輸出的，本文的設(shè)計(jì)中輸出流量的表達(dá)式如下：

將上式作為心臟泵的流量輸出參考就可以達(dá)到模擬左心室輸出流量的目的。基于以上實(shí)際中遇到的問題，本文選用51單片機(jī)作為本模型中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入設(shè)備，原理是結(jié)合51單片機(jī)中的定時(shí)器功能，通過對(duì)定時(shí)器延時(shí)的編程使其輸出端的脈沖電平高低（占空比）呈現(xiàn)預(yù)定的函數(shù)曲線形式。這樣通過改變定時(shí)器函數(shù)中的某幾個(gè)參數(shù)就可以達(dá)到對(duì)51單片機(jī)輸出脈沖頻率和脈沖個(gè)數(shù)的控制。該控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)行程的加減還可以分別調(diào)節(jié)兩個(gè)方向的速度，這就可以更生動(dòng)形象地模擬心臟收縮期和舒張期的不同時(shí)間以及更多種心臟泵血情況。

由于人體實(shí)際組織結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，簡(jiǎn)化為肱動(dòng)脈、骨骼、肌肉和皮脂四部分，參考了英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的研究[15-17]。由于本文想要研究肱動(dòng)脈脈搏波的無創(chuàng)測(cè)量相關(guān)問題，所以本文的動(dòng)脈模塊分兩支，一支模擬肱動(dòng)脈在動(dòng)脈血管系統(tǒng)中的作用，一支模擬動(dòng)脈血管中除肱動(dòng)脈以外其余動(dòng)脈血管的共同作用。同時(shí)在模擬肱動(dòng)脈的血管處引入人體手臂仿體（圖4），以完成袖帶無創(chuàng)采集肱動(dòng)脈脈搏波的目的。骨骼是在真實(shí)的人體手臂骨骼掃描并三維建模后進(jìn)行3D打印制作而成，達(dá)到支撐手臂其余組成部分的目的[18]。肌肉是由0度人體硅膠模具灌制而成。皮脂也是由人體硅膠制作厚度為1～4 mm不等，達(dá)到包裹手臂模塊各組成部分以及模擬人體皮脂的作用。

圖4 仿真手臂實(shí)物圖

靜脈在人體中主要起到儲(chǔ)存血液的作用，本文在系統(tǒng)中引入儲(chǔ)液箱模塊來模擬靜脈的儲(chǔ)存血液的功能，同時(shí)為血液的持續(xù)流動(dòng)提供基礎(chǔ)。儲(chǔ)液箱在容積要略大于人體血液5 L，同時(shí)儲(chǔ)液箱要敞口，模擬了靜脈阻力忽略不計(jì)的特點(diǎn)。小動(dòng)脈和毛細(xì)血管是體循環(huán)系統(tǒng)阻力的主要來源，因此本文在模型中引入阻尼閥模塊（流量調(diào)節(jié)閥）來模擬其對(duì)血流的阻力作用。這樣就完成了物理模型的建立過程。

2 物理模型功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 信號(hào)的采集

由于本文的研究課題是關(guān)于肱動(dòng)脈的脈搏波模擬，因此本文選擇模型肱動(dòng)脈處的收縮壓和舒張壓作為本文的考察對(duì)象。本系統(tǒng)中用來采集脈搏波信號(hào)的BL-420S生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單采集精度高同時(shí)便于數(shù)據(jù)的后期處理。其原理是將要采集的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過放大、濾波等處理，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳輸PC端軟件客戶端進(jìn)行相關(guān)波形的顯示、分析和存儲(chǔ)。

分別在模型肱動(dòng)脈的兩側(cè)接入星儀牌CYYZ61型有創(chuàng)壓力傳感器，稱為前端與后端。由于不同人的血壓正常值是一個(gè)范圍且隨著年齡的不同和身體狀態(tài)的不同人體血壓的正常值也是有所波動(dòng)的。通常人們認(rèn)為收縮壓在90～140 mmHg之間，舒張壓在60～90 mmHg之間即為正常血壓。采集的有創(chuàng)后端模擬的肱動(dòng)脈脈搏波波形，見圖5，可知其收縮壓與舒張壓在正常值范圍之內(nèi)。

圖5 模擬肱動(dòng)脈脈搏波波形圖

2.2 系統(tǒng)的驗(yàn)證

上文對(duì)模型模擬的脈搏波的靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，下面要對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)即考慮某一參數(shù)對(duì)脈搏波的影響。參考相關(guān)文獻(xiàn)并根據(jù)實(shí)際情況考慮，我們選擇外周阻力這一參數(shù)作為本文的考察對(duì)象。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的外周阻力增大時(shí)，系統(tǒng)的收縮壓和舒張壓會(huì)相應(yīng)的增大，脈壓差會(huì)減小[9]。

調(diào)整好系統(tǒng)并使其穩(wěn)定運(yùn)行然后調(diào)節(jié)阻尼器來逐漸增大系統(tǒng)的外周阻力，然后實(shí)時(shí)采集有創(chuàng)后端肱動(dòng)脈處的脈搏波波形。我們通過節(jié)流閥來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的外周阻力。節(jié)流閥分別處于全開，關(guān)閉五分之一，關(guān)閉五分之二等等，分別記為R1～R5。模型中外周阻力從R1增加到R5時(shí)的肱動(dòng)脈脈搏波對(duì)比圖，見圖6。

圖6 不同外周阻力下脈搏波波形

可以看到隨著節(jié)流閥的關(guān)閉，外周阻力不斷增大，此時(shí)收縮壓和舒張壓上升，脈壓差下降，說明該模型符合人體體循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特征。

3 結(jié)果

3.1 皮脂厚度對(duì)血壓無創(chuàng)采集的影響

為了研究人體上臂皮脂厚度對(duì)血壓采集的影響，本文基于本模型及手臂仿體，同時(shí)制作了厚度不同的仿真皮膚來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。具體方法為：調(diào)整模型使其手臂肱動(dòng)脈處收縮壓為90 mmHg，舒張壓為60 mmHg并穩(wěn)定運(yùn)行，用仿真皮膚分別包裹手臂，再用電子血壓計(jì)分別測(cè)量血壓情況，每種厚度情況多次測(cè)量取平均值。

我們?cè)诜抡媸直凵戏謩e包裹不同厚度的仿真皮膚，分別使用電子血壓計(jì)進(jìn)行測(cè)量（圖7）。種皮脂厚度情況下血壓測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總，見表1。

圖7 仿真手臂與多功能生理信號(hào)采集系統(tǒng)

表1 四種皮脂厚度的血壓測(cè)量結(jié)果

從數(shù)據(jù)中可以看出隨著皮膚厚度的增加，收縮壓和舒張壓均增大。該結(jié)果符合人體生理?？山忉尀槠は轮緦釉龊駮?huì)顯著阻礙袖帶與肱動(dòng)脈間的壓力傳導(dǎo)，使袖帶壓力在傳導(dǎo)過程中損失過多。也解釋了肥胖的人無創(chuàng)測(cè)血壓值偏高的部分原因，即脂肪層較厚導(dǎo)致測(cè)量值偏高[19]。

3.2 袖帶壓對(duì)肱動(dòng)脈脈搏波采集的影響

無創(chuàng)采集脈搏波與無創(chuàng)測(cè)血壓不同，采集的時(shí)候袖帶充氣到目標(biāo)壓力后不放氣，即保持該袖帶壓力不變的情況下進(jìn)行脈搏波的持續(xù)采集。通常在無創(chuàng)采集肱動(dòng)脈脈搏波的時(shí)候袖帶壓的大小對(duì)采集結(jié)果有很大的影響。下面本文將對(duì)該影響因素進(jìn)行討論。

調(diào)整模型使其手臂肱動(dòng)脈處收縮壓和舒張壓在人體正常值范圍內(nèi)并穩(wěn)定運(yùn)行，使用泰盟公司研制的生理信號(hào)采集系統(tǒng)在模型肱動(dòng)脈處進(jìn)行有創(chuàng)壓力信號(hào)的采集，同時(shí)用恒德公司研制的多功能生理信號(hào)采集系統(tǒng)為手臂仿體進(jìn)行脈搏波信號(hào)的無創(chuàng)采集，記錄袖帶壓從0 mmHg增加到250 mmHg，間隔10 mmHg時(shí)的有創(chuàng)采集與無創(chuàng)采集的數(shù)據(jù)并重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)多組。

為研究袖帶壓對(duì)無創(chuàng)脈搏波信號(hào)的影響，本文分別將不同袖帶壓下無創(chuàng)的脈搏波信號(hào)分別與其真實(shí)脈搏波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比（圖8～10）。如圖所示，由于篇幅限制這里僅取袖帶壓分別為50、100和200 mmHg時(shí)的脈搏波對(duì)比圖，圖中實(shí)線為袖帶壓為0 mmHg時(shí)有創(chuàng)測(cè)量的脈搏波信號(hào)，即脈搏波信號(hào)的真實(shí)值，虛線為袖帶壓加壓后的有創(chuàng)前端的脈搏波信號(hào)。從對(duì)比圖中我們可以看出，當(dāng)袖帶壓改變時(shí)，無創(chuàng)采集測(cè)量得到的曲線有著較大的差異，也就是說袖帶壓的增加對(duì)無創(chuàng)脈搏波的值的影響較大。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合臨床醫(yī)學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[20]。信號(hào)領(lǐng)域常用的波形匹配度，見圖11。

4 討論

本文介紹建立了人體肱動(dòng)脈的物理模型的一種方法。該領(lǐng)域研究最方便的方法就是通過人體進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)，但是對(duì)人體的直接測(cè)量受到多方面的限制。例如個(gè)體的差異以及難以進(jìn)行控制變量分析等，并且可以輸出穩(wěn)定的信號(hào)。該物理模型是針對(duì)體循環(huán)系統(tǒng)生理壓力環(huán)境來建模的，它可以通過改變參數(shù)，為很多體循環(huán)系統(tǒng)的相關(guān)研究提供一個(gè)實(shí)物平臺(tái)，提高研究效率與準(zhǔn)確性，縮短研究周期。本文通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該裝置的有效性，該裝置可以擴(kuò)展應(yīng)用在非常多的科學(xué)研究領(lǐng)域，因此基于該平臺(tái)去研究更多的相關(guān)科學(xué)問題是未來研究的一個(gè)思路。

圖8 袖帶壓50 mmHg和0 mmHg對(duì)比圖

圖9 袖帶壓100 mmHg和0 mmHg對(duì)比圖

圖10 袖帶壓200 mmHg和0 mmHg對(duì)比圖

圖11 無創(chuàng)不同袖帶壓下脈搏波與有創(chuàng)脈搏波波形匹配度

本研究之后通過兩組實(shí)驗(yàn)得知，對(duì)于比較肥胖的人群，其皮脂厚度較大，會(huì)導(dǎo)致血壓的測(cè)量值比真實(shí)值高，造成測(cè)量的誤差，因此今后在電子血壓計(jì)的制作過程中應(yīng)該把人體的肥胖程度納入考慮的因素之一，這樣可以大大增加血壓計(jì)的精確度。在無創(chuàng)脈搏波采集的過程中，不同的袖帶壓會(huì)對(duì)脈搏波的采集產(chǎn)生影響。本研究中實(shí)驗(yàn)結(jié)果與人體實(shí)際相吻合，證明該物理模型的科學(xué)有效。

5 結(jié)論

本論文從模型的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試最后到實(shí)驗(yàn)都取得了一些有價(jià)值的成果，在輔助相關(guān)科學(xué)研究上也有很好的便捷性。但是由于人體心血管循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，包含眾多的調(diào)節(jié)機(jī)制以及受很多因素的影響，所以本模型如果想達(dá)到更逼真的模擬效果還是有很多需要提高的地方的。例如在心臟泵輸出這一部分引入反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，這樣就可以更真實(shí)的模擬人體心臟供血的情況；在制作材料的選擇上可以嘗試非金屬化；在分支上可以考慮更多的分支等等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、新型材料的提出以及權(quán)威理論的形成，將會(huì)有更多更好的方案應(yīng)用于改進(jìn)中。