[发明专利]一种融合生物电阻抗技术的颈总动脉血流动力学参数检测方法

权利要求书

1.一种融合生物电阻抗技术的颈总动脉血流动力学参数检测方法，其特征在于，建立描述颈部表面电阻抗和颈总动脉血流电阻抗之间定量关系的数学模型，检测颈部表面电阻抗，基于建立的数学模型计算得到颈总动脉血流电阻抗波形，颈总动脉血流电阻抗进一步根据欧姆定律计算得到颈总动脉内径波形根据颈总动脉内径波形和电子血压计袖带测量的肱动脉平均压和舒张压大小标定得到颈总动脉血压波形；根据连续式超声多普勒原理测得颈总动脉的平均血流速度波形；由颈总动脉平均血流速度和颈总动脉内径波形得到血流量波形，进一步得到颈总动脉血管壁面剪切应力、颈总动脉血管的周向应变，并且将压力和流量波形进行Fourier分解，得到颈总动脉下游脑血管床输入电阻抗的幅度—频率、相位—频率曲线；通过四元件集中参数模型和最小二乘法拟合输入阻抗曲线，得到颈总动脉后负荷的四元件集中参数。

2.根据权利要求1所述的一种融合生物电阻抗技术的颈总动脉血流动力学参数检测方法，其特征在于，建立描述颈部表面电阻抗和颈总动脉血流电阻抗之间定量关系的数学模型具体方法如下：

颈部表面电阻抗由颈总动脉血流电阻抗与椎骨、肌肉组织层电阻抗并联构成，则总电阻抗Z_out满足：

其中，Z_out为测量的颈部表面电阻抗；Z为颈总动脉血流电阻抗；Z_b/m为椎骨和肌肉层的总电阻抗；设椎骨和肌肉组织的电阻抗为定值；在静息状态下，利用电阻抗技术测量颈部表面电阻抗Z_out，同时利用多普勒超声仪测量颈总动脉的内径波形，计算颈总动脉血流电阻抗Z，由方程(1)计算得到Z_b/m；通过计算电阻抗波形对颈总动脉内径波形的标定，引入校正因子k，根据方程(1)得颈总动脉血流电阻抗Z的计算公式为：

于是，颈总动脉内径R计算公式为：

其中，σ表示血液的电导率，l为动脉段的长度，Z为颈总动脉的血液电阻抗。

3.根据权利要求1所述的一种融合生物电阻抗技术的颈总动脉血流动力学参数检测方法，其特征在于，根据内径波形和电子血压计袖带测量的肱动脉平均压和舒张压大小标定得到颈总动脉血压波形的具体过程为：

动脉内的内径与血压之间存在线性的关系，即颈总动脉的内径波形与血压波形相类似；颈总动脉处压力的平均压p_m和舒张压p_d，分别与肱动脉处的平均压p_m-mea和舒张压p_d-mea相等；使用电子血压计袖带测量的肱动脉收缩压p_s-mea和舒张压p_d-mea计算平均血压的公式为：平均血压进一步标定颈总动脉内径波形得到颈总动脉血压p(t)波形。

4.根据权利要求1所述的一种融合生物电阻抗技术的颈总动脉血流动力学参数检测方法，其特征在于，

颈总动脉等效成具有各向同性的薄壁弹性长直圆管，描述人体颈总动脉脉动流的Navier-Stokes方程简化为：

其边界条件为：

其中，u代表着血液流动的轴向速度，p是血压，η和ρ分别表示血液的粘度和密度，x和r分别表示轴向坐标和径向坐标；

设压力梯度为周期波形，其分解为Fourier级数，表示为：

则方程(4)的Womersley解为：

其中，A(ω_n)是压力梯度对应于圆频率ω_n的谐波分量，ω_n＝2nπ/T，T为一个心动周期，n为谐波数，为Womersley数，J₀为第一类零阶Bessel函数，y＝r/R_mean表示相对半径，R_mean为一个心动周期内颈总动脉内径的平均值；

利用连续多普勒超声仪检测的颈总动脉平均血流速度u_mean和平均半径R_mean,计算血流量q(t)波形，进一步将q(t)进行Fourier分解，表示为：

式中，Q(ω_n)是流量对应于圆频率ω_n的谐波分量，另一方面，将轴向速度u(y,t)沿截面积分，得血流量q(t)的表达式为：

其中，J₁为第一类一阶Bessel函数；

由公式(7)～(9)将流速u(y,t)用流量q(t)的谐波分量Q(ω_n)表达为：

计算颈总动脉血管壁面剪切应力τ_w：

计算周向应变CS：

其中R_max为最大动脉半径，R_min为最小动脉半径；

颈总动脉下游脑血管床血流动力学参数的计算方法如下：

以颈总动脉下游脑血管床的输入阻抗曲线为拟合目标，提出四元件集中参数模型；输入阻抗表示为压力与流量在频域上的比值，因此使用离散傅立叶变换算法将血压和流量波形同步转换到频域上；

其中，角频率ω_k＝2πk/NT，N为采样总数，T为采样时间间隔，P(ω_k)和Q(ω_k)是频域ω_k下相应的压力和流量，p(t_n)和q(t_n)是时域t_n下的压力和流量；

输入阻抗根据公式Z_in(ω_k)＝P(ω_k)/Q(ω_k)计算，其幅值和相位表示为：

∠Z_in(ω_k)＝∠P(ω_k)-∠Q(ω_k) (16)

得到颈总动脉下游脑血管床输入电阻抗的幅度—频率、相位—频率曲线；

四元件集中参数模型参数求解：

这里，R₁代表颈总动脉段的阻力；C、L和R₂分别代表下游脑血管床的总顺应性，总惯性和总流阻；

等效阻抗表达式(17)的元件参数根据颈总动脉实际的输入阻抗曲线基于最小二乘法拟合得到，使得平方残差和最小，其表达式如下：