CN102894982A - 基于脉搏波的血液粘度无创检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于脉搏波的血液粘度无创检测方法，属于生物力学和血液流变学领域，其特征在于，利用压力传感器检测桡动脉压力脉搏波，实现血液粘度的无创检测，先建立桡动脉脉搏波与压力梯度、血液流量之间的关系，通过求解常微分方程，得到一个心动周期内不同时刻血液流量的数值解。再建立血流量与血液粘度的关系，从而得到血液粘度。同时，本发明能够实现个性化计算，而且能够最大程度减少患者痛苦，检测手段简单方便，有助于促进血液粘度检测的普遍化和大众化发展，最终实现某些血流动力学疾病的早期预测和临床诊断功能。

Description

基于脉搏波的血液粘度无创检测方法

技术领域

本发明属于生物力学技术，涉及计算机程序，电路设计等，可用于血液粘度的无创检测。

背景技术

血液在血管中流动时，其内部各分子间产生的内摩擦力称作血液粘度。血液粘度是反映血液流体动力学性质和凝固特性的重要指标之一。测量血液粘度对研究某些心脑血管疾病的形成、发展及预防有着极其重要的生理和病理意义。目前临床一般采用离体检测方式，分别利用毛细管粘度计、旋转粘度计等设备测量牛顿型流体和非牛顿型流体的粘度。此类方法有其局限性：由于采血不当会造成血液粘度测定明显的误差；添加抗凝剂会引起血液成分的稀释和改变以及由于测量方法不同,血液的流动状态不同，造成的原理性的误差等。因此，针对传统测量方法中存在的不足，本专利提出了基于桡动脉非线性脉搏波传播理论的血液粘度无创检测方法。

该方法建立不同模块，逐步将可检测到的信息通过压力传感器、A/D转换器、存储器、CPU等多部件进行转换和处理，最终实现粘度的无创检测。在模块建立过程中，首先基于非线性脉搏波理论和流体动量守恒的运动方程，建立脉搏波传播速度与血压波形图的压力梯度关系模型，压力梯度与血流量关系模型，血流量与血液粘度关系模型。然后，建立关于血流量、血管横截面积、压力梯度的常微分方程，通过欧拉方法求解方程，得到一个心动周期内不同时刻的血流量值，继而实现血液粘度的计算。最后通过误差分析判断计算结果是否达到收敛精度。如若收敛，则输出结果；否则将进行迭代计算，重复血流量和血液粘度计算过程。此外，本方法还建立了人体血管半径与个体身高、年龄、肩宽等个性化参数的关系，旨在建立模型生理常数与可测量参数的关系，用测量或计算结果代替生理常数，从而实现本方法的个性化检测。

目前的无创检测方法，主要是利用压力传感器检测桡动脉脉搏波，目测一个检测效果较好的波形并选取该波形进行相关的检测。检测理论主要是计算血压波形随时间变化参数K值，基于弹性管模型理论进行相关计算推导，最终得到粘度值。其最大的缺陷在于，未得到一个心动周期内，血压随时间的脉动变化。不同的血压波形和数值将代表不同人体的生理病理状态，该方法只考虑了血压波形的不同，未考虑血压数值的不同情况。这也是本发明的一个重点。

发明内容

本发明目的在于，避免现有的有创检测手段，实现血液粘度的无创检测。本发明提出的血液粘度检测方法与其他无创检测方法的根本区别在于，基于脉搏波传播理论，通过多个压力脉搏波波形得到一个平均压力波形图，建立该平均血压波形图的压力梯度来进行血流动力学的计算和分析。

本发明的特征在于，在计算机中依次按以下步骤实现的：

步骤（1），计算机初始化：

输入：用压力传感器或袖带血压计检测到的桡动脉压力脉搏波和被测者的脉压值；

被测者的个人信息，至少包括性别、年龄、身高、体重和肩宽；

步骤（2），计算机对输入的桡动脉压力脉搏波进行标定后，得到一个心动周期内被测者的平均脉压P_m；

步骤（3），计算机按下式计算桡动脉压力脉搏波的传播速度c(t)：

$c\left(t\right)=\sqrt{\frac{P\left(t\right)(1+b*\ln \frac{P\left(t\right)}{\mathrm{Pm}})}{\mathrm{\ρb}}},$ 其中：

P(t)，为一个心动周期内各采样点对应的脉压值，

ρ，为血液密度，ρ=1.05*10^-3kg/cm³，

b，为脉搏波波形参数，按下式计算：

$b=\frac{a{\left(\frac{0.81}{k+0.48}\right)}^2-1}{\mathrm{\π}},$

$k=\frac{P_m-P_d}{P_s-P_d},$ 其中：

k，为波形因子，

P_d，为舒张压，P_g为收缩压，均为测量值，

A，为与速度剖面有关的参数，a=0.57；

步骤（4），计算机按下式计算压力梯度F(t)：

$F\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\ρc}\left(t\right)}\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},$ 其中：

为一个心动周期内脉压值对时间的导数；

步骤（5），解如下的血流量常微分方程，得到血流量Q(t)：

$\frac{\mathrm{dQ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\λ}\left(t\right)Q\left(t\right)+\mathrm{\ϵ}\left(t\right)Q^2\left(t\right)=A\left(t\right)F\left(t\right),$ 其中：

$\mathrm{\λ}\left(t\right)=\frac{8\mathrm{\α\γ}}{R^2\left(t\right)}-\frac{\mathrm{\β}[{\mathrm{\β}}_1^2{\left({\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_{2m}\right)}^4-1]}{P_m-[{\mathrm{\β}}_1^2{\left({\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_{2m}\right)}^4-1](P\left(t\right)-P_m)}\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},$

其中：

λ(t)，为血流量随时间变化的一次幂系数，

为血管中自然状态下的半锥角，

β₁，为正常生理条件下血管在体长度与血管受力平衡时长度的比值，β₁=0.57，

β_2m，为血管受力平衡时血管半径与未变形时血管半径比值，β_2m-1.105，

α₂，为生理条件下人体修正系数，

γ，为血液运动粘度，为血液动力粘度与血液密度的比值，在初次计算时，动力粘度为渐进粘度μ₀，为生理条件下，切变率足够大时的理想粘度，μ₀=3.6522081，为设定值，

α、β、β₀，为生理条件下人体修正系数，其中：

α，为计算λ(t)时涉及一个心动周期内血流量随时间变化时的非线性脉搏波传播系数，

β、β₀为计算ε(t)时涉及一个心动周期内血管半径随时间变化时的非线性脉搏波传播系数，

α＝0.57，β＝1.173，β₀＝-1.5，β与血管半径弹性扩张有关，β₀与血管半径弹性收缩有关，

ε(t)，为血流量随时间变化的二次幂系数，

A(t)，为一个心动周期内血管半径随时间变化的函数，描述一个心动周期内血管弹性收缩扩张的动态过程,用下式表示：

A-πR²(t)，其中：

R(t)，反应血管半径随时间的变化，

$R\left(t\right)=R_m*\sqrt{1+b*\ln \frac{P\left(t\right)}{P_m}},$ 其中：

R_m，为被测试者的生理参数，用未变形时血管半径值表示，

$R_m=0.042+0.000625(1+0.36\sqrt{G})\sqrt{\mathrm{hl}},$ 其中：

G，为被测试者年龄，

H，为被测试者身高，

l，为被测试者肩宽；

步骤（6），按下式计算一个心动周期内的平均血流量Q_m，波形参数ξ，切变率D(t)及流量因子S：

$Q_m=\frac{1}{T}{\∫}_0^{t}Q\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{n}Q\left(n\right),$ 其中：

Q(t)，为时刻t时测到的血流量，

N为一个心动周期T内的采样点数，在数值上等于一个心动周期T内的采样时刻数，t=1，2，…t_N，为设定值，

$\mathrm{\ξ}=\frac{k-K_0}{K_0},$ 其中：

K₀，为波形因子K的生理标准值，K_G＝0.33，

$D\left(t\right)=\frac{4\mathrm{aQ}\left(t\right)}{\mathrm{\π}{R}^2\left(t\right)},$

$S=\frac{K_1-K_Q}{K_1},$ 其中：

K₁，为峰值血流量Q_p和平均血流量Q_m比值的正常生理值，K₁=6.35，

K_Q，为峰值血流量Q_p和平均血流量Q_m比值的计算值；

步骤（7），按下式计算一个心动周期内的血液粘度μ：

μ＝μ₀(1+g₁D^-1(t)+g₂D^-2(t))(1+g₃ξ+g₄ξ²)(1+g₅S+g₆S²),其中：

g₁，为对D^-1(t)的修正系数，g₁＝8.16，

g₂，为对D^-2(t)的修正系数，g₂＝47.52，

g₃，为对ξ的修正系数，g₃＝0.7506，

g₄，为对ξ²的修正系数，g₄＝0.03756，

g₅，为对s的修正系数，g₅＝0.0089，

g₆，为对s²的修正系数，g₆＝0.00184；

步骤（8），血液粘度μ的误差判定：

设定：迭代次数至少二次，

计算μ相对u₀的相对误差：

若： $\left|\frac{u-u_0}{u_0}\right|>5\%,$ 令u＝u₀，

则：返回步骤（1），采集下一个心动周期的桡动脉压力脉搏波，重新执行步骤（2）-步骤（7），重新计算u，一直到 $\left|\frac{u-u_0}{u_0}\right|<5\%$ 为止。

本发明基于压力传感器、A/D转换器等硬件设备采集脉搏波信息后，通过计算机完成相关计算，最终得到血液粘度结果。所需的硬件设备简单，操作方便，易检测，同时完成该计算机过程所需时间低于2分钟，最大程度的降低时间成本。所得结果满足生理值4-8范围内，属于临床可接受值。此外，对同一被测者同时进行临床的有创检测和无创检测，所得结果相对误差在20%以内，属于可接受误差范围内。因此，该发明具有较准确的计算结果，同时也有很强的实用意义。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明的压力梯度及流量计算子程序流程示意图。

具体实施方式

首先，利用压力传感器、袖带血压计检测桡动脉压力脉搏波和被测者血压值，并传入计算机进行标定。同时，输入被测试者个人信息，完成计算机初始化过程。

然后，通过压力梯度与血流量关系模型，推导出完全流量方程的数值积分形式如下所示：

$\frac{\mathrm{dQ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)Q\left(t\right)+\mathrm{\&epsiv;}\left(t\right)Q^2\left(t\right)=A\left(t\right)F\left(t\right)$

其中流量参数λ(t)和z(t)分别由以下公式计算得出：

$\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)=\frac{8\mathrm{\&alpha;\&gamma;}}{R^2\left(t\right)}-\frac{\mathrm{\&beta;}[{\mathrm{\&beta;}}_1^2{\left({\mathrm{\&alpha;}}_2{\mathrm{\&beta;}}_{2m}\right)}^4-1]}{P_m-[{\mathrm{\&beta;}}_1^2{\left({\mathrm{\&alpha;}}_2{\mathrm{\&beta;}}_{2m}\right)}^4-1](P\left(t\right)-P_m)}\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

第三步，通过改进方法计算波形因子、切变率、血流量因子三个参数，参数计算方法如下所示：

$\mathrm{\&xi;}=\frac{k-K_0}{K_0},$

$D\left(t\right)=\frac{4\mathrm{aQ}\left(t\right)}{\mathrm{\&pi;}{R}^2\left(t\right)},$

$S=\frac{K_1-K_Q}{K_1},$

第四步，基于非线性脉搏波理论和流体动量守恒的运动方程，建立脉搏波传播速度与血压波形图的压力梯度关系模型、压力梯度与血流量关系模型，并最终得到血液粘度求解模型，如下所示：

μ＝μ₀(1+g₁D^-1(t)+g₂D^-2(t))(1+g₃ξ+g₄ξ²)(1+g₅S+g₆S²)

最后，将参数代入粘度求解方程组中求解粘度值后，进行误差判定。此处，误差定为相对误差，在至少两次迭代过程中，相对误差<5%，停止计算。若结果在误差允许范围内，则输出结果；否则，实现迭代过程。误差计算方法如下所示：

$\left|\frac{u-u_0}{u_0}\right|<5\%$

参照流程示意图，本发明具体实施步骤包括：

步骤1：计算机初始化。包括输入被测者姓名、性别、年龄、身高、体重、肩宽、收缩压、舒张压。采集、显示、存储脉搏波波形，得到平均波形并标定。输入初始粘度值u₀，计算波形因子K值，粘度系数ξ值，波传播速度c值。

步骤2：计算脉搏波传播速度。

步骤3：计算第一时刻压力梯度值。

步骤4：计算第一时刻血流量值并存储，再计算从第2时刻起整个周期的压力梯度及血流量值，包括以下步骤：

1)当1≤t≤t_N时，计算计算压力梯度F(t)，t=t₀=0时刻作为计时起始点，不测量；

2)计算计算流量参数λ(t)、ε(t)；

3)计算每一时刻流量值Q(t)，并存储；

4)t=t+1循环计算；

步骤5：计算平均流量Qm、峰值流量Qp值、平均切变率Dm、峰值切变率Dp、粘度参数S值及其他相关参数值。

步骤6：计算一个心动周期内的血液粘度值μ。

步骤7：进行误差判定。若结果在误差允许范围内，则直接输出结果；否则，返回步骤（1），采集下一个心动周期的桡动脉压力脉搏波，重新执行步骤（2）-步骤（7），重新计算u，一直到 $\left|\frac{u-u_0}{u_0}\right|<5\%$ 为止。

Claims (1)

1.一种基于脉搏波的血液粘度无创检测方法，其特征在于在计算机中依次按以下步骤实现的：

步骤（1），计算机初始化：

输入：用压力传感器或袖带血压计检测到的桡动脉压力脉搏波和被测者的脉压值；

被测者的个人信息，至少包括性别、年龄、身高、体重和肩宽；

步骤（2），计算机对输入的桡动脉压力脉搏波进行标定后，得到一个心动周期内被测者的平均脉压P_m；

步骤（3），计算机按下式计算桡动脉压力脉搏波的传播速度c(t)：

$c\left(t\right)=\sqrt{\frac{P\left(t\right)(1+b*\ln \frac{P\left(t\right)}{\mathrm{Pm}})}{\mathrm{\&rho;b}}},$ 其中：

P(t)，为一个心动周期内各采样点对应的脉压值，

ρ，为血液密度，ρ=1.05*10^-3kg/cm³，

b，为脉搏波波形参数，按下式计算：

$b=\frac{a{\left(\frac{0.81}{k+0.48}\right)}^2-1}{\mathrm{\&pi;}},$

$k=\frac{P_m-P_d}{P_s-P_d},$ 其中：

k，为波形因子，

P_d，为舒张压，P_s为收缩压，均为测量值，

A，为与速度剖面有关的参数，a=0.57；

步骤（4），计算机按下式计算压力梯度F(t)：

$F\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\&rho;c}\left(t\right)}\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},$ 其中：

为一个心动周期内脉压值对时间的导数；

步骤（5），解如下的血流量常微分方程，得到血流量Q(t)：

$\frac{\mathrm{dQ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)Q\left(t\right)+\mathrm{\&epsiv;}\left(t\right)Q^2\left(t\right)=A\left(t\right)F\left(t\right),$ 其中：

$\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)=\frac{8\mathrm{\&alpha;\&gamma;}}{R^2\left(t\right)}-\frac{\mathrm{\&beta;}[{\mathrm{\&beta;}}_1^2{\left({\mathrm{\&alpha;}}_2{\mathrm{\&beta;}}_{2m}\right)}^4-1]}{P_m-[{\mathrm{\&beta;}}_1^2{\left({\mathrm{\&alpha;}}_2{\mathrm{\&beta;}}_{2m}\right)}^4-1](P\left(t\right)-P_m)}\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},$

其中：

λ(t)，为血流量随时间变化的一次幂系数，

为血管中自然状态下的半锥角，

β₁，为正常生理条件下血管在体长度与血管受力平衡时长度的比值，β₁=0.57，

β_2m，为血管受力平衡时血管半径与未变形时血管半径比值，β_2m＝1.105，

α₂，为生理条件下人体修正系数，

γ，为血液运动粘度，为血液动力粘度与血液密度的比值，在初次计算时，动力粘度为渐进粘度μ₀，为生理条件下，切变率足够大时的理想粘度，μ₀=3.6522081，为设定值，

α、β、β₀，为生理条件下人体修正系数，其中：

α，为计算λ(t)时涉及一个心动周期内血流量随时间变化时的非线性脉搏波传播系数，

β、β₀为计算ε(t)时涉及一个心动周期内血管半径随时间变化时的非线性脉搏波传播系数，

α＝0.57，β＝1.173，β₀＝-1.5，β与血管半径弹性扩张有关，β₀与血管半径弹性收缩有关，

ε(t)，为血流量随时间变化的二次幂系数，

A(t)，为一个心动周期内血管半径随时间变化的函数，描述一个心动周期内血管弹性收缩扩张的动态过程,用下式表示：

A＝πR²(t)，其中：

R(t)，反应血管半径随时间的变化，

$R\left(t\right)=R_m*\sqrt{1+b*\ln \frac{P\left(t\right)}{P_m}},$ 其中：

R_m，为被测试者的生理参数，用未变形时血管半径值表示，

$R_m=0.042+0.000625(1+0.36\sqrt{G})\sqrt{\mathrm{hl}},$ 其中：

G，为被测试者年龄，

H，为被测试者身高，

l，为被测试者肩宽；

步骤（6），按下式计算一个心动周期内的平均血流量Q_m，波形参数ξ，切变率D(t)及流量因子S：

$Q_m=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^{t}Q\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{N}{\mathrm{\&Sigma;}}_{n=1}^{n}Q\left(n\right),$ 其中：

Q(t)，为时刻t时测到的血流量，

N为一个心动周期T内的采样点数，在数值上等于一个心动周期T内的采样时刻数，t=1，2，…t_N，为设定值，

$\mathrm{\&xi;}=\frac{k-K_0}{K_0},$ 其中：

K₀，为波形因子K的生理标准值，K₀＝0.33，

$D\left(t\right)=\frac{4\mathrm{aQ}\left(t\right)}{\mathrm{\&pi;}{R}^2\left(t\right)},$

$S=\frac{K_1-K_Q}{K_1},$ 其中：

K₁，为峰值血流量Q_p和平均血流量Q_m比值的正常生理值，K₁=6.35，

K_Q，为峰值血流量Q_p和平均血流量Q_m比值的计算值；

步骤（7），按下式计算一个心动周期内的血液粘度μ：

μ＝μ₀(1+g₁D^-1(t)+g₂D^-2(t))(1+g₃ξ+g₄ξ²)(1+g₅S+g₆S²),其中：

g₁，为对D^-1(t)的修正系数，g₁＝8.16，

g₂，为对D^-2(t)的修正系数，g₂＝47.52，

g₃，为对ξ的修正系数，g₃＝0.7506，

g₄，为对ξ²的修正系数，g₄＝-0.03756，

g₅，为对S的修正系数，g₅＝0.0089，

g₆，为对S²的修正系数，g₆＝0.00184；

步骤（8），血液粘度μ的误差判定：

设定：迭代次数至少二次，

计算μ相对u₀的相对误差：

若： $\left|\frac{u-u_0}{u_0}\right|>5\%,$ 令u＝u₀，

则：返回步骤（1），采集下一个心动周期的桡动脉压力脉搏波，重新执行步骤（2）-步骤（7），重新计算u，一直到 $\left|\frac{u-u_0}{u_0}\right|<5\%$ 为止。

Images