无创血流动力学检测的实现及其意义

无创血流动力学检测的实现及其意义 山西大学(自然科学版)26(3):227,230,2003 JournalofShanxiUniversity(Nat.Sci.Ed.) 文章编号:0253—2395(2003)03—0227—04 无创血流动力学检测的实现及其意义 解光亮,屈晓田 (山西大学物理系,山西太原030006) 摘要:论述了无创血流动力学检测的意义;介绍了无创血流动力学检测的原理和方法;提供了一种实现无创血流 动力学检测的HES(hemodynamicelectrocardiogramsystem)系统.HES系统可提供丰富的血流动力学参数,心电 图参数和脉象分析参数. 关键词:无创检测;血流动力学;心血管疾病;心电图;脉搏;脉象;HES 中图分类号:0627文献标识码:A 1无创血流动力学检测的意义 目前在大部分医院中如需获得心血管系统病人的血流动力学参数,均采用有创手段.由于费用大,危险性高,适应症少, 获取参数有限,仅限于危重病人必需时的检测,严重制约着对疾病的有效治疗.如果采用无创检测技术,则可以高效,低成本, 无危险,无禁忌症的获取尽可能多的血流动力学参数.无创检测技术 对于危重病人既可用于检查治疗,也可用于脉图和心电 图的同步监测,可及早发现致命性病变,对一般病人则可用于早期诊断,疾病分型,用药指导及预后评估.由于许多心血管系 统的疾病在患者有明显症状前已使不少血流动力学参数发生变化,该技术还可用于心血管疾病高发人群的体检,有利于疾病 的早期发现和治疗.用于施行冠脉血流重建术的病人术前术后的心功能判定,可减少或不做冠脉造影检查,减少病人的痛苦 和降低治疗费用.在临床研究和治疗中,无创检测技术可以方便的获取治疗效果的客观数据,有利于治疗方案的改进.本文介 绍新一代实现无创血流动力学检测的 HES(hemodynamicelectrocardiogramsystem)系统.该系统可以实现血流动力学参数, 心电图参数和中医脉象参数的同步检测和分析,可提供血流动力学参数53项,心电图参数18项,脉象参数6项.这些参数均 具有重要的临床意义. 2无创血流动力学检测的原理和方法 2.1无创血流动力学检测原理 众所周知,中医诊断的最重要手段是号脉,通过脉象分析疾病.也就是说各种疾病都会影响到脉搏的搏动特征.对于直接 影响脉搏搏动的心血管系统,它的任何病变或功能改变必然导致脉搏搏动特征的变化.从物理学的角度讲,实际是粘性流体 (血液)在周期性泵浦力的作用下在弹性管中的流动.弹性管(血管)上 任一位置在血液流过时的搏动必然能反映出泵浦源(心 脏)的状态.它既遵循相关的物理学定律,也遵循人体循环理论的医学规律.这就为我们通过脉搏传感器获取脉搏搏动图象并 分析计算与脉搏搏动特征密切相关的血流动力学参数提供了物理学和医学的基础,心血管病专家,南昌市中西医结合医院张 大祥教授依据循环生理学,微分方程理论,数理统计理论和I临床医学基本原理,在进行动物实验,人体对照并获取大量临床观 察数据的基础上.建立了脉图检测循环动力学的数学模型,提出了脉图新理论,确定了脉图中各特征数据同血流动力学参数 的计算公式,并对大量实测数据进行统计分析,获得了各个参数健康人群各年龄段的统计平均值_1].解放军163医院心血管病 专家何素荣教授则据此理论研制出了我国第一代微机脉搏循环动力参数检测仪_2.],在其多年的临床应用中发挥了重要作用 收稿日期:2003—02—24 作者简介:解光亮(1956一),男,山西交城人,1982年毕业于北京大学物理系,现在山西大学物理系任教,讲师,主要从事 材料物理,大学物理,计算机语言的教学和研究. ?…ill一疆E一啊 228山西大学(自然科学版)26(3)2003 并写出了根据无创检测参数进行诊断的专着. 2.2无创血流动力学检测方法与步骤 (1)让患者安静平卧,将脉搏传感器戴于其腕部动脉处获取脉搏搏动信号并送到采样盒脉图输入端,将任一胸导联的心 电图信号送到采样盒心电输入端,经放大和A/D转换后由计算机自动连续采集,得到如图1所示的在屏幕上连续滚动显示的 脉搏搏动图和心电图. (2)从屏幕上选取一个完整且不失真的脉搏搏动图. (3)由计算机用数值微分算法确定脉图上各个极值点和拐点,它们都 是脉图分析中的特征点.由特征点的位置和高度计算得到血流动力学参 数计算的初始特征数据,参见图2.其中bc,e,e为特征点高度;Tbc, Tbe1,Tbe2,Tef,Te1f,Te1b,Tbb为各时相点间的时间差;TEC为R波出 现到心脏开始收缩的时间,称之为EC耦联.这些参数在征心脏功能方 面都有确定的医学意义. (4)计算机根据初始特征数据按张大祥先生建立的数学模型所确定 的计算公式即可算得表l所列全部血流动力学参数,并打印出检测报告. 2.3无创血流动力学检测的可靠性 无创血流动力学参数检测方法可靠,稳定[2,3,43检测结果具有高度的 可靠性:脉图诊断冠心病与冠状动脉造影对照符合率达93.5;脉图无 创检测肺动脉压力与心导管对照相关系数0.93;脉图检测心搏血量 与电 磁流量计对照相关系数0.951;计算方程同实验曲线拟合的相关系数绝 大部分都在0.99以上I:1]. 3HES系统的特点 HES系统是新一代的无创血流动力学检测系统,它对MB,II系统做 了如下重大改进: (1)MB—II系统是在早期的Apple—II微机上开发的,软硬件功能有 限.HES系统是在IBM,PC系列微机上研制的,软硬件功能都可做得很 强. (2)MB—II系统仅采集脉图信号,HES系统则同时采集心电图信号, 可同时提供包括E,C耦联参数在内的l8项心电图测量数据.实现了血 流动力学参数和心电参数的同步监测和同步分析,为诊断提供了更多的 信息. 八jj一.-tj,j.0.i::.0,.…::蕊:? :!I薯I::;’:’舅律涟}l【lIl fI一0蕊.习臻臻.j,::誊: ‘ 一kI=::l,誊黝融氍i:季I: ;:,:iii!:.1i~iliTi:I越.I蠢I.融;譬珏东譬:董 :: 列:;;::’:一l.蕾鼍’ 图l脉搏波形图和心电图 图2特征数据示意图 (3)MB,II系统的定点全部由操作者进行,人为因素较大.HES系统则全部由计算机按给定算法进行,结果更加可靠.当 然,仍保留了人工定点功能,既为有经验的操作者提供了研究定点位置同血流动力学参数间的关系提供了方便,也为特殊形 状脉图的处理多提供了一种手段. (4)HES系统对脉图的特征数据进行了更多的分析,可同时用图示法和数值法形象地给出中医脉象中脉率的迟数,脉道 的宽窄,脉峰的长短,脉波的滑涩,脉道的张力大小及弦软等6项指标的信息.为中医的脉象研究和教学提供了客观的指标. (5)HES系统的采样盒设计为更合理的插件式,为克服电位器精度差,易磨损的不足,采用专门设计的极为可靠的键 控自锁电路使增益控制更加方便可靠. (6)检测报告在标准,体检,急诊三种模式间任选,更加方便实用. HES系统经何素荣教授在深圳流花医院临床应用,证明比原系统更先进可靠5.是一个值得推广的系统.HES系统提供 53项血流动力学参数,各参数的符号(英文缩写),健康人统计平均值范围及单位见表1. 这些参数可分为11类,其具体意义如下: 冠脉循环参数7项:CMR(CoronaryarterialMustResistance)冠脉必需阻抗,维持心肌血氧供需平衡所要求的阻抗值; MOC(MyocardialOxygenConsumption)心肌耗氧量,心肌作功所消耗的氧量;MEM(MyocardialvolumeElasticModulus)心 肌体积弹性模量,反映喷血期心肌的顺应性;MER(MechanicalEfficiencyRatioofventricular,arteria1)心室动脉机械效率比, 心室一动脉耗能状况的比 值;CPRM(CoronarycirculationPeripheralRegulatoryMechanism)冠脉外周调节机能,心肌血氧供 需平衡的冠脉以外血流动力学综合调节机 能;MNB(MyocardialNecessaryBlood)心肌需血 量;ASE(ArterialStaticYoung,s Elasticitymodulus)动脉静态杨氏弹性模量. 一l一疆__1礓硼口lr… 解光亮等:无创血流动力学检测的实现及其意义229 表1参数符号,统计平均值,单位表 符号统计平均值单位符号统计平均值单位符号统计平均值单位 CMR219,361g/cmSFSA1.07,1.60/PaVRCO.O22,0.038 M0Cl1.9,19.6mL/minFELO.8O,1.33/PaPEP59.8,89.8mS MEM668,1110g/cmsFES3.6,3.9LVET233,276mS MER1.37,2.19LTPF5.78,7.58DyneEVDP47.9,75.1mS CPRM20.4,30.8LEP1.63,2.13DyneLVFP553,78OmS MNB237,391mL/minCTP279,445J/minSMP1.28×10s,1.55×10sPa ASE37.6,52.4g/cmS.LVEP65.2,107J/minDMP1.01×10s,1.25×10sPa SV76.4,104mLHR59,77/minMAP1.09×1O5,1.33×1O5Pa C04.95,7.21LLEERO.255,0.305MPP1.60×104,2.67×10sPa CI2.87,4.35L/minm2MECO.42,0.66/SEP8.24×1O4,1.35×1OPa EFO.592,0.708STIO.23,0.35LEDV127,147mL LESV44.1,51.3mLATB24,35SLEDP3.50×1O3,1.16×104Pa ECV2.55,3.89LBAT15.3,22.7SAV114,152mL TBV4.69,7.19LBSDO.217,0.383LAFP8.41×1O3,2.68×104Pa SFCO.295,0.565/SBARO.O23,0.037/S2TPR1158,1593g/cmS VFC1.48×10a,1.96×10a/PaSTCO.O31,0.049/SLER1O6,151g/cmS SRCO.11,0.45LTCO.351,0.449/SMCR3.16,4.06 FCAO.OO3,0.OO7mLTATO.14,0.24/S *单位栏空白者为无量纲参数 体积,流量参数7项:SV(StrokeVolume)每搏心输出量;CO(CardiacOutput)每分钟心输出量;CI(CardiacIndex)心脏指 数,单位体表面积的每分钟心输出量;EF(EjectionFraction)射血分数,每搏心输出量与左室舒张末期容量的比值;LESV(Left ventricularEndSystolicVolume)左室收缩末期(心室内)容量;EVC(EffectiveCircleVolume)有效循环容量,维持大循环充盈 压及组织有效灌注与全身血流分配所具有的血液容 量;TBV(TotalBloodVolume)总血容量. 反馈系数7项.-SFC(SympatheticFeedbackCoefficient)交感反馈系数,心肌能量转化系数与心室舒张末期容量的反馈系 数:VFC(VagusFeedbackCoefficient)迷走反馈系数,左室输运系数与舒张末期容量间的反馈系数;SRC(Synthesized ReflectionCoefficient)综合反馈系 数;FCA(FeedbackCoefficientofStrokeVolumeandArterialtransportcoeffici ent)动脉输 运系数与心搏心量间的反馈系 数;FSA(FeedbackcoefficientofSystolicmeanpressureandArterialtransportc oefficient)动脉 输运系数与平均收缩压间的反馈系 数;FEL(FeedbackcoefficientofEjectionpressureandLeftventricu1artranspo rt coefficient)左室输运系数与射流压力间的反馈系 数;FES(FeedbackcoefficientofEjectionfractionandStrokevolume)喷血分 数与喷血量间的反馈系数. 心肌力能参数8项:LTPE(LeftventricularTotalPumpForce)左室总泵力,心脏每搏期间心肌收缩产生的总泵力;LEP (LeftventricularEffectivePump)左室有效泵力,左室收缩泵出血液的有效泵力;CTP(CardiacTotalPower)心脏总功率,单位 时间内心脏所做的功(左右心室功率之和);LVEP(eftVentricularEffectivePower)左室有效功率,单位时间内左心室所做的 功;HR(HeartRate)心率;LEER(eftvetricularEffectiveEnergyoutputRate) 左室有效能量输出率,同一时间内左室有效功率 与心脏总功率的比值;MEC(MyocardialEnergyconversionCoefficient) 心脏能量转化系数,它反映心肌的收缩速率;STI (SystalticTimeIntervals)收缩时间间期. 微循环参数4项:ATB(AveragedetainedTimeofBloodf1ow)血液平均滞留时间,在毛细血管网中所含的一定数量的血 液分子,在更新过程中在该处停留的平均时 间;BAT(BloodflowAlternateTime)血流更新时间,血液更新所需的时间;BSD (BloodflowSmoothDegree)血流平滑度,收缩期与舒张期血流速度之比值;BAR(BloodflowAlternateRate)血流更新率,血 液更新的速度系数. 输运系数4项;STC(SystemTransportCoefficient)系统输运系数,体循环系统血液输出的速率;LTC(Leftventricular TransportCoefficient)左室输运系数.左心室动量输运速率;TAT(TransportCoefficientofArterialTermina1)动脉终端输运 系数,动脉脉动流终端输出的速率;VRC(VenousReturnCoefficient)静脉回流系数,静脉血液流回心脏的速率. 心动周期参数4项:PEP(Pre—EjectionPhase)射血前期;LVET(LeftVentricularEjectionTime)左室射血时间;EVDP ……一一l}F啊n—?口哪r 23O山西大学(自然科学版)26(3)2003 (EqualvolumeDiastolicPhase)等容舒张 期;LVFP(LeftVentricularFillingPhise)左室充盈相. 压力数据5项:SMP(SystolicMeanPressure)平均收缩压,心室收缩期动脉内的平均压力;DMP(DiastolicMean Pressure)平均舒张压,心室舒张期动脉内的平均压力;MAP(MeanArterialPressure)平均动脉压,它是以零为起点的动脉中 的平均压力;MPP(MeanPressurePulse)平均脉压,动脉中脉动压力的平均值;EP(EjectivePressure)射流压力,喷射流在动脉 中引起压力增量的边界值. 前负荷参数2项:LEDV左室舒张末期容量LEDP(LeftventricularEndDiastolicPressure)iCF~舒张末期压力?心室舒张 末期收缩前瞬间的心室压力. 左房参数2项:AV(AtricalVolume)左房容量;IAFP(LeftAtrialFillingPressure)左房充盈压,左房充盈时的压力,左房 压力曲线中的V波. 阻抗参数3项:TPR(TotalPeripheralResistance)总阻抗,左室每搏输出的血液.通过外周血管网络到达中心静脉压等于 零处所遇到的阻抗;LER(LeftventricularEjectionResistance)左室喷血阻抗,心室喷学期所遇到的阻力;MCR (MicrocirculativeResistance)微循环阻抗. HES系统提供的18项心电图数据为:P,Q,R,S,T波的宽度和高度,QRS波群宽度,R—R问期,P—Q间期,Q—T问期,p-q 段时间,s—t段时间,s—t段高度,E—c耦联(心电图R波到脉搏波b1点的时间差). 4结论 (1)无创血流动力学参数检测对心血管系统疾病的诊断治疗和相关研究具有重要意义. (2)无创血流动力学参数检测的原理和方法可靠准确.与有创检测结果相关性好,在大部分情况下可代替有创检测. (3)无创检测获得的血流动力学参数较多,I临床应用范围更宽. (4)HES系统是一个先进可靠的无创血流动力学参数,心电参数及脉象参数的同步检测系统,具有很宽的应用范围,是一 个值得推广的系统. 参考文献: Eli南昌市科委.脉图检测循环动力学研究Ez3.技术鉴定证书,1985. [2]解放军总后勤部.MB—II型脉搏循环动力参数检测仪Ez].技术鉴 定证书,1989. E3]中国发明协会.MB—II型脉搏循环动力参数检测仪Ez].第四届全 国发明展览会金牌奖证书.1989. [4]广州军区后勤部.微机心血管功能测定仪的研制Ez].技术鉴定证 书,1985. [53深圳流花医院.HEs—I血流动力学检测系统临床应用报告 [R].1996. TheRealizationandSignificanceof HurtlesshemodynamicMeasure XIEGuang—liang,QUXiao—tian (DepartmentofPsics,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China) Abstract:Inthispaper,thesignificanceofhurtlesshemodynamicmeasureisdiscussed.Theprincipleand methodofhurtlesshemodynamicmeasureisintroduced.TheHESsystemofrealizinghurtlesshemody- namicmeasureisprovided.TheHESsystemmayprovideabundanthemodynamic,electrocardiogramand pulseconditionalparameter. Keywords:hurtlessmeasure;bloodstreamdynamics;cardiovasculardisease ;Electrocardiogram;Pulse; PulseConditon;HemodynamicElectrocardiogramSystem