生理参数变化对中医脉波图影响规律的研究

为探索中医脉象的形成与人体循环系统及血管生理参数之间的联系,在心血管双弹性腔模型基础上,借助Simulink仿真外周阻力、血管顺应性、血液流动惯性变化对脉波图时域特性的影响规律,并利用中医脉象模拟系统,通过改变血液粘度、血管弹性、外周阻力及取脉压力,实测和验证Simulink仿真结果,建立心血管生理参数与理论模型之间的联系。实验结果表明,血液粘度变化对外周血管阻力有一定影响,血管弹性与顺应性直接相关,同时脉诊的取脉过程也会对血液惯性造成影响,继而改变输出波形。该成果为中医脉诊在动脉硬化、高血粘等疾病早期客观化诊断领域提供了理论支持。     

基于桡动脉血液流动模型对中医最佳取脉压力的解释与验证

中医的脉象是脉搏波受人体的生理参数影响而形成,由桡动脉血液流动模型研究中医的最佳取脉压力,对于脉象仪的发展和中医脉诊的客观化研究具有重要的意义。依据血液动力学的原理、方法和已有的桡动脉血管等效模型,建立了血液通过桡动脉时脉管受外界不同压力时的流动模型,推导出脉动压与取脉压力的关系,从理论上对最佳取脉压力进行了解释。通过脉象仪采集了平脉、浮脉、沉脉三例临床案例验证最佳取脉压力的数学模型,得到了如下临床结果:最佳取脉压力随脉象的不同而不同,平脉脉搏波峰值先增大后减小,取脉压力最大处为取脉压力适中的时候;浮脉脉搏波峰值一直增大,取脉压力最大处为取脉压力很小的时候;沉脉脉搏波峰值一直减小,取脉压力最大处为取脉压力较大的时候。临床结果与理论证明吻合,说明脉动压的大小和取脉压力的大小关系密切,脉动压最大处即最佳取脉压力点。     

PCA算法和数学形态学理论在踝臂指数测量中的应用

踝臂指数(ABI)的准确测量在临床医学诊断中具有重要意义.在测量踝臂指数时,准确测量上下肢收缩压是测量的关键.当袖带加压到可以阻断血管中血液流动时开始缓慢放气,脉搏重新恢复波动的第一个脉搏波所对应的袖带压力就等于收缩压.由于在袖带加压时,不能完全阻断下肢所有血管的血液流动,这样很难准确测量下肢动脉的收缩压.利用PCA算法将混合的脉搏波信号进行分离,对分离后的脉搏波数据用数学形态学的形态梯度理论进行处理.实验表明:将采集的脉搏波信号分离后,应用基于数学形态学的形态学梯度理论可以成功找到脉搏波重新恢复波动的起点,从而可以准确地测量ABI.     

一种基于小波变换的脉搏波速度测量方法

动脉脉搏波速度变化是动脉血管病变的指示剂,因此脉搏波速度的检测对血管疾病的预防和治疗有很大的帮助作用.脉搏波中夹杂的各种噪声干扰会影响测量结果精度.利用小波变换可以去除脉搏波中的各种干扰,实现波形的平滑重构,为提高测量精度打下基础.脉搏波波速的测量精度在很大程度上取决于波速参考点的提取,首次采用二次差分峰值点作为波速参考点,提高了测量精度.临床实验证明,新方法能够有效地分析出脉搏波速度,有助于动脉血管弹性程度的辅助诊断.     

脉搏触压觉有限元建模与分析

基于脉搏图像传感器的结构与工作原理,应用有限元软件ABAQUS,建立脉搏触压觉模型,模拟中医切脉时的触压觉。利用柔性橡胶薄膜模拟手指切脉,并对其进行离散化处理。通过对传感器探测触头施加不同的切脉压力,分析不同切脉压力下橡胶薄膜的受力变形情况。选取参考单元格,根据其面积变化提取脉搏波形,并在时域内提取脉搏信号的特征参数。通过对不同切脉压力下脉搏信号特征参数进行分析发现,当切脉压力为12 N时所获得的波形最佳。该工作为脉象属性的进一步研究奠定了基础。     

基于气体传导的中医脉诊技术研究

针对目前传统脉诊仪存在的成本高、操作方式复杂等问题,为验证基于气压传感器的脉象采集设备可行性,建立左心部位耦合动脉系统、左上肢及气体传导的等效电路模型仿真压力脉搏波与气压脉搏波。根据仿真模型搭建实验平台采集气压脉搏波,使用传统设备采集压力脉搏波,开展对比实验。结果表明：仿真两种波形的皮尔逊相关系数为0.937,实际采集20名被试的压力脉搏波与气压脉搏波的皮尔逊相关系数均值为0.970±0.012,且平均周期脉搏波的时间特征值无显著性差异。这为基于气体传导的便携式脉诊仪发展提供理论支撑。     

基于无线传感器网络的动脉硬化远程监测系统

动脉脉搏波速率(PWV)测量在评价动脉弹性和硬度中具有重要的理论意义和应用价值;针对远程健康监护需求的日益扩大,采用硬件低功耗设计技术同软件节能技术相结合的方法,提出了一种基于无线传感器网络的脉搏波监测系统的硬、软件实现方案;实验结果表明,该系统能够实现对人体动脉脉搏波信号的实时检测,具有较强的抗干扰能力,重复性误差得到了显著的改善,基本保持在0.35%以下;脉搏波信号中所包含的生理信息,有助于对人体动脉硬化的检测,具有较好的应用价值。     

脉搏波信号的提取与双域分析

通过深度解析压力式和光电式传感器检测脉搏波的原理,探索压力式传感器最佳的取脉压,最终实现对所测得的脉搏在时域和频域内分解。对20位志愿者进行脉搏波测量,利用压电薄膜传感器测量最佳取脉压并与身体质量指数(BMI)进行三阶多项式拟合标定,在时域和频域对脉搏波分别进行小波和傅里叶变换。测试结果表明,光电式脉搏波存在淹没特征点的弊端,压力式传感器能清楚地观察到特征点,但由于取脉压的问题导致波形有同体差异性。通过对个体施加最佳取脉压,压力式传感器能以高信噪比来检测脉搏波。时频双域分析可有效提取波形特征点,为连续血液测量提供了良好的数据源。     

斜切工况下采煤机滚筒截割煤岩仿真分析

为研究斜切工况下采煤机滚筒的运动规律及受力特性,利用ADAMS建立了斜切工况下采煤机虚拟样机模型,通过运动仿真得到了斜切工况下采煤机滚筒运动曲线,并以该曲线作为滚筒运动边界条件;采用LS-DYNA对斜切工况下采煤机滚筒截割煤岩进行了模拟仿真,得到了斜切工况下滚筒受力特性。仿真结果表明:斜切工况下滚筒的截割阻力和牵引阻力逐步增大并最终趋于稳定,且截割阻力约为牵引阻力的2倍;滚筒轴向力呈先增大后减小趋势,最大轴向力出现在滚筒轴向位移达到最大时,且滚筒轴向力与轴向位移密切相关;滚筒力矩主要由截割阻力和轴向力产生,且力矩大小变化趋势与产生力矩的作用力的变化趋势一致。     

高速犁体曲面结构参数对耕作阻力的影响研究

针对我国铧式犁高速作业时耕作阻力大、耕地质量差等问题,本文研究了高速犁体曲面结构参数对耕作阻力的影响.首先,分析了基于水平直元线法的高速犁体曲面形成过程,得出对高速犁体曲面作业性能影响较大的结构参数.然后,基于离散元法建立了高速犁体曲面-土壤互作模型,并通过土槽试验和仿真试验验证了该模型的合理性.最后,分别研究了铧刃角θ、导曲线开度l、犁铧安装角ε和高度偏差量ΔH等结构参数对耕作阻力的影响规律.研究结果表明：随着铧刃角的增大,耕作阻力以较快速度增大;随着导曲线开度的增大,耕作阻力逐渐减小;随着犁铧安装角的增大,耕作阻力在较小范围内波动;随着高度偏差量的增大,耕作阻力缓慢增大.     

心血管系统仿真模型的研究

为了深入研究心血管系统的生理机制以及探讨心血管系统的血流动力学参数与心血管疾病之间的关系,文中基于流体力学与电气网络的相关基础理论,根据人体心血管循环系统的解剖模型,提出一种基于集总参数的由体循环、肺循环和心脏组成的心血管系统仿真模型。重点分析了体循环子模型,并利用MATLAB 工具进行数学仿真,得出正常生理状况下的心血管参数,给出收缩压、舒张压、心室血容量等血流动力学参数。根据临床诊断参数调整体循环模型的各个参数,利用计算机仿真出高血压和心衰状况下的血流动力学仿真结果。仿真结果与临床的症状相一致,证明文中提出的模型具有一定的可行性。     

Fluid–structure interaction simulation of aortic blood flow

The numerical tools to simulate blood flow in the cardiovascular system are constantly developing due to the great clinical interest and to scientific advances in mathematical models and computational power. The present work aims to address and validate new algorithms to efficiently predict the hemodynamics in large arteries. These algorithms rely on finite elements simulation of the fluid–structure interaction between blood flow and arterial wall deformation of a healthy aorta. Different sets of boundary conditions are devised and tested. The mean velocity and pressure time evolution is plotted on different sections of the aorta and the wall shear stress distribution is computed. The results are compared with those obtained with a rigid wall simulation. Pulse wave velocity is computed and compared with the values available from the literature. The flow boundary conditions used for the outlets are obtained using the solution of a one-dimensional model. The results of the simulations are in agreement with the physiological data in terms of wall shear stress, wall displacement, pressure waveforms and velocities.     

EVD算法在踝臂指数测量中的应用

踝臂指数测量的关键是上、下肢收缩压值的精确测量,由于脚踝部位有多条动脉血管,一些动脉血管在加压袖带较高压力下也不能被完全阻断,导致下肢收缩压测量出现误差。本文用一维采样数据构建延迟矢量,由这些延迟矢量组成一个内嵌式矩阵,在此基础上对此内嵌式矩阵进行盲信号分离。仿真和实验表明,应用该方法可以分离出脚踝处包含收缩压信息的动脉血管的波动信号,解决了踝臂指数下肢收缩压测量的难点。     

脉搏数据优化研究

目前脉搏信号采集系统以高采样率获取脉搏数据进而实现精确计算脉搏间期和脉率等生理信息,这对硬件设备的要求高,并且需要大量的存储空间。针对该问题,设计一款脉搏采集装置获取脉搏数据,综合脉搏波形特征和自适应阈值进行脉搏波识别,结合曲线拟合原理提出一种基于软件层面对脉搏主波数据进行优化处理的方法。该方法通过软件滤波达到平滑脉搏波形的效果,解决了数据采集过程中产生的过饱和现象和脉搏波不平滑问题,同时能够以60 Hz的采样率达到6 kHz采样率的精度,脉搏识别率达到99.93%以上。通过Matlab仿真实验表明,相比于经典的差分阈值法,该方法实现的脉搏间隔和脉率误差降低,精确度明显提升,节省了存储空间,具有很高的工程实用性。     

Computer analysis of the main parameters extrapolated from the human intracranial basal artery blood flow

In the present work an original mathematical model of human intracranial dynamics is used to analyze the clinical significance of several parameters (systolic, diastolic, and mean blood flow, Gosling pulsatility index, and Pourcelot index) extrapolated from the intracranial basal artery blood flow waveform. In the model all the main phenomena characterizing intracranial dynamics (craniospinal pressure-volume relationship, arterial and venous intracranial compliance, cerebrospinal fluid production and absorption rates, cerebral autoregulation, terminal vein collapse) have been included according to anatomical and physiological data. From an analysis of the model simulation curves we can conclude that, if cerebral autoregulation is working well, only minor changes in blood flow patterns may be expected during moderate intracranial hypertension. However, when intracranial pressure is in the range of 40-60 mm Hg, the pulsatility and Pourcelot indexes exhibit a fairly linear dependence on ICP. However, this dependence may be less evident than expected because of changes in the ICP pulse amplitude. Finally, when the ICP exceeds about 70 mm Hg, the pulsatility index exhibits a disproportionate increase. This condition is associated with an evident increase in blood flow pulse amplitude. Moreover, with the present computer model not only the effect of intracranial pressure changes, but also that of several other biophysical factors (such as arterial compliance, craniospinal pressure-volume relationship, regulatory actions) on the intracranial artery blood flow shape can be analyzed and related to signals obtained using the Doppler transcranial technique.     

Minimally invasive estimation of systemic vascular parameters for artificial heart control

Systemic vascular parameters are important indices of heart condition, incorporating these parameters into the control of a ventricular assist device (VAD) would facilitate the implementation of an effective control strategy. In order to minimize the need for indwelling sensors for obtaining these parameters, an estimator was developed to identify the systemic vascular parameters (characteristic resistance, blood inertance at the aorta, systemic compliance, and systemic resistance) using measurements from the Novacor left ventricular assist system (LVAS) and arterial pressure. Systemic compliance was estimated by the ratio of the LVAS pump stroke volume to the arterial pulse pressure and systemic resistance was calculated by the ratio of mean arterial pressure to LVAS pump output. These two parameters were then used as known parameters in an extended Kalman filter to identify the other unknown parameters using LVAS pump volume and arterial pressure measurements. Performance of the estimator was evaluated using data from a mock circulatory system experiment. The results showed that the estimates converged more accurately in a limited time when arterial pressure was used with the LVAS pump volume as measurements. These parameter estimates can provide diagnostic information for patient and device monitoring and can be used for future VAD control development.     

脉搏波信号采集与分析方法的研究

人体生命体征信息是指人体生理和病理信息,是判断病人的病情轻重缓急以及病情诊断的依据。脉搏信号是人体众多信号中较具代表性的一种,携带有丰富的人体健康状况信息。文章从目前使用较为广泛的两种脉搏信号采集方法出发,着重分析了压力脉搏波信号分析方法的临床适用性及应用现状,提出了应对脉搏波进行更为深入的研究,从而为人体脉搏波信号采集与分析系统的设计提供科学的依据。     

Simulating cyclic artery compression using a 3D unsteady model with fluid–structure interactions

High pulsating blood pressure and severe stenosis make fluid–structure interaction (FSI) an important role in simulating blood flow in stenotic arteries. A three-dimensional nonlinear model with FSI and a numerical method using GFD are introduced to study unsteady viscous flow in stenotic tubes with cyclic wall collapse simulating blood flow in stenotic carotid arteries. The Navier–Stokes equations are used as the governing equations for the fluid. A thin-shell model is used for the tube wall. Interaction between fluid and tube wall is treated by an incremental boundary iteration method. Elastic properties of the tube wall are determined experimentally using a polyvinyl alcohol hydrogel artery stenosis model. Cyclic tube compression and collapse, negative pressure and high shear stress at the throat of the stenosis, flow recirculation and low shear stress just distal to the stenoses were observed under physiological conditions. These critical flow and mechanical conditions may be related to platelet aggregation, thrombus formation, excessive artery fatigue and possible plaque cap rupture. Computational and experimental results are compared and reasonable agreement is found.     

基于压力传感器的高精度血压计系统设计

血压是反映人体生理状况的一项重要指标,血压监测在临床和医疗保健中有着重要的地位。针对传统单片机设计方案测量精度不高、稳定性不好等缺点,采用MSP430单片机与ARM处理器有效结合的方法,设计了一种基于压力传感器的高精度血压计。从脉搏波特征点入手,采用了一种改进的阈值法,能准确检测出多种病理情况下的有效脉搏波峰值,该方法克服了传统阈值法检测脉搏波准确性不高的缺点,方法简单,测量时间短。采用自适应卡尔曼滤波算法拟合包络线,相比高斯曲线拟合效果更好,且易于编程实现。测试结果表明:系统误差小于4 mmHg,测量范围为0~295 mmHg,具有精度高、速度快的特点。     

基于多参数特征融合的无袖带连续血压测量方法

血压是人体的生理指标,连续测量患者每个心动周期的动脉血压数据,是医护人员对患者实时诊断的重要依据。现有的无袖带连续血压测量方法,大多基于脉搏波和心电图两路信号获取特征并进行预测建模,无法涵盖影响血压的多种因素,模型存在一定误差。该文对55位志愿者进行实验,在传统脉搏波和心电信号的基础上,引入心阻抗图等体征信息,探索影响血压测量精度的因素。实验结果表明,基于多参数特征融合的随机森林模型的性能优于基于单个特征的线性模型,其对于收缩压和舒张压预测的平均绝对误差分别为2.56 mmHg、1.91 mmHg。该实验证明了基于多特征融合的无袖带血压预测模型可提高血压预测的精度。