（生物医学工程专业论文）基于虚拟仪器的血液粘度测量系统研究.pdf

山东大学硕士学位论文 实验系统进行人体试验，通过分析测量数据，验证本实验系统的有效 性、特异性和可重复性。 关键词：虚拟仪器；血液粘度；无创检测；心血管疾病；脉搏波。 u 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s u l t sf r o mt h e p r e s e n ti n v e s t i g a t i o ns u g g e s t t h a to n eo rm o r e b l o o d t h e o l o g y i n d i c a t o r sh a d a b n o r m i t y b e f o r e m a n yd i s e a s e s ( e s p e c i a l l y c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e sa n dc e r e b r o v a s c u l a rd i s e a s e s ) h a v ed i s t i n c ts y m p t o m i t i n d i c a t e st h ec o u r s eo fd i s e a s e sh a v ea p p e a r a n c ea n dt h es t a t eo fh e a l t ho ft h em a l li s t r a n s f e r i n gf r o mh e a l t h yt os u b h e a l t h y s ot h em e a s u r e m e n to fb l o o dv i s c o s i t yh a v e a l l i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e a tp r e s e n t ，m a n yb l o o d - r h e o l o g yi n s t r u m e n t s 谢t he x c e l l e n t p e r f o r m a n c eh a v e b e e nm a d e b e c a u s et h e s ei n s t r u m e n t sn e e de x s a n g u i n a t e ，g e n e r a l i n v e s t i g a t i o na r ef a c i n gd i f f i c u l t i e s s oam e t h o df o rn o ni n v a s i v ed e t e c t i o no fb l o o d v i s c o s i t yh a sb e e nap r i o r i t yo ft h ea g e n d a b a s e do np r o f o u n ds t u d yo fc a r d i o v a s c u l a rs y s t e ma n dp u l s ew a v et h e o r y , t h e p a p e ra n a l y s i z e dt h a tb l o o dv i s c o s i t yh a v ea ni m p a c to np u l s ew a v e ，a n de s t a b l i s h e d t h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nt og e tb l o o dv i s c o s i t yo u to fp u l s ew a v ec o l l e c t e db yt h i s s y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n , c o m p u t e ra n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ni sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s ，f o ri t ss h o r t m a n u f a c t u r ep e r i o d ，q u i c kt e c h n i c a lu p d a t e ，m o d u l a r i z a t i o n , i n t e r c h a n g e a b i l i t ya n d r e p e a t e du s e n e s s t h i sp a p e rb u i l d e das y s t e mf o rn o n i n v a s i v em e a s u r e m e n to fb l o o d v i s c o s i t yb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n t h es y s t e m ss o f t w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m ：w i n d o w sx p - t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ，l a b v i e w - t h e s o f t w a r e d e v e l o p m e n tt 0 0 1 b ye d i t i n gu n i v e r s a ld a t ac o l l e c t i o nm o d u l e sp r o g r a m ma n dd a t a f u r t h e rp r o c e s s i o n ，t h i ss y s t e ma c h i e v e dt h ep o p u r s eo fm e a s u r e m e n to fb l o o d v i s c o s i t y t h em a i nc o n t a i n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do np r o f o u n ds t u d yo fc a r d i o v a s c u l a rs y s t e ma n dp u l s ew a v et h e o r y , t h e p a p e ra n a l y s i z e dt h a tb l o o dv i s c o s i t yh a v ea ni m p a c to np u l s ew a v e ，a n d e s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nt og e tb l o o dv i s c o s i t yo u to fp u l s ew a v e c o l l e c t e db yt h i ss y s t e m ； ! i i i ii 东大学硕士学位论文 ( 2 ) b a s e do nh a r d w a r ep l a t f o r mb u i l d e d ，t h ep r e s e n tw r i t e rw r o t es y s t e ms o f t w a r e w h i c hi n c l u d e dt h e d e s i g no fi n s t r u m e n t sp a n e l a n dt h e o r g a n i z a t i o no f b a c k g r o u n dp r o g r a m ； ( 3 ) p r i m a r ye x p e r i m e n t ，t h er e s u l t sa n dt h ed i s c u s s i o n s u s i n gt h ee x p e r i m e n t a l s y s t e m ，w ec a r r i e do u tap r i m a r ye x p e r i m e n t b yc o m p a r i n ga n da n a l y s i n gt h e e x p e r i m e n t a ld a t a , t h i sp a p e rv e r i f i e st h ev a l i d i t ya n dt h er e p e a ta c c u r a c yo ft h e d e t e c t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ；b l o o dv i s c o s i t y ；n o n i n v a s i v ed e t e c t i o n ； c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e s ；p u l s ew a v e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盈垂盥 日期：2 翌互：尘堡 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：彳鱼皇! 毖舟师签名 日期：丕孽：兰堡 山东大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 随着人们生活水平的提高和膳食结构的变化，心血管系统疾病的发病率和 死亡率越来越高，被世界卫生组织列为危害人类健康的“头号杀手 。而大多数 心血管疾病仅在其自然病程发展的后期阶段才有临床表现【1 1 ，在疾病的早期， 虽然患者没有自觉症状，但血压、血管阻力、血管弹性、血液粘性等参数实际 上已经发生了变化。如果患者没有意识到这一情况，往往导致突然死亡。随着 人们对自身健康状况的关注程度的提高，人们认识到对心血管疾病的早期诊断 和早期治疗比单纯的后期治疗要重要得多。人体心血管系统作为一个有机整体， 其各部分之间必然是相互联系相互影响的，单一的心脏或者血管状态参数不足 以全面地反映心血管系统整体的功能状态。因此，防治心血管系统的关键在于 利用简单无创的检测手段，通过对心血管系统功能状态的综合评价来实现对心 血管疾病的早期诊断。但是，现有的检测手段多为有创检测，且操作繁琐、检 查费用昂贵，这就大大限制了它们的应用和推广。 国家8 6 3 课题“心血管系统功能状态监测技术及装置”的目的就是研究一 种简便、无创、有效的检测仪器，以实现对心血管系统功能状态的综合评价和 心血管疾病的早期诊断。它的主要研究内容是：研究简单无创的心血管系统检 测技术，从血管硬化度、心脏功能、血液粘度三个方面来全面综合的评价人体 的心血管系统功能状态。 血液粘度是血液流变学检测的一项重要指标，目前国内已研制了多种性能 比较优良的流变学检测仪器，但因需抽取一定血液，在体检普查时引起一定困 难，尤其在需动态观察、一天内多次重复检测时更难以实现，因此一种无创伤、 安全易行、准确、便于多次重复的血液粘度检测方法的研究开发和实现成为当 务之急。 山东大学硕士学位论文 1 2 血液粘度检测技术现状及存在的问题 当相邻两层液体之间产生相对运动时，会产生平行于接触面的切向力。运 动快的流层对运动慢的流层施以拉力，运动慢的流层对运动快的流层施以阻力。 而单位面积上所受的切向力称为切应力。所以切应力表现了流体的一种性质一 一粘滞性。表征流体粘滞性大小的物理量称为流体的粘度。 联系流体粘性切应力与流体切变率之间的关系式称为牛顿粘性定律，即 f = 叩y ( 卜1 ) 式中的比例系数是由流体的粘滞性决定的量，称为流体的动力粘性系数，即流 体的粘度。 目前测量血液粘度，都是先从人体抽取一定量的血液，然后送入粘度计进 行检测，得到不同切变率下的全血粘度值和血浆粘度值等。目前所用的粘度计， 按工作原理可以分为毛细管粘度计和旋转式粘度计。前者按结构分为奥式粘度 计和乌式粘度计，后者按结构分为筒筒式、锥板式、锥锥式和棱 球式粘度计等。 1 毛细管粘度计的测量原理 毛细管粘度计【2 1 如图1 1 所示。基本结构：毛细管、储液池、控温装置、计 时装置。 不同粘度的流体流过相同的管道时，所用的时间不同。流体粘度越大，所 用时间越长。根据p o i s e u i l l e 定理： d ：尘垒( 1 - 2 ) 聊 ， 将待测流体放入容腔中，并让其在重力作用下沿着毛细管向下流动，计时 填满高度为l 的毛细管的时间为t 。 引进平均速度u ，则 一u ：罢：生垒 ( 1 - 3 一)= = = 二l1) 7 吠2 聊 ， 最终解得 2 山东大学硕士学位论文 暑i i i r 一| 一a 一 一_ 一一一i鼍曼曼皇曼鼍曼皇曼曼曼量鼍皇曼皇曼曼 7 7 = 等衄， m 4 ) 对于确定的毛细管粘度计，r 、，、卸都是确定的，所以只要测出填满长 度为1 的毛细管的时间t 即可求出流体粘度7 7 。 计时点 毛细管 图1 1 毛细管粘度计 毛细管粘度计测定牛顿流体粘度可靠，适用于血浆、血清等低粘度样本的 测定，但难以反映全血非牛顿流体的粘度特性。 2 旋转式粘度计的测量原理 圆锥平板粘度计如图1 2 所示。 旋转圆筒粘度计如图1 3 所示。 将血液置于一个切变场中，测量一定切变率y 下所产生的切应力f ， 血液的表观粘度为 p 7 7 = ( 卜5 ) y 以牛顿粘滞定律为理论依据，提供不同的切变率。好的旋转式粘度计【3 1 能 准确提供低切变率i s 1 5 s ，这对研究血液这种非牛顿流体的流变性非常重要。 因为非牛顿流体的流变学只有在低切变率下才能充分显现。然后测定中切变率 i jj 东大学硕士学位论文 和高切变率下的血液粘度。 ( 1 ) 旋转圆筒粘度计 旋转圆筒粘度计由半径分别为钆b 的两圆柱简组成，待测流体放于两筒之 间。通常，一个筒固定，另一个筒以恒定的角速度q 旋转。 由于流体的粘性作用，静止的圆柱筒将承受一个旋转力矩m ，可通过测q 与m 的关系，确定待测流体粘度。 经推导( 详细推导见柳兆荣著心血管流体力学第5 3 页至5 6 页) ，得到 角速度q 与切应力f 之间的关系式 q = i 1f 4 蚴f ( 1 - 6 ) 2 屯f ” 其中f 。、r 。分别为作用在半径为a 的内圆筒和半径为b 的外圆筒面上的切应力： 切变率y = f ( r ) 。 根据关系式( 1 5 ) ，即可得到被测流体的粘度值叩。 ( 2 ) 锥板粘度计 圆锥一平板粘度计主要由锥体与盘体两部分组成。盘体的内平面是一个半 径为a 的圆形平板，在平板上安置一个锥角很大的圆锥。圆锥的顶点与圆板中 心相接触，且锥轴垂直于平板。待测流体放置在锥一板之间的间隙之中。 通常圆锥与平板中有一个是以角速度q 旋转，而另一个静止。由于流体的 粘性作用，静止的圆锥或平板将承受一个旋转力矩m ，我们可以测定盛有待测 流体的锥一板粘度计的旋转力矩m 与旋转角速度q 之间的关系，确定出待测流 体的粘度。 我们不妨假定平板旋转( 旋转角速度为q ) ，圆锥固定。在平板上距中心0 点距离为r 处的点p ，其线速度为m ，与这点相对应的圆锥上的点q 则是静 止的。点p 、q 之间的距离为 h = r t g q d = r 6 t ( 1 7 ) 因而得速度梯度为 多：竺：旦 ( 1 8 ) 1 ，= 一= 一 【l hj 4 l l j 东大学硕士学位论文 速度梯度与r 无关，这说明流体内部的切变率处处相等。 我们知道，非牛顿流体的表观粘度是随切变率y 的变化而变化的，因此， 这种粘度计很适合于非牛顿流体的粘度测定。 进行全血粘度测试时必须设定高、中、低三个切变率条件，在不同的切 变率下测定全血的表观粘度。国际血液学标准化委员会规定高切变率应当在 1 5 0 s ，中变率应当在5 0 , 6 0 s 一，低变率应当在1 5 s 。血液粘度是表征血液 流动阻力的主要参数，血液粘度高表示流动时阻力大，即流动性差；粘度低表 示流动性好。血液粘度的最大特点是，它随着切变率的变化而变化，也就是说 血液粘度的高低与血液的流态密切相关。高切粘度是表征血液较快速的流动时 血液的粘度，它反映红细胞的变形起主要作用时对血液流动的影响；低切粘度 是表征血液较缓慢的流动时血液的粘度，它主要反映红细胞的聚集起主要作用 时对血液流动的影响。 a 一：三卜ii 卜卜i 圆锥 平板 i ： 一r 。巨 ii 图1 2 锥板粘度计图1 3 旋转圆筒粘度计 3 上述检测技术应注意的几个问题 血液是一种复杂的非牛顿流体，必须对测定全过程进行标准化，使结果有 可比性和应用价值，为此国际血液学标准化委员会委托血液流变学专家组对此 进行研究并于1 9 8 6 年提出一项标准化建议，简称i c s h 文件。该建议中提出， 在血液流变学研究中，血液的细胞比容应采用微量血细胞比容离心法1 4 】，即在 大约1 3 0 0 0 9 下离心5 分钟。在以上基础上将已测出压积的毛细管放入5 6 。水 中热浴1 0 分钟，再放入离心机离心5 分钟，可测出微量纤维蛋白原的含型5 1 。 5 山东大学硕士学位论文 在现有测量技术中测定血液粘度时应该注意以下问题： ( 1 ) 采血时间：空腹1 2 小时为宜，不宜饮水和进食。采血前一天不能服用 阿司匹林、潘生丁等抗凝药。 ( 2 ) 血样抗凝：根据国际血液标准委员会的“血液流变学标准化的建议 ， 抗凝剂( 一般用肝素) 用量为1 0 2 0i u m l 血。 ( 3 ) 测定时间：采血后，血样放置时间过短或过长，都会导致所测结果不 准确。时间过短，所测结果偏低，采血后静置2 0 分钟测量为宜。 ( 4 ) 测定温度：当温度低于2 0 c 或高于4 0 时，血浆蛋白及细胞膜均发生 变化，使血液粘度相对增高。一般应在常规环境中储存，且不超过4 小时。 1 3 本课题的研究意义 血液黏度增高表示机体已处在有疾病或无症状的病理状态，应积极采取措 施，预防血栓性疾病的发生。血液黏度增高可见下述疾病： ( 1 ) 冠心病：其增高的程度可反映心肌缺血的严重程度，故血液黏度测定 对预防心肌梗死的发生可提供前瞻性指标。心肌梗死前，血液黏度会增高，尤 其是在低切变率下黏度增高，此项改变往往在其症状出现之前； ( 2 ) 高血压病：红细胞变形性降低，因而引起血液黏度增高； ( 3 ) 脑血栓：由于红细胞聚集增高，血小板聚集增高，血浆黏度增高，红 细胞比容( h c t ) 增高和红细胞变形性降低等共同引起的血液黏度增高； ( 4 ) 各种血液病：如红细胞增多症、白血病、弥漫性血管内凝血( d i c ) 、 异常免疫球蛋白血症等，均可引起血液黏度增高： ( 5 ) 其他疾病：如恶性肿瘤、糖尿病、慢性肝病、高脂血症、深静脉血栓 形成、血容量减少引起的血液浓缩等，均可引起血液黏度增高【6 1 。 有临床资料表明，血液流变学指标的异常，尤其是低切变率血黏度升高， 可发生在脑梗死发病之前。血黏度增高的峰值出现时间的迟早，与脑梗死范围 和严重程度有密切关系。脑梗死患者全血黏度、红细胞压积、纤维蛋白原等显 著升高，与正常人比较有非常显著差异，说明这些指标在脑梗死的发病中起重 要作用1 7 1 。因此，急性脑梗死时血液黏度的增加是一个重要的参考依据，这对 6 山东大学硕士学位论文 治疗有很大的指导作用，如能做到早期发现，超前治疗，及时纠正高黏、高凝 状态，可预防急性脑梗死的发生。 由于大多数心血管疾病仅在其自然病程发展的后期阶段才有临床表现，而 在疾病的早期，虽然患者没有自觉症状，但血压、血管阻力、血管弹性、血液 粘性等参数实际上已经发生了变化。检测血液粘度的重要意义之一就在于它可 以为某些疾病提供一定的预报性资料。甚至在尚无症状之时，就可以在血液流 变参数方面反映出来，如闭塞性血管疾病，可以在一定程度上说明血液流动异 常、停滞与血栓形成等。在一定范围内，血液流变学参数可作为诊断，甚至是 早期诊断、疾病转归和疗效判断的主要指标。由此可见，无创测量血液粘度有 着非常重要的临床意义【羽。 1 4 本课题的主要研究内容 血液流变学检测是目前临床上经常使用的一项检查，其中血液粘度又是血 流变检测中最为重要的一项指标。目前血液粘度的检测都是先从检查者身体抽 取一定量的血液，放入毛细管粘度计或者旋转式粘度计中进行测量。这就使得 血液粘度测量有了很大的局限性。为了克服这些局限性以及实现血液粘度的无 创测量，本文研究开发了一套基于虚拟仪器的血液粘度无创测量系统。 本课题主要有以下研究内容：在深入研究人体心血管系统及其脉搏波理论 的基础上，分析了血液粘弹性对动脉中脉搏波产生的影响及其机理，从而得到 血液粘度无创测量的理论基础；介绍了血液粘度与包括心血管疾病在内的多种 疾病之间的关系，从而得到进行血液粘度测量的临床意义；在以工控机为基础， 以数据采集卡和信号处理卡为中心，搭建的硬件测量平台的基础上，以 l a b v i e w 为软件开发环境编制测量系统的软件部分，从而构建了一套完整的血 液粘度无创测量实验系统；利用该实验系统进行人体实验，通过分析数据验证 本实验系统的有效性、特异性和可重复性。 7 山东大学硕士学位论文 1 5 本课题实现的理论根据及基本思路 血液粘度的高与低代表血液运输的优与劣或血液供应的多与少。血液粘度 增加，循环阻力升高，血流速度减慢，必然导致器官和组织，尤其是微循环灌 流量下降，造成缺血缺氧，影响组织的代谢和功能，从而产生疾病。如高血压、 冠心病、糖尿病、肿瘤、周围血管病等，虽然有诸多致病因素，但均与血液粘 度异常有关。至于血液病、遗传或免疫异常、休克和中毒等疾病的血液流变性 会有更显著的改变。所有病程必然经过了一个或数个血液流变特性指标异常的 阶段，可见血液粘度与疾病的一系列病理过程有着密切的关系。因此，血液粘 度是诊断各种病理过程发展的一个重要指标。通过对血液粘度的检测，可以对 某些疾病的发生、发展、转归以及预后提出依据【9 】。 根据第二章中关于血液粘性对脉搏波的影响的阐述，我们可以知道，血液 粘性对动脉中脉搏波传播的影响比较大，并且考虑血液粘性时脉搏波的振幅会 随着波的传播而逐渐衰减，所以通过对采集到的动脉中脉搏波信号进行分析， 可以得到血液的粘度水平。 并且，在同样的条件( 同一位置处的血管，相同的血管直径) 下，当血液 比较粘稠时，血流速度就会较快【l o l ，反之，血流就较慢。也就是说血流状态跟 血液的粘稠度有关。实验发现，用袖带或其它装置束缚动脉中的血流使其阻断 一定时间，然后突然放开束缚，动脉中的脉搏波会出现从无到有、从d , 至l j 大的 变化过程，即恢复过程。如图1 _ 4 所示( 出自日本伊藤正男的发明专利“动脉 硬化度测定装置”的专利申请书中) 。其中，l 代表阻断时间，乃代表恢复时间。 此恢复过程时间的长短与血液的粘稠度有关。当血液粘度较大时，恢复时间就 会较长；反之，粘度较小时时间就会较短。 在日本伊藤正男的发明专利“动脉硬化度测定装置 中，是通过用袖带压 迫上臂动脉使血流阻断1 分钟，快速松开袖带，测量末端毛细血管内的脉搏波 回复时间，来反映血液粘度水平的。但是，经过我们的实验验证，从毛细血管 内的脉搏波信号中反映不出血液粘度的影响，并且通过上述方法测得的毛细血 管内的光电脉搏波几乎不存在恢复阶段，也就谈不上根据恢复阶段的时间长短 8 山东大学硕士学位论文 来反映血液粘度水平了。 本文在上述专利的基础上，作了以下改进：用袖带压迫上臂动脉使血流阻 断3 0 s ( 1 分钟时间过长，可能会造成被阻断血管生理状态的不可逆转性变化) ， 通过采集袖带快放气之后的同侧桡动脉脉搏波信号，分析波形，计算其恢复时 间，从而反映血液粘度的高低。 本课题中对于血液这种流体的粘度的测量，就是通过测量桡动脉中脉搏波 的幅度从零恢复到正常时所花费的时间，即脉搏波恢复时间得到的。通过实验 证明，脉搏波回复时间乃与血液粘度b v 成正比，与平均血压卯和血管顺应 性c 成反比，即 乃= 七丽b v ( 1 9 ) 所以，血液粘度水平为 b v = k 乃卯c ( 卜1 0 ) 由于平均压b p 和顺应性c 为己知，所以只要求出血流回复时间乃即可得 血液粘度水平b v 。 八八八fif 时一瓜矾n w _- ， 平时脉 平时脉波测定 波测定一 l l 1r r 闭塞时问脉波恢复时间 图1 - 4 测定血液粘度过程中脉波振幅变化曲线图 ( 出自伊藤正男的发明专利“动脉硬化度测定装置”的专利申请书中) 9 山东大学硕士学位论文 第二章血液粘性与心血管系统中脉搏波的关系讨论 心血管流体力学以心血管系统中血液的流动作为自己的研究对象。它将力学 的理论和方法与生理学、医学的原理和方法有机的结合起来，力图用力学的理论 和方法来解释和分析心血管系统中血液流动所呈现的生理现象，阐明血液流动的 基本规律及某些心血管疾病对血液流动的可能影响，以便为心血管疾病的诊断和 防治提供帮助。 2 1 心血管流体力学的发展历史 用现代生理学及数学分析方法研究循环系统的血液流动可上溯到l e o n a r d o d av i n c i 及l e o n h a r de u l e r 。l e o n a r d od av i n c i ( 1 4 5 2 1 5 1 9 ) 正确地叙述了心房和 心室收缩的前后次序，指出动脉管壁随年龄的增长而逐渐变厚变硬的特征，这就 是我们现在所说的动脉粥样硬化的概念。s t e p h e nh a l e s ( 1 6 7 7 - 1 7 6 1 ) 在计算心输 出量方面跨出了第一步，还测量了主动脉的膨胀特性，指出正是由于主动脉的弹 性扩张才使心脏的周期性射血变为血管中血液的平稳流动，并引进了血液流动的 外周阻力的概念，认为外周阻力主要来自于人体中的微血管( 出自参考文献【2 】) 。 血液流动的定量分析的第一篇论文是l e o n h a r de u l e r 在1 7 7 5 年提出的，他 给出了描述不可压缩无粘性流体在弹性管中流动的一维方程。e u l e r 的这组方程 包括反映质量守恒原理的连续性方程和由动量定理建立起来的运动方程。此外， 为了使方程封闭，还假定了血管横截面积和血管内压力之间的非线性关系。他对 血液在动脉管中流动的控制方程虽然作了详细的论述，但却没有给出方程的解 答。 英国医生t h o m a sy o u n g ( 1 7 7 3 1 8 2 9 ) 提出弹性模量的概念。他首次导出了血 液流动中脉搏波的传播速度，公式为 c ：j 觚 ( 2 1 ) o 2 、j 2 p a 。z 一1 其中h 和e 分别是血管壁的厚度和弹性模量，口为血管半径，p 为血液密度，c o 为脉搏波的传播速度。 1 0 山东大学硕士学位论文 y o u n g 还对粘性损失在各动脉管段中所引起的压力降作了估算，虽然他的结 果不如后来的p o i s e u i l l e 公式那样准确，但还是较好的。y o u n g 还估算出血液的 粘性阻力大约是水粘性阻力的4 倍，现在已公认的典型值约为3 5 倍。 1 8 4 0 年p o i s e u i u e 对玻璃管中流动的水、酒精、水银，精确地测定了对应的 压力降，他将结果表示为了如下形式 q = k ( 1 + a t + a t 2 ) p d 4 l ( 2 2 ) 式中p 为长是l 的圆管中的压力降，q 为流量，d 为管直径，t 为温度，k 、a 与a 。为与流体有关的常数。 但是p o i s e u i l l e 定律是直到18 5 8 年由n e u m a n n 和h a g e n b a c h 写出的，形式 为 o ：! ! 生( 2 3 ) 。8 5 其中r 为长管内径，7 为流体的粘度，l 为长管长度。 上述方程式实际上是牛顿流体在圆管内作p o i s e u i l l e 流动( 流体在均匀直圆 管内作完全发展的层流流动，其速度只有轴向分量) 时，体积流量与压力梯度之 间的关系式。 1 9 3 1 年f a h r a e u s 和l i n d q v i s t 发现，当管径从5 0 0 # m 变到4 0 9 m 时，血液的 表观粘度随之减小，即著名的f a h r a e u s l i n d q v i s t 效应。 动脉系统中波传播的现代分析是w o r m e r s l e y 和m c d o n a l d 在2 0 世纪5 0 年 代开始的，他们在线性化模型的基础上，将动脉管处理为弹性薄壁圆管，并考虑 周围组织对血管的约束作用，在此基础上讨论了管内脉动流以及波传播的规律。 2 2 心血管系统及其脉搏波理论 1 心血管系统概述 血液在循环系统中不停地流动，它一面将氧气和营养物质运送到全身各处， 一面又从全身各处把新陈代谢的二氧化碳和其他代谢产物运送到肺和其他排泄 器官排出体外。人体的循环系统包括动力系统和管道系统。动力系统是心脏，管 道系统是血管，心脏和血管组成心血管系统川。 山东大学硕士学位论文 在体循环中，为满足组织器官对氧气及营养物质的需要，动脉系统要将心脏 间歇性收缩射出的动脉血转换成持续地流动状态，这主要依靠动脉的传输、缓冲 和内皮调节功能。在此循环中，血液从左心室出发，流经主动脉及各级分支动脉， 到达各组织器官内的毛细血管，再通过静脉经过右心房流回右心室。而在肺循环 中，血液从右心室射出，流经肺动脉到达肺泡毛细血管网进行气体交换，汇入肺 静脉，经过左心房流回左心室。 2 脉搏波产生的生理机制 脉搏波的产生是由心脏的周期性收缩和舒张引起的。心室收缩时将血液射入 主动脉中，主动脉内压力骤升使之管壁扩张。至减慢射血期和舒张期，主动脉压 开始下降，动脉管壁弹性回缩。动脉管壁随着心室的舒缩而出现周期性的回缩和 舒张，引起周期性的波动，即脉搏波。正常的脉搏波如图2 1 所示： 0 图2 - 1 脉搏波波形图 ( 1 ) o 点，整个波形图的最低点，标志着心脏快速射血的开始。 ( 2 ) p 波，即主波，上升支代表心脏的快速射血期，动脉压迅速上升，管壁 突然扩张。其上升速度与心输出量、心室射血速度、管壁阻力和动脉弹性有关， 可用上升支斜率来表示。如果心输出量较少，心室射血速度较慢，动脉弹性较大， 则上升斜率较小。 ( 3 ) t 波，即潮波，位于脉搏波的下降支，一般位置低于主波而高于重搏波。 它是在心室射血期后期，心室停止射血，动脉内血液逆流而形成的反射波。主要 与动脉阻力、动脉弹性有关。 ( 4 ) v 波，即重搏波切迹，是心室收缩和舒张的分界点。 ( 5 ) d 波，即重搏波，它是心脏停止射血，主动脉瓣关闭，动脉内的血液回 1 2 山东大学硕士学位论文 流撞击在主动脉瓣上形成的波。它反映主动脉瓣的状态、血管弹性和血液流动状 态。 3 脉搏波的研究意义 从脉搏波中提取人体的生理和病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都 受到中外医学界的重视。中国的脉诊早在公元前5 世纪就已开始，提出用三个手 指从脉搏的感觉中分辨五脏六腑的疾病。而在国外研究者中，最具代表性的有 w o m e m l e y ，m c d o n a l d ，b e 唱e l 等，他们建立了动脉管段中脉搏波的线性化模型， 发展了w i n d l ( e s s e l 模型，并在此基础上讨论了动脉脉动流的传播规律。 心血管疾病通常是由占位性病型8 1 引起的。占位性病变一旦在血管里形成， 必然会改变该血管的几何形态( 如变狭窄等) 和力学性质，从而改变脉搏波的传 播特性。脉搏波是一个信息源，如果人们能从无创检测到的脉搏波信号中，准确地 识别出占位性病变引起的血管特性的病理偏移( 变异) ，这无疑是对医学界的一项 重要贡献。 目前，脉搏波信息的研究已经用于以下几个方面： ( 1 ) 中医脉象； ( 2 ) 血压的临床测量； ( 3 ) 心率、心输出量的测量； ( 4 ) 血管顺应性测量。 2 3 血液粘弹性对动脉中脉搏波的影响 通过将血管简化为弹性管，并考虑组织对血管壁的约束，利用力学方法建立 血液流过血管的力学模型1 2 】，对脉搏波在血管中的传播规律进行理论分析研究， 同时分析了血液粘性、血管壁弹性模量、管径对波的传播的影响。通过对考虑血 液粘性和不考虑血液粘性的结果比较，发现血液的粘性对脉搏波的传播的影响不 能忽略，并且当弹性模量增大时，传播速度增大，血流的压力值增高；血管直径 减小时，血流压力也增高，脉搏波速度增大。 为了分析其定性规律，本文中作一定的简化，首先忽略血液的粘性，使其线 性化求出其一般规律，再在此基础上研究血液粘性对脉搏波传播的影响。 本文仿照w o 册e r s l e y 讨论血管粘弹性对脉搏波传播的影响的方法【l3 1 ，来讨 山东大学硕士学位论文 论血液粘弹性对脉搏波传播的影响。首先用一个复粘性系数来描述血液的粘弹 性，并以此代替纯粘性血液所对应的频率方程中的粘性系数，从而得到粘弹血液 所满足的频率方程，进而讨论血液粘弹性对脉搏波的波速和衰减的影响。 对于动脉中的血液脉动流，由w o m e r s l e y 理论可知，当假设血液是不可压 缩牛顿流体，流动是轴对称层流流动，血管壁是各向同性的均匀h o o k c 弹性体， 血管壁是薄壁且不可压缩的，血管壁的变形是微小的，且脉搏波的波速远大于血 液流速，同时血管半径远小于脉搏波波长，则可得圆频率为t d 的脉搏谐波所对应 的频率方程【1 4 】。特别对纯弹性血管壁和纯粘性血液，相应的频率方程为 c j 页e c h z ，2 、1 f v ，、p 足e c h 虿， c 三一2 仃，e 。+ 2 + 吾去c 1 一互。，) 。2 4 ， + ( 罢+ 酬l 一仃：) ：o 式中，q 咆即每) = 揣 p 为血液密度，p 为血管管壁密度，r 为血管半径，h 为血管壁厚，h 为血 管壁的有效厚度；为单位质量血管壁在周围结缔组织轴向弹性约束下的固有 频率；仃为血管壁的p o i s s o n 比，e 为血管壁的弹性模量：口为w o m e r s l e y 数 ( 口是一个表征血管中流动时，局部惯性力与粘性力比值大小的量。当a 数较大 时，局部惯性力占支配地位，因而不可忽略，此时血液的流动必须考虑其脉动性； 当a 数较小时，可近似认为是定常层流流动) 。 一厍 ( 2 - 5 ) 其中r 为血液粘度，且三：! 一j 旦，c 为圆频率为的脉搏波波速，卢为该脉搏 c c 波的衰减因子。 用复粘性系数叼。替换( 2 4 ) 式中的粘性系数，7 ，则可得到在粘弹血管壁和 粘弹血液情况下的频率方程为 1 4 山东大学硕士学位论文 c 等九“水埘一c 等怙2 堋m 争讹) ) + ( 2 卅 ( 轰帆( 咧l _ 一瑚 此式建立了血液粘弹性物理量与脉搏波复波速之间的定量关系。 通过式子( 2 6 ) 可以得到血液粘弹性对相速度比三和每波长传输e 一卢的影 c o 响，如图2 - 2 所示。图中a 为w o m e r s l e y 数。 1 1 o o o o t 图2 - 2 血液粘弹性对相速度比三和每波长传输p p 的影响 c o 上图可以说明：血液弹性引起脉搏波波速增加、衰减增大( 其中，最大增幅位 置位于a = 2 附近) ；在a 4 以后，其引起的波速变化越来越小。当a 数较大时，血液弹性对脉搏 波的影响几乎消失，而血液粘性仍然强化了脉搏波的衰减【l 5 1 。 所以，血液弹性对脉搏波传播的影响小于血管粘性的影响，对大动脉，血液 弹性对脉搏波传播的影响相当小，通常可以不考虑。 为了分析血液粘性对动脉中脉搏波传播产生的影响规律，对血液在动脉中的 流动规律作一定的简化，首先忽略血液的粘性，使其线性化求出其一般规律，再 在此基础上研究血液粘性对脉搏波传播的影响。假设血液为牛顿流体，则血液流 l ii 东大学硕士学位论文 动服从n a v i e r - s t o k e s 方程。讨论动脉中血液流非线性特殊性的困难是描述血液 运动的n a v i e r - s t o k e s 方程中存在着非线性的迁移加速度项，这给方程的求解带 来很大的困难。首先分析非线性项中迁移加速度项对流动特性带来的影响，再分 析方程中的粘性项对血液流动特性带来的影响。 略去运动方程中的粘性项，即近似认为血液是无粘性的理想流体，并认为流 动是一维的；同时假定动脉血管是薄壁的h o o k e 弹性体，在自然状态下等截面 均匀的半径为r 的弹性管。则血液在动脉中的流动规律满足方程 箜+ 一o s u ：0 曼宅，盘 ( 2 _ 7 ) 锄加1 劾 一 a to x po x 分析粘性项对脉搏波传播的影响，可略去血液惯性项。 图2 3 ( 出自：潘一山，贾晓波等动脉中脉搏波传播分析) 展示了在考虑和不 考虑血液粘度的情况下脉搏波传播分别会发生怎样的变化。 1 6 暑 售 图2 3 分别考虑和不考虑血液粘性时韵脉搏波传播变化 ( a ) 不考虑血液粘度时：( b ) 考虑血液粘度时( 1 ( 为传播系数) 山东大学硕士学位论文 从图2 3 中可见随着传播系数k 的增大，在考虑血液粘性时波的振幅减小， 而不考虑血液粘性时，传播过程中振幅不变。高频率波的波幅降低说明血液粘性 使波动产生能量损耗，频率越高损耗越大【1 6 1 。 2 4 血液粘度的影响因素 血液的表观粘度与血液的组分、组分的性质、组分之间的相互作用有关，还 与血液的流动状态、血液的温度等多种因素有关。影响血液粘度的主要因素有切 变率、红细胞压积、红细胞变形性、红细胞聚集性和血浆粘度等【1 7 1 。 ( 1 ) 切变率 ，、 1 7 1 矗 山 官 t 卜 ，垂i 。) 图2 - 4 切变率血液粘度关系曲线图 对于血浆( h 作0 ) ，其粘度与切变率无关，即具有牛顿流体的特性； 随着h e t 的增大，粘度增大； 在相同的h c t 下，血液粘度随切变率的增大而减小，即具有非牛顿流体特 性( 这种特性就是由于血液中含红细胞引起的：切变率减小，红细胞的聚集性增 加，从而粘度增大；切变率增大，红细胞的变形性增加，从而粘度减小) 。当切 变率很大时，粘度将趋近于某一个渐进值渐进粘度。 ( 2 ) 红细胞压积 血液粘度随着红细胞压积的增大而增大，特别是h c t 4 5 的高压积状态，叩。 i ij 东大学硕士学位论文 随着h c t 的增大而急剧增大。 ( 3 ) 红细胞聚集性和变形性 红细胞呈双凹圆盘状，中间较薄，周缘较厚。成熟的红细胞有细胞膜和细胞 浆，没有细胞核。红细胞由于其膜结构使其具有弹性和可塑性，通过毛细血管时 可以变形。 1 0 少( j - 1 ) 图2 - 5 三种红细胞悬浮液的t 7 ，一y 对数坐标曲线( 引自美国钱煦) 曲线n p 正常血液。当) ，下降时，r ，上升，是由于红细胞聚集成缗钱状造 成的；y 上升时，7 ，下降，是由于红细胞变形造成的。 曲线n a ：把正常红细胞放入1 1 白蛋白( 抑制红细胞的聚集) 中。红细胞 不再聚集成缗钱状，所以y 下降时，1 7 ，不再上升。 曲线h a ：把正常红细胞放入1 1 白蛋白中，再滴入几滴戊二醛使红细胞固 化。由于红细胞不再发生聚集和变形，所以曲线基本上为一条平行的直线。 ( 4 ) 血浆粘度 血浆是血液的悬浮剂，其粘度必然影响全血粘度。血浆粘度增大，全血粘度 增大。不仅如此，低切变率时，血浆中的血浆蛋白原还会与红细胞发生侨联，引 起红细胞聚集，从而影响全血粘度。 1 8 i i j 东大学硕士学位论文 在一般状态下，血液会随着上述各种因素的变换而发生相应的变化，但是血 液粘度还具有如下异常粘度特性： 全血表观粘度随着切变率的增大而减小，但当切变率增大到2 0 0 3 0 0 s 卅 时，全血粘度将趋于其渐进粘度； 当切变率较高时，全血粘度将随血管管径的减小而减小( 当管径 lm m 时 开始有所表现) ，即f a h r a e u s l i n d q v i s t 效应。是由于红细胞的变形性造成的。 f a h r a e u s l i n d q v i s t 效应的原因是f a h r a e u s 效应：当血液从容器流入一根小 直径圆管时，管内血球的平均压积必定小于容器内血球的平均压积。 对f a h r a e u s 效应的解释如下： 设细管中血球压积为r ，容器内血球压积为日，定义相对血球压积为 耻毒 ( 2 - 8 ) 如图2 - 6 所示。 图2 石f a h r a e u s 效应的解释示意图 设细管半径为r ，略去入口段的影响，且认为管中血球压积仅是径向距离r 的函数，即h = h ( r ) 。管内血球压积对管截面的平均值为 h r 矛1r 日( ，) 2 砌= 矿2r h ( ，) 胁( 2 - 9 ) 从连接管终端流进容器的血球压积必须等于h f ，即在管子终端流出的血球 与流出的总血流量之比应等于h f ，即有 坼：f h 下( r ) u ( r ) 一2 r e d r = fh 下( r ) u 一( r ) r d r ( 2 一l o ) j ：”( ，) 2 z t r d rj ：( ，) r d r 其中，u ( r ) 是管内血液的流动速度( 认为管内血液的流动是完全发展的) 。 1 9 山东大学硕士学位论文 则相对血球压积为 耻毒= 素筹 嘏田 认为血液流动的速度剖面是抛物线15 1 ，