基于径向共振理论的人体脉搏谐波分析研究.pdf

摘要 摘要 在大多数血液循环系统理论当中 动脉被看作是血液流动的管道 但是在实 际的人体生理系统中 心脏仅仅用了1 7 瓦的输出功率 面对着动脉系统的复杂 结构 克服了动脉管道的层层阻力 并将血液输送到身体的每一个角落 如果把 动脉血管当作是血液流动的管道 这种输送效率是没有办法达到的 因为在动脉系统的能量分配当中 由动脉管壁振动所储存的弹性势能占了 9 8 远远超过血液本身流动的动能 因此共振理论把动脉系统看作是血液压力 波的传递系统 心脏将血液泵出后 撞击在主动弓脉的弯曲上 用来增大血液压 力波的振幅 这个血液压力波在经过动脉系统传送到末端之后 再通过末端的毛 细血管床的小开1 2 将血液推送到毛细血管 完成供血的任务 各器官通过与心 脏的跳动达到良好的共振 从而大幅度地提高动脉系统血液输送的效率 通过这 个理论 循环系统的高输送效率才能得到解释 脉搏波的频域分析为脉搏波的研究提供了新的思路 在频域分析方面 基于 血液循环径向共振理论 证实了传统医学脉诊诊断的真实性和科学基础 使得脉 搏波的谐波分析方法有了理论上的意义 并在一系列的实验研究中取得了进展 本文的主要内容有 1 动脉系统血液循环原理的研究 分别分析了西方医学在血液循环理论上 的瓶颈 中国传统医学在循环系统上面独到的见解 以及基于血液循环径向共振 理论的脉搏谐波分析的新方法 2 流量理论与共振理论的推导和比较 分析了弹性贮器模型 泊肃叶方程 莫恩斯甫特维格方程 沃姆斯莱数方程的不足之处 进而研究了径向共振理论 的推导过程和理论解 表明共振理论更符合实际的心血管系统生理学构造 3 设计和实现了人体脉搏信号采集和处理系统 完成了系统的硬件设计和 软件开发 系统硬件包括脉搏传感器 信号调理 模数转换 u s b 通信等 软 件基于l a b v i e w 平台开发 采用小波变换的方法 达到了去除脉搏波当中噪声的 目的 4 禁食对人体脉搏波各次谐波的影响实验研究 本实验通过分析人体在禁 食条件下和恢复饮食条件下的桡动脉脉搏的各次谐波幅度变化 来研究人体对禁 1 1 1 摘要 食悄j 咒下的生理反应 实验结果表明 在人体持续禁食的过程当中 脉搏波各次 谐渡确安会发生相关的变化 桡动脉脉搏波的二次谐波的幅值在禁食的情况下显 老增加 而六次谐波的幅值在禁食的情况下显著下降 而随着恢复饮食 桡动脉 脉搏波的二次谐波和六次谐波都逐渐恢复到原有水平 根据血液循环的共振理论 谐 波的幅值跟血液分配的比例有关 这些结果显示 在禁食情况下 人体有一个 聋新分配血液的趋势 来调整人体各个组织和器官的能量分配 进一步证实了传 统医学脉诊诊断的真实性和科学基础 关键词 心血管系统 共振理论 流量理论 脉搏 谐波 i v a b s t r a c t a b s t r a c t i nm o s th e m o d y n a m i ct h e o r i e s t h ea r t e r yi st r e a t e da sp a t h w a yo fb l o o df l o w h o w e v e rt h eh e a r th a sa l lo u t p u tp o w e r o fo n l y1 7w a t t i ti sh a r dt ob e l i e v et h a tw i t h t h i ss m a l lp o w e r a sw e l la st h eh e a r tf a c e st h el a r g er e s i s t a n c eo f t h ea r t e r i a ls y s t e m i t c a ns t i l ld i s t r i b u t et h eb l o o dt ot h ew h o l eb o d y s i n c et h ee l a s t i cp o t e n t i a le n e r g yo c c u p i e sm o r et h a n9 8 o f m e c h a n i c a le n e r g y i nt h ea o r t a w hi c hi sm u c hl a r g e rt h a nt h e2 o f t h ek i n e t i ce n e r g yo ff l o w i n gbl o o d t h er e s o n a n c et h e o r yt r e a t st h ea r t e r i a ls y s t e ma sap r e s s u r e w a v e t r a n s m i t t i n gs y s t e m t h eh e a r tp u s h e st h eb l o o di n t ot h ea o r t a a n dt h eb l o o dc o l l i d e so nt h ev e s s e lw a l lo f t h ea s c e n d i n ga o r t aa r c ht og e n e r a t ep u l s ep r e s s u r e t h i sp u l s ep r e s s u r ei st r a n s m i t t e d t ot h em i c r o c i r c u l a t o r yr e g i o na l o n gt h ea r t e r y a n dp u s h e st h eb l o o di n t ot h ec a p i l l a r y n e t w o r kt h r o u g hs m a l lo p e n i n g so f t h ea r t e r i o l e t h eo r g a n i cv a s c u l a rb e d sr e s o n a t e w i t ht h eh e a r t b e a tt of u r t h e ri m p r o v et h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo f t h ep r e s s u r ew a v e t h ea n a l y s i si ns p e c t r a ld o m a i np r o v i d e sf u r t h e ri n s i g h ti n t ot h er e l a t i o nb e t w e e n d i s e a s ea n dt h ea r t e r i a lp u l s e a sf o rs p e c t r a ld o m a i na n a l y s i s b a s e do nt h et h e o r yo f o r g a nr e s o n a n c e t h ea u t h e n t i c i t ya n ds c i e n t i f i cb a s i so fd i a g n o s i sb yt h ea r t e r i a lp u l s e d i a g n o s i si nt r a d i t i o n a lm e d i c a lh a v eb e e np r o v e d a sw e l la s m a k e st h eh a r m o n i c a n a l y s i so fp u l s ew a v eh a v et h es i g n i f i c a n c eo ft h e o r y a n dh a v em a k ep r o g r e s si na s e r i e so f e x p e r i m e n t a ls t u d i e s t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ri n c l u d e 1 r e s e a r c ho f t h ep r i n c i p l eo fa r t e r i a ls y s t e mb l o o dc i r c ul a t i o n t h ew e a k n e s so f b l o o dc i r c u l a t i o nt h e o r yp r o p o s e db yw e s t e r nm e d i c i n e t h ea d v a n t a g eo fb l o o d c i r c u l a t i o nt h e o r yp r o p o s e db yt r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n ea r eb o t hd i s c u s s e d t h e n d i s c u s st h en e wm e t h o do fp u l s eh a r m o n i ca n a l y s i sb a s e do nb l o o dc i r c u l a t i o n r e s o n a n c et h e o r y 2 d e r i v a t i o na n dc o m p a r i s o no ff l o wt h e o r y a n dr e s o n a n c et h e o r y f i r s t l y a n a l y z e t h e i n a d e q u a c i e s o ft h ew i n d k e s s e lm o d e l p o i s e u i l l e e q u a t i o n v a b s t r a c t m o c l q s k o r t e w e ge q u a t i o n a n dw o m e r s l e ye q u a t i o n a n dt h e ns t u d yt h ed e r i v a t i o no f r a di air e s o n a n c et h e o r ya n dt h et h e o r e t i c a ls o l u t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tr e s o n a n c e t h e o r yf i t sr e a l i s t i cp h y s i o l o g i c a ls t r u c t u r eo f t h ec a r d i o v a s c u l a rs y s t e mb e t t e r 3 d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no fah u m a np u l s es i g n a la c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e m c o m p l e t es y s t e mh a r d w a r ed e s i g na n ds o r w a r ed e v e l o p m e n t s s t e mh a r d w a r ei n c l u d e sp u l s es e n s o r s i g n a lc o n d i t i o n i n g a n a l o g di g i t a lc o n v e r s i o n l sbc o m m u n i c a t i o n sa n ds oo n t h es o f t w a r eb a s e do nl a b v i e wp l a t f o r m t h e n r e m o v et h en o i s eo f p u l s ew a v eb a s e do nt h ew a v e l e tt r a n s f o r mm e t h o d 4 1 e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ei n f l u e n c eo ff a s t i n go nt h eh a r m o n i c so fh u m a n pul s ew a v e b ya n a l y z i n gt h eh a r m o n i cc h a n g eo fh u m a nr a d i a la r t e r yp u l s ew a v e u n d er t h ec o n d i t i o no f f a s t i n ga n dd i e tr e c o v e r y t os t u d yt h ec a s eo f t h eh u m a n b o d y s p h 7 i 1 0 9 i c a lr e s p o n s et of a s t i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ti nt h ep r o c e s so f c j n ti nu o u sf a s t i n g t h er e l a t e dh a r m o n i c so f p u l s ew a v ed oh a v ec h a n g e t h es e c o n d h a m l i m i c sa m p l i t u d eo f t h er a d i a la r t e r yp u l s ei n c r e a s es i g n i f i c a n t l yi nf a s t i n g w h i l e t h es i x t hh a r m o n i c sa m p l i t u d eo ft h er a d i a la r t e r yp u l s ed e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y w i t h t h er e s u m p t i o no f d i e t t h es e c o n da n ds i x t hh a r m o n i c sa m p l i t u d e g r a d u a l l yr e s t o r et o i t so r i g i n a ll e v e l a c c o r d i n gt ot h er e s o n a n c e t h e o r y t h eh a r m o n i ca m p l i t u d eo fp u l s e w a v er l a t e dt ot h er a t i oo f b l o o dd i s t r i b u t i o n t h e s er e s u l t si n d i c a t et h a ti nt h ec a s eo f f as ti n g t h eh u m a nb o d yh a sat e n d e n c yt or e a l l o c a t eb l o o dt o a d j u s tt h ee n e r g y di s t r i b u t i o no fv a r i o u st i s s u e sa n do r g a n s a sw e l la sc o n f i r m e dt h ea u t h e n t i c i t ya n d s c i e n t i f i cb a s i so f t r a d i t i o n a lm e d i c i n e k e y w o r d s c a r d i o v a s c u l a rs y s t e m r e s o n a n c et h e o r y f l o w t h e o r y h a r m o n i c p u l s e v i 目次 致谢 i 摘要 i i i a b s t r a c t v 目次 v i i 第一章绪论 l 1 1 研究背景 1 1 1 1 当前流行循环系统理论的瓶颈 2 1 1 2 传统医学的循环系统观点 3 1 2 研究现状 5 1 2 1 血液循环的径向共振理论 5 1 2 2 基于径向共振理论的脉搏谐波分析 6 第二章流量理论与共振理论的推导和比较 9 2 1 引言 9 2 2 流量理论模型的缺点 9 2 2 1 弹性贮器模型 1 0 2 2 2 泊肃叶方程 1 l 2 2 3 莫思斯婀特维格方程 1 2 2 2 4 沃姆斯莱数方程 1 2 2 3 径向共振理论的提出 1 4 2 4 径向振动方程的推导 1 4 2 5 径向振动方程的理论解 一2 3 2 5 1 外力为脉冲波时 2 3 2 5 2 外力为周期波时 2 5 2 6 共振理论的循环系统架构 2 6 第三章人体脉搏信号采集和预处理系统 2 7 3 1 脉搏信号采集系统架构 2 7 3 2 脉搏采集位置的选择 2 7 33 脉搏传感器 2 8 3 3 1 光电式原理脉搏传感器 2 9 3 3 2 压电式脉搏传感器 2 9 3 4a d 转换和u s b 通信 3l 3 5l a b v i e w 框架下的脉搏信号采集和存储 3 3 3 5 1l a b v i e w 开发平台 3 3 3 5 2 数据采集d a q 系统 一3 4 3 6 基于小波变换的脉搏信号去噪 3 7 3 6 1 小波变换理论 3 8 3 6 2 信号降噪的常见准则 3 8 3 6 3 小波变换用于信号降噪的过程 3 8 3 6 4 由初始的信号决定各级的阈值 4 l 3 6 5 基于样本估算的阈值大小选择 4 2 3 6 6 小波降噪后效果 4 3 3 7 本章小结 4 5 第四章禁食前后脉搏的谐波变化实验 4 6 4 1 引言 4 6 4 2 实验综合设计 4 7 4 2 1 实验对象 4 7 4 2 2 实验方法 4 7 4 3 数据处理和分析 4 8 4 3 1 离散傅里叶级数展开 4 8 4 3 2 符号定义 5 0 4 4 结果和讨论 5 l 4 5 本章小结 5 5 第五章总结和展望 5 6 5 1 研究工作总结 5 6 5 2 展望 5 7 参考文献 5 8 基于径向共振理论的人体脉搏谐波分析研究绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 由进化论可以知道 凡是能够存活下来的物种 肯定是经过进化了很长的一 段时间后 产生了能够适应环境变化的器官和生理系统 其中血液具有供给身体 组织营养和能量的重要责任 对动物来说相当的重要 因此人类对于血液这个可 以决定生死存亡的物质 一直以来都抱着一种神秘而神圣的态度来看待 伴随着 近代血液学研究的进展 人类开始一点点累积对血液所含成分及作用的了解 但 是负责将这个精华物质分配到全身的循环系统 它的工作机制和原理 却反而在 这几百年来 踌躇不前 进步得不多 在中国传统医学当中 很早就开始了这方面的讨论 中医上有所谓的望闻问 切的四诊之说 其中说所的 切 就是指脉诊 脉诊是中医诊断疾病的特有方法 之一 两千多年前 中国古代的医学家在桡动脉的压力 流速 波形等的不同变 化当中 建立起了独树一帜的中医诊断理论 这种理论在临床上非常重要 为中 华民族的长盛不衰提供了有利的保障 当提到 脉 这个字时的时候 除了有些 指的是比较玄虚和飘渺的 气 的气脉 更多的则是直接指生物体内的动脉系统 中医理论进而将这个动脉系统传递压力的结果 作为身体上诊断疾病的依据 进 而形成了 四诊 当中的脉诊部分 近些年来循环系统疾病日益增多 统计结果表明 循环系统疾病占到了死亡 原因的主要部分 对于循环系统疾病 根治的方法有限 同时西方生理学教学上 出现了此消彼长的趋势 血液循环部分在生理学课本里的所占的篇幅每年在不断 的缩小 而神经 内分泌等其他课程所占的比重却不断增加 这是为什么呢 这 是因为旧的血液循环理论经过验证之后 有许多无法自圆其说的部分 所以被引 述的比例就越来越小了 但是事实上 心血管系统疾病 中风病 糖尿病等循环 系统方面的所谓现代疾病 却是越来越多 由此可以知道 现在的循环理论是有 问题的 否则不应该会是如此 因此进一步研究血液循环的机理 探讨整个动脉系统是如何能够将身体的能 量均匀恰当而又经济的输送到每个组织和器官当中 并且维持很高的输送效率 基于径向共振理论的人体脉搏谐波分析研究绪论 是很值得深入研究的 1 1 1 当前流行循环系统理论的瓶颈 西方医学最早是在1 6 2 8 年由w i l l i a mh a r v e y 提出了循环系统的概念 认为 人体心脏动脉系统的运行机制应该是循环方式 这在 3 时是一大进步 随后在十 八世纪 十九世纪由于科学研究的飞速进步以及数学界 物理学界 生物学界和 医学界的努力合作 奠定了血液流体动力学的基础 通过借助于流体力学的基础 进而研究了血液的流动以及相互间的作用力 具体的研究成果有基于牛顿力学中 的力 质量 加速度的概念而发展起来的现代血液流体动力学 2 1 进入到了二十世纪后 由于流体力学的积累及发展 在很多方面得到应用 这一系列的研究成果和应用 使得许多的研究学者将流体力学的研究方法应用到 了血液流体动力学 重要的研究成果有基于n a v i e r s t o k e s 方程的沃姆斯莱数模 型和血血管阻力抗等等概念 但是由于一直无法将理论结果数据和实际心血管系 统生理测量的实际结果相对应 3 使得这一系列的研究结果无法在临床上得到应 用 也没有相关重要医疗保健仪器的发明和应用 相对于流体力学的数学化分析方法 由于循环系统中血液波的特性跟电路系 统中的电流的特性很类似 所以有许多学者将电路模型类比的方法运用到了研究 循环系统 如n o o r d e r g r a a f 等 当中 运用电子元器件组合来模拟血液循环系统 并运用电机学上的工程技术来探讨血压波与血流波在血管当中传递的特性 虽然 这一系列的研究模拟并不十分的完美 但由其研究成果得到的传输线模型与反射 波的概念常常被用来分析动脉血管系统 由于数学化分析的方法跟物理元器件系统模拟都无法成功地应用在临床血 液循环系统的研究当中 所以当代的循环系统生理学是由学者g u y t o n 提出的定 性分析和简化方程后的血液流体动力学 g u y t o n 将循环系统视为一个整体系统 而不去讨论血液流过各个具体血管的部分 把所有的体循环动脉系统当作一个单 位 给予系统特定的压力梯度 体积跟流量 同时也对毛细血管及静脉做了这样 的定性分析 并将心脏一起放入整体的模型当中 讨论静脉回流对心脏输出的影 响作用 这样的定性分析虽然对心脏和动脉系统疾病的病理解释有一定的帮助 比如说心脏衰竭跟心脏瓣膜疾病的发病原理讨论 但是却无法清楚地说明血液是 2 鼠j 川 l 振理论的人体脉搏谐波分析研究 绪论 如何流入各个器官和组织的运作机理 所以无法解释器官与循环系统的定量生理 夭矛 对于系统性的重大疾病的发病原理和机制无法加以有效的分析讨论 总的来说 从牛顿力学分析到类比电路模型类比 再到g u y t o n 循环系统整 涔 丁析的血液流体动力学发展过程 虽然由于系统整体观的扩大而逐渐接近临床 巨学所观察到的实际现象 但是却渐渐地远离了精确性和可操作性 4 只能解释 个别已知的生理和病理现象 却无法用来分析循环系统和系统性的重大疾病的生 j 望痫 翟机制 不但无法帮助人们了解循环系统设计上的巧妙性和复杂的分配机制 更无法应用这些模型产生的理论 形成医学工程上的知识 来设计医疗仪器辅助 诊i j 吁或解决临床上的问题 1 2 滂统医学的循环系统观点 t 手多中医研究上的新发现 经常可以看成是再发现 因为在中国的古籍当中 甲膨 肖了这些现象的描述 只是在我们还没有认真的进行研究之前 看不懂这些 描 歪而已 其实中医理论的精华在于讨论气血分配的原理 所谓的 气行血 是 甲随 上一个重要的理论 而 气为血之帅 血为气之母 更是中医师经常采用的 中医理念 跟西方医学不同的是 中国传统医学从 黄帝内经 以来一直以整体系统观 的力式国建其主要的内容 并且以这个方式独特地发展 中医理论不但把人体视 勺一个整体的系统 而且系统内的各个部分都有其独特的功能 并且彼此之问有 善密切的相关性 还有是将人体视为跟大自然相关的次系统 并由此讨论外部环 境对整体身心活动的系统化影响 例如 素问 里所讲述的 通天者生之本 正楚说明着外在系统会对整体身心系统的特定部分造成相应的影响 5 1 中国传统医学强调系统整体的变化 可以在人体颜面的色泽 体表动脉的搏 动 所发出声音的声响以及全身的症状等方面得到相应的具体生理病理上的变化 中国传统医学把循环系统当做是核心来建立整体的人体系统 这个观点在二十一 世纪多器官病变的系统疾病威胁的情况下 更加清楚地彰显了它的重要性和时代 意义 袋黄帝内经 的 素问 里面提到时 心者 君主之官也 神明出焉 胆者 中正之官也 决断出焉 凡此十二宫者 不得相失也 主不明十二官 基于径向共振理论的人体脉搏谐波分析研究 绪论 危矣 使道塞闭而不通 形乃大伤 清楚地说明了心脏动脉血管系统在整体人 体系统中核心的地位 如果把人体系统比喻成一个交响乐团 那么肝脏 脾脏 肺 肾脏等各个器官就如同各个不同的乐器 构成完整的系统 彼此之间必须协 调配合 才能产生和谐的交响乐 而心脏动脉血管系统就像是一个指挥官的角色 协调分配系统中任何一个组织跟器官应有的血液分量以及保持人体整体系统的 节奏 如果心脏动脉血管系统不能正常的指挥分配抑或者是其中产生了阻塞 那 么各个器官就会相应产生病变 甚至造成整体人体系统的伤害 所以内经 灵柩 里面强调 7 1 经脉者 所以能决生死 处百病 调虚实 不可不通 清楚地说 明了循环系统在整体系统生理和病理上的重要性 因此中国传统医学在 黄帝内经 时代就已经把循环系统与系统性疾病的关 系当作重点加以详细的分析讨论 春秋战国时期的名医扁鹊更加揭示出了循环系 统造成整体系统性疾病的病理机制 扁鹊在 难经 里面有讲到 8 脉有是动 有所生病 是动者 气也 所生病者 血也 邪在气 气为是动者 邪在血 血 为所生病 气主煦之 血主濡之 气留而不行者 为气先病也 血壅而不濡者 为血后病也 故先为是动 后所生也 到了东汉末年 医圣张机在 伤寒杂病 论 中 9 1 更加完整的诠释 脉乃气血先见 气血有盛衰 脏腑有偏胜 气血俱 盛 脉阴阳俱盛 气血俱衰 脉阴阳俱衰 清楚地说明心脏动脉血管系统通过 血液的分配输送 从而决定了各个脏腑器官功能的强弱盛衰 并且这个脏腑盛衰 的信息可以从动脉的波动中呈现出来 在 黄帝内经 里不但详细描述了大自然 如何影响各个脏腑盛衰 更加说明了如何判断各个脏腑盛衰 难经 则给出了 获取脏腑信息的具体操作方法和针灸的物理治疗方法 到了 伤寒杂病论 则整 合了前面两书的重点内容 并且系统地将病理 诊断 药理 以六经诊断和方剂 治疗的方式 具体地阐明系统疾病和循环系统的密切关系 分析外界感染疾病入 侵时 人体如何通过经络系统动员免疫组织 防卫抵抗外邪 以及脏腑经络受创 后系统性的虚实变化 这一伟大的巨著不但奠定了张仲景医圣的地位 也将中国 传统医学的系统观扩大到人体与自然界 外感疾病与金石 草木 虫兽各式药物 的相互影响 并构建了脏腑经络的体系 1 0 1 至此 以循环系统为核心的整体医 学系统观具体完整地构建完成 这一系列的传统医学经典在两千多年前就清楚地 说明了以循环系统为核心的整体系统观 4 基于径向共振理论的人体脉搏谐波分析研究绪论 然而 这一系列伟大的传统医学成就在近代西方医学盛行之后 一度受到轻 视 原因之一就是传统医学欠缺科学化和现代化的研究 它复杂的系统性无法通 过医学工程的方法子以具体化而传承推广 导致历代名医的医术以绝技般神奇流 传但是却不利于广泛的推广应用 但是 随着当代多器官病变的系统疾病的威胁 突显了西方医学在循环系统研究的瓶颈 促使人们反恩中国传统医学与整体系统 观的重要性 世界各地开始重视传统医学科学化的研究 1 2 研究现状 1 2 1 血液循环的径向共振理论 当传统医学现代化的研究逐渐蓬勃发展之后 中草药的药理学上的研究主要 是通过西方药理学的方式来加以研究 在这方面取得了初步的成果 此时渐渐盛 行的是中医西医化的概念 尤其是以日本的汉方医学为代表 他们主张以西方医 学诊断分析的理论来研究中草药 暗示传统医学的精华在于中草药而不在于中医 的诊断和治疗原理 并可以跳过传统医学的医学原理来研究利用中草药 造成这一矛盾的主要原因就是传统医学诊断的科学化和现代化研究无法突 破并且建立完整的系统化架构 例如传统医学山的脉诊诊断由于无法在当代西方 医学的血液流体动力学中找到理论依据 导致其受到医学界的鄙视与排斥 认为 单从人体体表动脉的搏动就可以知道人体内脏的生理病理状况是个谬论 四诊 六经辨证 十二经络更是因为难以用现代医学知识理解而被弃如敞屣 面对这样 的矛盾的局面 唯有马光亚教授大声疾呼提倡传统医学研究的方向应是中 医科学 化和现代化而不是中医西医化 在此踌躇不前的时候 台湾的王唯工和林玉英等人不陷入中西医在医学观念 上的纷争 研究了传统医学脉诊诊断的真实性和科学基础 首先是用 一个泵及 五个大小不同的气球 模型证实了传统医学脉诊的可能性 l 并发现储存于系 统中的血管壁势能才能呈现不同气球的物理性质 而不是血液的动能 接着又以 动物实验分析其动脉血管压力波在肾动脉和上肠系膜动脉被短暂夹住的情况下 的变化 发现夹住肾动脉和上肠系膜动脉时 特定血压谐波振幅呈现显著性的下 降 1 2 证明传统医学脉诊中有关动脉血压波蕴藏着五脏六腑信息的可能性 更 基于径向共振理论的人体脉搏谐波分析研究 绪论 重要的是 这个实验显示了内脏血管床与心脏血管系统之间具有某种机制 血管 床储存部分的势能 帮助循环系统运作 而且内脏血管床储存的势能可以在特定 动脉血压波的振幅当中显示出来 经过仔细的分析研究 并且由传统医学中 气行血 的观念思考与引导下 王唯工教授和林玉英教授率先提出有别于驻波形式的共振机制 1 3 强调过去血 液流体动力学的研究忽略共振机制的存在 而且这个共振机制联系着内脏血管床 与心脏血管系统之间的血液输送 并且提高了循环系统的效率 以物理学的观点来看 每个系统都有其一定的共振频率 也就是所谓的固有 频率 当输入的频率等于系统的固有频率时 就会产生 共振现象 当共振现 象发生时 血液能量就能以最大能量的方式在体内传播 也就是说 当心脏输出 的频率和循环系统的固有频率一样的时候 那么动脉系统就能够和心脏产生共振 并且获得最大的能量 1 4 1 以上的说法也可以说明 每一个器官里面充满着微血管 而且器官就像是一 坨肉一样 只有当器官和心脏同时振动的时候 才能将血液送人器官内 这也就 是说明了共振的现象 1 5 在实际的生理系统中 血液有粘滞性 主动脉有一定的厚度 动脉有径向方 向的振动现象 所以 林玉英教授和王唯工教授从牛顿第二运动定律及弹性力学 出发 将心脏视为一个周期性的压力泵 提出 径向振动理论 1 1 6 l 将动脉系统 视为血液波的传递系统 可以将整个动脉系统视为各种e i g e n m o d e s 或n a t u r e o s c i l l a t i o n s 的组合 1 7 解释循环系统如何以1 7 瓦的左心室输出功率 克服黏性 力和摩擦力 推动全身血液进行循环 1 2 2 基于径向共振理论的脉搏谐波分析 在脉搏波时域分析方面 通过分析经由非侵入式方法测得的动脉脉搏波的时 域波形 进而提供有关于心血管系统方面的信患是一个重要的手段 18 1 在西方 医学当中 大多数从事动脉脉搏波研究的人员主要把研究的方向放在跟心血管系 统相关的参数上面 例如脉搏波传导速度指数 用来评估动脉硬化情况 l 蛐4 1 因 此 在临床上 这些参数在评断高血压或者心血管系统的情况方面具有重要的价 6 基于径向共振理论的人体脉搏谐波分析研究绪论 值 因为人体的各个部分相互联系 构成一个整体 由器宫疾病引起的脉搏波的 变化可能会引起手部桡动脉的脉搏波的变化 2 5 1 因此 有理由相信可以通过分 析手部桡动脉的脉搏波来判断器官的状态 脉搏波的频域分析在脉搏波相关方面研究提供了进一步的思路 在频域分析 方面 基于王唯工等人提出的径向共振理论 使得脉搏波的谐波分析方法有了理 论上的意义 并在一系列的实验研究中取得了进展 1 器官的频率特性研究 在活体的大老鼠实验中 2 6 2 8 发现当将老鼠的 一个或者全部的肾动脉夹住后 在老鼠尾部测得的动脉脉搏波的第二谐波的幅值 显著下降 而当将老鼠的脾动脉夹住后 在老鼠尾部测得的动脉脉搏波的第三谐 波的幅值显著下降 并且这种效果是线性可加的 2 中草药的作用研究 一系列有关于中草药对人体和动物作用的研究表 明 2 9 3 1 许多中草药会导致特定脉搏波的谐波幅值变化 例如 西洋参对脉搏波 第四和第七谐波有明显增强作用 所以有补肺和膀胱经的作用 而灵芝增加第三 第六 第九谐波 如果将经络与脉搏波的各个谐波频率相对应 那么这些中药所 产生的对于各个经络的增加和减弱作用 在脉搏波的谐波幅值上体现出来的效果 跟中医古籍上的记载相符 3 穴位特性的研究 对穴位点进行针灸后发现 特定的脉搏波谐波幅度 发生变化 而对非穴位点进行针灸 脉搏波的谐波幅度没有变化 3 4 粕 而且针灸 穴位后的脉搏波的谐波幅度变化跟服用某些中药后的谐波幅度变化有类似的效 果 例如 针灸足三里穴 一个在中医上属于胃经的穴位 跟服用胃经相关的草 药具有类似的谐波幅度变化 4 肝脏疾病患者研究 两项有关于严重肝脏疾病患者的研究发现 跟正 常人相比 肝脏疾病患者的第一谐波幅值显著降低 3 7 3 8 1 5 外部同步机械作用的影响研究 对老鼠施加一个振动频率跟心脏跳动 的频率接近的外部机械作用 能够改变老鼠的血液循环系统 并且能够在脉搏波 的谐波分析当中得到体现 3 9 4 0 1 6 与 气 相关的研究 经研究发现 服用与 气 相关的中药 4 1 1 针灸跟 气 相关的穴位瞰1 服用咖啡p 2 等具有类似的脉搏波的谐波幅度变化 7 基于径向共振理论的人体脉搏谐波分析研究 绪论 7 死亡过程研究 在病患临终过程以及在动物实验当中 研究发现 在 收缩压和舒张压没有发现明显变化的情况下 脉搏波的谐波成分发生了变化 各 次谐波出现了不稳定性 4 3 4 4 1 因此 脉搏波的研究又展现了跨各学科领域的各种可能性 尤其是随着生活 水平的提高以及平均寿命的逐年增高 近年来预防医学的重要更加凸显 如何尽 早在疾病还没有表现出来之前 以非侵入式的测量技术正确地检测出身体的不健 康状态 在这方面 结合中医传统理论和现代技术应该是个可行的方案 8 单 j 幢i q j i 振理论的人体脉搏谐波分析研究流量理论与共振理论的推导和比较 2 1 引言 第二章流量理论与共振理论的推导和比较 研究表明 长期以来 循环系统疾病在发达国家 一直以来都是重要的死因 这p i 表茵现代科学虽然对循环系统的疾病投入了大量的研究 但是对循环系统的 了解仍然不够 所以无法对循环系统疾病的治疗以及预防产生帮助 现代循环系统理论是把动脉血管看作是血液流动的管道 以这个观念为基础 衍兰出了诊断 药物 保健等各种医疗产业 但是在实际的人体心脏动脉系统当 中 c 骷仅仅使用了1 7 瓦的输出功率1 5 4 而要面对着动脉系统的弯曲复杂结构 再 寺 j 良缸液在流经动脉管道的各种阻力 并将血液输送到身体的每一个组织和器 7 宦 妇果仅仅把动脉血管看做是血液流动的管道 可以知道这种高效的输送效率 是没有办法达到的 这也是现代科学研究无法对血液循环系统的运行原理彻底了 解的根本原因 研究显示 在人体动脉系统的能量分配比例当中 由动脉管壁振动所储存的 弹性势能占到了总能量的9 8 远远超过了血液本身流动的动能所占的2 因 此共振理论把动脉系统看作是血液压力波的传递系统 心脏将血液泵出来以后 就会撞击在富含弹性的主动弓脉的弯曲上 从而用来增大血液压力波的振幅 这 个血液压力波在经过动脉血管系统传送到循环系统的末端之后 再通过末端的毛 细血管床中的小开口 将血液输送到毛细血管当中 从而完成供应血液的任务 各器官通过与心脏的跳动达到良好的共振 从而大幅度地提高心脏动脉系统血液 输送的效率 通过这个共振理论 循环系统的高输送效率才能够得到解释 2 2 流量理论模型的缺点 西方医学从1 6 2 8 年w i l l i a mh a r v e y 发表血液循环理论开始至今 4 5 1 在心脏 动脉系统血液循环方面的理论研究中 动脉血管模型从单一血管模型逐渐设计成 整体的血管系统 理论参数也从单纯的流体力学逐渐加入符合人体生理条件的边 界条件 这一系列的重要研究理论成果如下依次所示 9 基于径向共振理论的人体脉搏谐波分析研究流量理论与共振理论的推导和比较 2 2 1 弹性贮器模型 弹性贮器模型将整个血液循环系统看作是一个弹性腔 伴随着心脏的收缩和 舒张 弹性腔也对应着膨胀或恢复原来的体积1 4 6 1 在弹性贮器模型中 心脏被 看做是一个压力泵 通过一个单向的阀门 将血液打入到具有弹性壁的内腔中 也就是动脉血管当中 并将动脉管壁撑起 当血流停止注入后 血管管壁逐渐回 缩 动脉内的血流经过另外一个狭长的血管而被挤出弹性贮器1 4 7 1 整个过程可 以看成是对动脉血管壁的充血和放血的动作 如图2 1 所示为弹性贮器以流体力 学观点的示意图 图2 1 弹性贮器模型示意图 由于在心脏舒张的过程中 血流是由弹性贮器的收缩力所推动的 并由具有 血血管阻力力r 的窄管流出 描述这一个过程的血液压力p 的变化趋势的方程 是 1 一 l 一 一 上 d p 2 1 一 一一 一一 一 i r c卸d v pd v p d t q d p型d p 衍 其中 p 为动脉血管当中的压力 由于这个压力会完全被r 损耗 所以这个压力梯 度a p 也等于p v 为弹性腔的体积 r 为血管阻力 定义为 r 竺 q c 为血管的顺应性 定义为 l o 流量理论与共振理论的推导和比较 c 尘 d p 由式 2 1 可以解得压力p 为 尸 po e x p 意c 由公式的推导过程可知知道 这个模型假设压力波几乎是同时由心脏端产生 因此当压力波经过弹性腔传入到人体各个部位的时间几乎是相同的 所以波速被 侣设为是无穷大 因此所描述的是一个振动现象 而不是波动现象 另外 这个 校坠认为每一个心脏输出期的作用效果在下一个周期出现以前就会消失 因此循 环系统是一种暂态的现象 但是这种现象必须在压力波的衰减系数足够大的情况 一r 卞会发生 与实际的生理现象并不符合 而且这对血液能量的传输也没有效率 由圈2 1 也可知 弹性贮器模型的假设过于简化 使得无法和真实的心脏动脉系 统的生理条件符合 尤其是无法用来解释血液压力波具有膨胀压的事实 2 2 2 泊肃叶方程 泊肃叶提出了一个方程式来描述一根长的管子当中 压力梯度跟流量之间的 变化关系1 4 8 1 根据泊肃叶的理论 液体当中每一个的粒子都是沿着跟管壁平行 的方向移动而形成稳定的流动层 而和移动方向相反的阻力则和液体的粘性系数 及速度成正比 因此也表示出这液体在硬管中为层流的状态 此方程的表达式为 q l r r 4 a p 2 2 一8 r l l 其中 q 为流量大小 p 为压力梯度 r 为长管的内径 三为长管的长度 7 为流体的粘性系数 泊肃叶方程式是在玻璃毛细管所得到的结果 此方程式适用于硬管当中的稳 定流体 而且发展为完全的层流的情况 但是当血液到了小动脉 仍然沿着径向 方向做振动 因此其理论与生理上的脉动血流现象并不符合 实际运用在生理状 基于径向共振理论的人体脉搏谐波分析研究流量理论与共振珲论的推导和比较 况下虽然有很多的限制 4 9 1 但是在定性分析上仍然具有一定的作用 2 2 3 莫恩斯锕特维格方程 托马斯 杨忽略了血液的粘性 推导出血液流动中动脉波的传播速度 也就 是杨氏波速 莫恩斯和柯特维格提出动脉中脉搏波传递的理论 5 0 1 莫恩斯利用 注满水的橡皮管来测量其压力和脉波波速 柯特维格并在理论中加入了流体压缩 性和血管壁内经向跟纵向的潜在影响 所推导出来的波速和当初的杨氏波速结果 一致 5 1 1 莫恩斯市特维格的假设如下 血管为圆柱形的纯弹性管 流体为非粘性流体 所以各层的轴向速度相同 动脉管壁非常的薄 径向运动被忽略 但是实际上 在人体的生理系统当中 血液是有粘性的 主动脉也有一定的 厚度 动脉在径向方向也有振动的现象 因此 莫恩斯 柯特维格所推导的波动 方程式 描述在弹性管壁做径向振动的波动是完全不适当的 2 2 4 沃姆斯莱数方程 沃姆斯莱数方程可以说是现代流体力学当中最重要的发展 它是由 n a v i e r s t o k e s 方程式推导而来的 以此为基础的研究发展比较多 例如电路类比 模型 t 型管模型等都源自于此 但是在其推导的过程中 径向的速度和非线性 项都被忽略掉了 以方便求出解析解 另外由于此方程是由硬管开始研究 径向 的振动被假设为很小的值 因此先考虑轴向的压力梯度 n a v i e r s t o k e s 方程式因 此被化简为 一妾叫争吲窘七 3 其中 p 为流体的密度 7 为流体的粘性系数 堑 型 堑翌堡塑 竺壁堡 墅壅坌堑堕壅鎏里堡笙量茎堑矍笙塑丝量塑些墼 r d 为轴向的流速 x 为轴向长度 为径向的长度 由于从事血液流体动力学研究的学者 大多是从事流体力学领域 因此面对 动脉系统中的血压 血流的变化 很自然的就会用n a v i e r s t o k e s 方程式来描述 这一考 系 n a v i e r s t o c k s 方程式的物理意义是 在轴向与径向两个方向 一小块 j 记给j 乏 z 的惯性力 可以与其受到的压力梯度和粘性力达成力平衡 这样就可以 j 苗还这一小块流体的运动方式 再推广到整条血管 甚至是整个动脉系统 这个 妒充方向看似理所当然 但在生理上却有一些条件限制 使得此方程式的适用性 入j j 折扣 1 n a v i e r s t o k e s 方程式本身是一个非线性方程式 没有解析解 因此在求解 通f t 申必须先忽略掉一些非线性项 沃姆斯莱数模型的推导过程中 影响最大的 筑老经r 口1 速度项的忽略 实际在动脉系统中 径向的振动并非小到可以忽略的程 蹙