基于精细脉象的体肺循环多元同步检测与定量分析的研究

论文摘要

人体脉象源于心动,是反映生命活动的重要体征之一。在脉波搏动中蕴藏着丰富的生理、病理信息,不仅古代中医很早就已靠号脉来诊病,国外也远在古希腊时代就有关于检测人体脉波的记载。中医著作《内经》、《脉经》和《濒湖脉学》等是古代脉诊技术发展的典型代表,随着现代医学的进步,无创检测技术有了迅猛的发展,分析技术也已经从定性走向了定量。相关研究已不限于传统中医理论,正在向生理学、病理学、解剖学、生物力学、血流动力学、计算机学和机械电子学等多学科综合研究发展,这使得脉学研究已逐步成为一门系统工程。在当前的脉象检测技术中,脉象传感器的设计与脉象信息的分析是二个关键。传感器设计主要有两方面不足,一是脉象信息的采集手段比较单一,传感器一般只局限于对压力脉搏图的描记,尚不能实现脉象信息三维的、动态的采集;二是检测以接触式压力传感器为主,不仅对脉象有干扰,而且精度低,稳定性差,这对于静脉波的检测尤为突出。本文在此基础上,首先较深入地讨论了激光法进行脉象非接触检测的原理,在大量实验的基础上,特别强调了针对右心系统脉象检测和研究的重要性。首次针对右心系统选择以右中心静脉处的右“三脉球"（即右颈内静脉、右颈外静脉和右锁骨下静脉汇合形成的膨大球囊状管）作为理想的激光静脉信号采样点,并且系统地探讨了激光脉象检测技术的相关问题,创新设计了三种较为实用的非接触激光脉象传感器,可以解决“呼吸干扰”等难题,获得国家自然科学基金资助。此后,本文针对“三脉球”静脉波进行了数学描述与分析,提出了逐波分段归一化方法,通过高斯函数进行了静脉波拟合,取得了较好效果;同时描述了静脉波及其特征点的生理内涵。这为静脉波的深入研究提供了一种思路。在现代检测理论与技术中,由张大祥首创的“脉图法”被视做一个阶段性标志。本文在张大祥及其团队原有的研究基础上,针对精细脉象呈现的病理突变,引入了多尺度小波等非线性方法来研究多维信号的提取、特征点自动捕捉、定位和分析。在采用小波实现脉波降噪的同时,采用新方法提取了有效的特征信号并实现了特征点的自动定位。较之现有方法,该方法进行的特征点定位更准确,为进一步分析脉波的病理畸变打下了基础。最后,本文提出了“体、肺循环系统多元、同步、无创检测与定量分析仪”的设计思想,采用了基于动脉、静脉、心电、心音多元同步技术的特征点小波定位和非线性分析的手段,设计了验证性仪器系统硬件和基于Windows平台的软件,主要包括:1)自行设计和制作了实时脉象信号处理分析主板和原理性样机;2)提出了DSP+ARM架构下的多元信号同步处理方案和小波信号提取算法,提高了代码效率;3)编制了主机处理程序,实现了心电、心音、动静脉波等指标的同步采录分析和波形特征点的智能标识以及32个参数计算输出,结果表明该原理性测试分析系统较之现有仪器具有更高的精度、舒适性和可靠性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目次
• 第一章 绪论
• §1.1 研究背景
• §1.2 心血管循环系统解剖结构与生理指标
• §1.2.1 人体心脏结构
• §1.2.2 心脏功能及其物理特性
• §1.2.3 体、肺循环系统与心动周期
• §1.3 脉搏波特性、临床意义和检测点
• §1.3.1 人体脉象的成因及影响因素
• §1.3.2 脉搏波特性及其检测点
• §1.4 中西医脉象检测技术的发展
• §1.4.1 心功能有创检测技术
• §1.4.2 心功能无创检测与分析技术
• §1.4.3 国内外现有心功能无创检测仪器的对比分析
• §1.5 本论文研究内容及章节安排
• §1.5.1 论文研究内容及成果
• §1.5.2 论文章节安排
• 第一章 参考文献
• 第二章 心功能多元同步定量分析的动力学理论基础
• §2.1 心血管血流动力学模型
• §2.2 动脉血管的电路模型
• §2.3 左心室运动功能的数学描述
• §2.3.1 心室体积变量方程
• §2.3.2 心室压力信号输出方程
• §2.3.3 心肌力、收缩速度与负荷的函数关系
• §2.3.4 心室压力、流量、容量的函数关系
• §2.3.5 心室能量、压力、时间的函数关系
• §2.3.6.心肌力、心室能量诸要素的函数关系
• §2.4 参数的生理意义
• §2.4.1 心搏血量（SV,StorkeVolume）
• §2.4.2 心率（HR,HeartRate）
• §2.4.3 心输出量（CO,CardialOutput）
• §2.4.4 左心室舒张末期容量（LDV,LeftVentricularEnd-DiastolicVolume）
• §2.4.5 左心室舒张末期压力（LDP,LeftVentricularEnd-Diastolic）
• §2.4.6 射流压力时间常数（EPC,EjectivePressureTime-Constant）
• §2.4.7 心肌变率系数（MIC,MyocardimInotropicCoefficiency）
• §2.4.8 左心室功率（LWR,Left-VentricularWorkRate）
• §2.4.9 心肌耗氧量（MVO,MyocardimVolumeofOxygen）
• §2.4.10 心肌缺血阈值（NIT,CosumeIschemicThreshold）
• §2.4.11 左心室负荷及动脉压力
• §2.4.12 系统有效循血容量、总阻抗及动脉流输运常数
• §2.5 本章小结
• 第二章 参考文献
• 第三章 静脉系统脉象信号波建模与特性分析研究
• §3.1 静脉血管的模拟电路模型
• §3.2 右"三脉球"静脉波的波形定义
• §3.3 静脉波的归一化处理
• §3.4 静脉波分段波形参数定义
• §3.4.1 静脉波三段的持续时间（Ta,Tc,Tv）
• §3.4.2 各波段的H1/H2与|H1-H2|
• §3.4.3 静脉最大幅值（MaxH）
• §3.4.4 各波段的|T1-T2|
• §3.5 由高斯函数表征各分段静脉波波形的分析
• §3.6 静脉波波形参数的生理意义
• §3.6.1 典型心脉特征曲线
• §3.6.2 "三脉球"静脉波与心动时相的对照分析
• §3.6.3 静脉波波形特征的生理内涵
• §3.7 本章小结
• 第三章 参考文献
• 第四章 非接触式"三脉球"脉象检测传感器研究
• §4.1 常见脉象传感器概况
• §4.1.1 压力传感器
• §4.1.2 光电式脉搏传感器
• §4.1.3 脉搏声传感器
• §4.1.4 超声多普勒技术
• §4.2 "三脉球"脉象检测
• §4.3 激光"三脉球"脉象非接触式检测系统研究
• §4.3.1 激光对皮肤组织的作用及安全性
• §4.3.2 三角法一维激光法脉象的测量
• §4.3.3 激光多普勒三维脉象的测量方案
• §4.3.4 抗呼吸干扰的差分式激光"三脉球"脉象探测方案
• §4.4 本章小结
• 第四章 参考文献
• 第五章 多元同步信号采集与处理电路
• §5.1 前端电路总体设计
• §5.2 多元信号放大与滤波
• §5.2.1 心电信号的前端处理电路
• §5.2.2 心音信号前端处理电路
• §5.2.3 动静脉信号前端处理电路
• §5.2.4 多元信号放大板实物照片
• §5.2.5 多元信号放大板输出的实际信号
• §5.3 多元信号同步采集与控制
• §5.3.1 数据采集模块
• §5.3.2 CPLD模块
• §5.3.3 ARM控制部分
• §5.3.4 DSP处理部分
• §5.3.5 数据共享与交换
• §5.3.6 电源管理模块
• §5.3.7 多元采集与控制硬件PCB板制作
• §5.4 系统软件设计
• §5.4.1 总体数据处理流程
• §5.4.2 Linux内核的裁减与配置
• §5.4.3 A/D采集
• §5.5 本章小结
• 第五章 参考文献
• 第六章 动、静脉脉象信号分析技术研究
• §6.1 典型脉搏信号特征定位点
• §6.2 脉象特征点自动定位的传统方法
• §6.3 利用小波模极大值点相对关系实现定位的新方法
• §6.4 基于小波的脉象信号降噪
• §6.4.1 小波降噪模型
• §6.4.2 小波降噪过程
• §6.4.3 小波降噪阈值设定
• §6.4.4 硬阈值和软阈值
• §6.4.5 降噪结果与分析
• §6.5 本章小结
• 第六章 参考文献
• 第七章 体肺循环多元同步检测与定量分析的实验验证
• §7.1 验证性测量系统的建立
• §7.1.1 验证系统总体结构
• §7.1.2 操作步骤与软件处理流程
• §7.1.3 输出的医学参数
• §7.2 动物实验及临床金标准比对方法
• §7.3 软件操作实例
• §7.4 实测体检检测报告
• §7.5 激光法脉象非接触检测探索性实验
• §7.6 本章小结
• 第七章 参考文献
• 第八章 总结与展望
• 附录1 查新报告
• 附录2 部分金标准检测对照
• 作者简历及在学习期间所取得的科研成果