基于波形驅(qū)動(dòng)的橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)設(shè)計(jì)

張愛華 ，郝晉華，林冬梅 ，王敬陽

1 蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州市，730050

2 甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州市，730050

3 蘭州理工大學(xué) 電氣與控制工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，蘭州市，730050

0 引言

心血管病目前已成為世界最大的公共衛(wèi)生問題，防治心血管病刻不容緩[1]。臨床研究表明，可以通過連續(xù)監(jiān)測(cè)血壓波形來有效預(yù)防及診斷心血管病[2]。有創(chuàng)測(cè)量法可以準(zhǔn)確獲取血壓波形，但對(duì)測(cè)試者創(chuàng)傷較大，不便于日常監(jiān)測(cè)。在我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中，中醫(yī)師通過觸覺感知橈動(dòng)脈空間區(qū)域的搏動(dòng)規(guī)律，從而獲取橈動(dòng)脈的血壓信息[3]。若建立橈動(dòng)脈空間區(qū)域搏動(dòng)的三維信息即三維脈搏信息與血壓波形之間的聯(lián)系，就可以通過三維脈搏信息預(yù)測(cè)血壓波形。兩者聯(lián)系的研究需通過實(shí)驗(yàn)同步獲取大量三維脈搏信息與血壓波形，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由人體測(cè)量獲取不切實(shí)際。因此，搭建能同時(shí)獲取三維脈搏信息與血壓波形的模擬平臺(tái)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)仿人體血流循環(huán)模擬平臺(tái)研究較廣泛。如體外血液流動(dòng)裝置[4]、閉環(huán)橈動(dòng)脈血流系統(tǒng)[5-6]實(shí)現(xiàn)了體外血流系統(tǒng)的初步仿真，該平臺(tái)主要用于研究血流動(dòng)力學(xué)特性，無法用于研究血管內(nèi)壓力引起血管壁形變的傳遞機(jī)制與規(guī)律。韓國(guó)研制的心血管模擬器[7-8]能夠在模擬橈動(dòng)脈處產(chǎn)生近似人體生理特征的血壓波形，并通過改變平臺(tái)中液體的流速、黏稠度以及管壁的彈性來研究管內(nèi)壓力波與這些因素的關(guān)系；仿人體心血管系統(tǒng)搭建的血流脈動(dòng)模擬器[9]，通過順應(yīng)室模塊調(diào)節(jié)整個(gè)平臺(tái)內(nèi)部壓力可產(chǎn)生不同年齡段的血壓波形。上述韓國(guó)研制的平臺(tái)由電機(jī)控制模擬血液的流速與流量，調(diào)節(jié)外周阻力改變波形形態(tài)，血壓波形重復(fù)性低；更重要的是，專注于血流在血管內(nèi)部特性的研究，在模擬橈動(dòng)脈處無法很好地獲取脈搏信息。還有學(xué)者利用凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)研制脈搏模擬器[10]，可產(chǎn)生與人體橈動(dòng)脈較一致的血壓波和脈搏波，但該模擬器每產(chǎn)生一種脈搏波需要設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的凸輪結(jié)構(gòu)，不利于產(chǎn)生多類型血壓波形與脈搏搏動(dòng)用于橈動(dòng)脈三維脈搏信息與血壓波形之間聯(lián)系的研究。

因此，針對(duì)目前用于研究三維脈搏信息與血壓波形之間聯(lián)系的仿人體血流模擬平臺(tái)的局限性，基于人體心血管系統(tǒng)循環(huán)理論和脈搏波形成機(jī)理，搭建橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)，將高斯函數(shù)模型合成的人體脈搏波量化為平臺(tái)驅(qū)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)在模擬橈動(dòng)脈處產(chǎn)生多類型仿人體脈動(dòng)流。

1 橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)

橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)的示意圖和實(shí)物圖如圖1所示。由心臟模擬模塊、主動(dòng)脈模擬模塊和橈動(dòng)脈模擬模塊組成。工業(yè)注射泵、抽濾瓶1和抽濾瓶2模擬人體心臟，用來產(chǎn)生脈動(dòng)流。人體血液循環(huán)的動(dòng)力來于心臟，心臟射血迫使血液在血管中循環(huán)往復(fù)流動(dòng)。工業(yè)注射泵為該橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)的動(dòng)力源，選用蘭格恒流泵有限公司研發(fā)的型號(hào)SP1-C1注射泵，該注射泵精確度高，可以將任意類型脈搏波量化為驅(qū)動(dòng)指令，通過RS-485協(xié)議使注射泵按照指令控制橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)中儲(chǔ)液的流量和流速。

圖1 橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)Fig.1 Radial artery simulation platform

主動(dòng)脈和小動(dòng)脈模擬人體主動(dòng)脈模擬模塊，小動(dòng)脈作用是有效增加外周阻力。外周阻力可阻礙血液快速流過血管，增加血液對(duì)血管壁作用，同時(shí)使血流形成反射波。研究表明[11]，脈搏波的重搏波由血液回流的反射波形成。主動(dòng)脈和小動(dòng)脈選用柔性較好且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的硅膠軟管。

大動(dòng)脈、橈動(dòng)脈和外周阻力調(diào)節(jié)閥完成橈動(dòng)脈模擬模塊設(shè)計(jì)，壓力變送器用來采集橈動(dòng)脈血壓波形。為實(shí)現(xiàn)橈動(dòng)脈產(chǎn)生更為明顯的脈搏搏動(dòng)位移用于三維脈搏信息采集，橈動(dòng)脈選用柔韌性好、受力形變強(qiáng)且回彈性好的模擬人體血管，其余管路仍選用硅膠軟管。

橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)中使用的儲(chǔ)液為37%甘油與63%水混合而成，密度為1.07 g·cm-3，黏度為3.5 cP，接近人體血液密度與黏度[12]。

橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)工作時(shí)，先預(yù)選要驅(qū)動(dòng)的任意類型脈搏波單周期，量化為工業(yè)注射泵驅(qū)動(dòng)指令；通過RS-485協(xié)議注射泵執(zhí)行驅(qū)動(dòng)指令；將抽濾瓶2中的模擬血液按照指令控制的流量和流速泵入抽濾瓶1，繼而流向主動(dòng)脈模擬模塊和橈動(dòng)脈模擬模塊，完成整個(gè)橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)的血液循環(huán)。要想使橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)產(chǎn)生多類型三維脈搏信息和血壓波形用于兩者聯(lián)系規(guī)律的研究，需要獲取多類型人體單周期脈搏波來驅(qū)動(dòng)平臺(tái)。

2 多類型脈搏波合成與驅(qū)動(dòng)

多類型單周期脈搏波由目前最常用的高斯函數(shù)模型[13-14]和伽馬密度函數(shù)模型[15]合成。選取數(shù)據(jù)庫“Physione MIMIC II/III Waveform Database,part 0”中具有代表性的8種類型實(shí)測(cè)脈搏波，分別應(yīng)用高斯函數(shù)模型和伽馬密度函數(shù)模型進(jìn)行波形合成實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證并分析兩種模型合成脈搏波的精度。均方根誤差和確定系數(shù)是最為常用的評(píng)價(jià)波形合成精度的指標(biāo)，均方根誤差越接近0，合成精度越高；確定系數(shù)越接近1，模型對(duì)波形合成越好[16]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高斯函數(shù)模型對(duì)8種類型實(shí)測(cè)脈搏波的均方根誤差平均值為0.036 8，確定系數(shù)平均值為0.997 6；伽馬密度函數(shù)模型對(duì)8種類型實(shí)測(cè)脈搏波的均方根誤差平均值為0.114 6，確定系數(shù)平均值為0.971 9?？梢?，高斯函數(shù)模型優(yōu)于伽馬密度函數(shù)模型。在橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)中選用高斯函數(shù)模型合成任意類型人體脈搏波來驅(qū)動(dòng)。

2.1 高斯函數(shù)模型合成脈搏波

高斯函數(shù)曲線為“鐘”形波，與脈搏波主波、重搏波以及重搏前波的形態(tài)類似，被廣泛用于脈搏波合成、分解和特征波提取[13-14]。典型的高斯函數(shù)如式（1）所示：其中，a為高斯函數(shù)曲線峰值，b為峰值對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)；c為標(biāo)準(zhǔn)差，控制曲線寬度。

經(jīng)過多次合成脈搏波實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)較少的函數(shù)個(gè)數(shù)無法準(zhǔn)確描述波形的重搏波與周期，隨著函數(shù)個(gè)數(shù)的增加合成精度逐漸增加，但是模型參數(shù)個(gè)數(shù)和計(jì)算時(shí)間成本呈現(xiàn)指數(shù)倍增加。模擬過程發(fā)現(xiàn)，4個(gè)高斯函數(shù)疊加合成的脈搏波能夠很好地合成人體單周期脈搏波。綜合考慮模型精度和時(shí)間成本，選取了4個(gè)高斯函數(shù)合成人體脈搏波，如式（2）所示：

其中，i為高斯函數(shù)個(gè)數(shù)，ai為第i個(gè)高斯函數(shù)曲線峰值；bi為第i個(gè)高斯函數(shù)曲線峰值對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)；ci為第i個(gè)高斯函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差；T為一個(gè)脈搏周期長(zhǎng)度；F(x)為合成脈搏波幅值；x為幅值對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

通過4個(gè)高斯函數(shù)疊加合成脈搏波的過程如下：

（1）選取需要合成脈搏波類型；

（2）通過最小二乘法從已知脈搏波類型中獲得式（2）中所需的12個(gè)最佳高斯合成參數(shù)；

（3）將12個(gè)最佳高斯合成參數(shù)代入式（2）中，就可合成該類型人體脈搏波。

高斯函數(shù)模型合成8種類型脈搏波結(jié)果如圖2所示，“+”為從數(shù)據(jù)庫中選取的實(shí)測(cè)脈搏波單周期，“—”為高斯函數(shù)模型合成的脈搏波單周期。

圖2 高斯函數(shù)模型合成8類脈搏波Fig.2 Synthesis 8 types of pulse waves by Gaussian function model

2.2 任意類型脈搏波量化方法

高斯函數(shù)模型可以合成任意類型脈搏波用于橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)驅(qū)動(dòng)。以圖3典型脈搏波為例，脈搏波驅(qū)動(dòng)量化方法的步驟為：

（1）求出脈搏波波峰波谷幅值h1、h2、h3以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1、t2、t3和t4；

（2）先量化主波波峰值h1。該速度的選取根據(jù)主波波峰值確定，假設(shè)為1 000步/s，h1/1 000即為主波起始端到達(dá)峰值的時(shí)間，即t1；

（3）t1:(t2-t1):(t3-t2):(t4-t3)為各個(gè)波峰到達(dá)波谷以及波谷到達(dá)下一個(gè)波峰的時(shí)間比，由比例關(guān)系和已知的t1可計(jì)算出各階段時(shí)間；

（4）波峰到達(dá)波谷(h1-h2)以及波谷到達(dá)下一個(gè)波峰 (h3-h2)的位移變化與所對(duì)應(yīng)時(shí)間的比值就可得到該段注射泵運(yùn)行速度；

（5）將整周期合成脈搏波轉(zhuǎn)換為注射泵指令按照RS-485協(xié)議執(zhí)行計(jì)算機(jī)指令控制模擬血液進(jìn)出的流量和流速，產(chǎn)生模擬脈搏波的脈動(dòng)流。

圖3 典型脈搏波Fig.3 Typical pulse waves

3 模擬橈動(dòng)脈三維脈搏信息和血壓波形獲取

圖4為模擬橈動(dòng)脈三維脈搏信息與血壓波形同步獲取實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。將圖2中高斯函數(shù)合成的8種類型脈搏波量化為工業(yè)注射泵驅(qū)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)。三維脈搏信息由課題組研制的雙目視覺脈搏檢測(cè)系統(tǒng)以及處理算法獲取[17]；血壓波形由安裝在橈動(dòng)脈處的壓力變送器同步實(shí)時(shí)采集。壓力變送器選用KY型液體壓力變送器，精度高。雙目視覺脈搏檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集模擬橈動(dòng)脈某個(gè)時(shí)刻的三維脈搏形態(tài)，連續(xù)時(shí)刻三維脈搏形態(tài)反映出模擬橈動(dòng)脈一定的血流壓力狀況，從三維脈搏形態(tài)中可以獲取脈長(zhǎng)、脈寬以及橈動(dòng)脈不同位置的脈搏波等一系列脈搏信息，由這些脈搏信息可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)血壓波形。洪脈驅(qū)動(dòng)橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)獲取的三維脈搏形態(tài)，如圖5所示。三維脈搏形態(tài)中模擬橈動(dòng)脈位移最大點(diǎn)處脈搏波和血壓波形，如圖6所示。

圖4 模擬橈動(dòng)脈三維脈搏信息與血壓波形同步獲取實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 The experimental platform of obtaining the three-dimensional pulse information and blood pressure waveform synchronously in the simulated radial artery

圖5 洪脈三維脈搏形態(tài)Fig.5 Three-dimensional pulse space of surging pulse

圖6 洪脈脈搏波與血壓波Fig.6 Pulse waves and blood pressure waves of surging pulse

4 橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)性能分析

4.1 穩(wěn)定性分析

選取高斯函數(shù)模型合成的洪脈驅(qū)動(dòng)橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)，獲取20個(gè)周期的三維脈搏信息和血壓波形；提取三維脈搏信息位移最大點(diǎn)處的脈搏波，通過皮爾森相關(guān)系數(shù)分析19個(gè)脈搏波和血壓波形周期與第一個(gè)周期的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表1和表2。由表可知，19個(gè)周期皮爾森相關(guān)系數(shù)高達(dá)99%，表明20個(gè)周期的一致性較好，橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)能夠穩(wěn)定產(chǎn)生三維脈搏形態(tài)和血壓波形，用于三維脈搏信息和血壓波形間內(nèi)在規(guī)律聯(lián)系的研究。

4.2 可重復(fù)性分析

將高斯函數(shù)合成的某類型脈搏波連續(xù)驅(qū)動(dòng)多次，若多次驅(qū)動(dòng)得到的三維形態(tài)位移最大點(diǎn)處的脈搏波一致且血壓波形也一致，則表明該橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)可重復(fù)產(chǎn)生脈動(dòng)流。選取高斯函數(shù)模型合成的洪脈，連續(xù)驅(qū)動(dòng)8次橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)；三維脈搏形態(tài)最大位移點(diǎn)處的脈搏波如圖7所示，同步獲取血壓波形如圖8所示。

表1 19個(gè)脈搏波周期與第1個(gè)脈搏波周期皮爾森相關(guān)系數(shù)Tab.1 Pearson correlation coefficient between the 19 pulse waveforms periods and the first pulse waveform period

表2 19個(gè)血壓波形周期與第1個(gè)血壓波形周期皮爾森相關(guān)系數(shù)Tab.2 Pearson correlation coefficient between the 19 blood pressure waveform periods and the first blood pressure waveform period

圖7 洪脈驅(qū)動(dòng)8次的脈搏波Fig.7 Pulse waves of Surging Pulse driving 8 times

圖8 洪脈驅(qū)動(dòng)8次的血壓波Fig.8 Blood pressure waves of Surging Pulse driving 8 times

由圖7可知，驅(qū)動(dòng)橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)8次獲取的脈搏波基本一致；由圖8可知，血壓波形基本一致，驗(yàn)證該橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)重復(fù)性較好。

5 結(jié)論

搭建了在模擬橈動(dòng)脈處同時(shí)產(chǎn)生任意類型三維脈搏信息和血壓波形的橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)。本平臺(tái)由心臟模擬模塊、主動(dòng)脈模擬模塊和橈動(dòng)脈模擬模塊組成。為使平臺(tái)產(chǎn)生任意類型三維脈搏信息和血壓波形，選擇高斯函數(shù)模型合成任意類型人體脈搏波，量化為平臺(tái)驅(qū)動(dòng)指令，通過安裝在模擬橈動(dòng)脈處的壓力變送器采集血壓波形，由課題組研制的雙目視覺脈搏檢測(cè)系統(tǒng)采集三維脈搏波信息。通過實(shí)驗(yàn)與分析，驗(yàn)證了橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。本橈動(dòng)脈模擬平臺(tái)可作為研究三維脈搏信息與血管內(nèi)壓力變化之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。