[發明專利]一種基于血流動力學的數字人體心血管系統的構建方法和應用

在審

• 申請號: 202110570819.1
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113160921A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 徐飛;朱衡天;陳燁;徐標;戴慶
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G16H10/60
• 分類號: G16H10/60;G16H40/20;G16H40/67;G16H50/20;G16H50/30;G16H70/40
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 蘇虹

本發明公開了一種基于血流動力學的數字人體心血管系統的構建方法和應用，根據分布式血流動力學監測系統劃分人體各部位，并確定數字人體模型系統的顆粒度；基于動脈血管彈性管模型，構建動脈血流傳輸函數，并定義函數特征值的生理含義；將分布式血流動力學監測系統采集到的信號、特征值、血流動力學參數輸入至數字人體模型系統中；通過有限元計算獲得動態的分布式的數字人體心血管系統。本發明通過人體各部位分布式特征值和計算出的血流動力學參數，構建出個體的基于血流動力學的動態數字人體模型。該模型能夠實時動態地記錄并顯示人體各部位的心血管狀態，具備豐富的醫學價值。

技術領域

本發明涉及數字人體系統的構建方法，特別是涉及一種基于血流動力學的數字人體心血管系統的構建方法和應用。

背景技術

血流動力學參數與心血管疾病有著密切的關系，其參數的提取較為盲目。無創血流動力學監測技術是包括脈搏波探測、心電信號探測、心音信號探測在內的血流動力學監測技術。各類信號表現出的波形特征(如形態、強度、速度、節律)能夠反映出人體心血管系統的許多生理和病理特征，如心律不齊、二尖瓣病變、主動脈瓣病變、高血壓、肺動脈高壓、心力衰竭等。無創血流動力學監測技術有著實時動態、無創、便捷等優勢，適合包括臨床診療、日常健康管理、運動管理在內的多場景心血管健康監測工作。

然而，現有絕大多數的產品、研究工作僅著眼于動脈系統的某一節段(如頸動脈、肱動脈、橈動脈、下肢動脈)的血流動力學特征，而對整體動脈系統的檢測、研究較為缺乏。并且，人體不同部位的動脈的健康狀態不盡相同，不同動脈的血流動力學狀態也不盡相同。比如，人體的左、右上肢血壓可能存在差異，人體上下肢血壓也存在差異。人體心血管系統不同部位、不同性質的病變，對血流動力學信號的波形特征的影響也不盡相同。現有無創血流動力學監測技術僅限于研究某些節段動脈的血流動力學特征，而對整體動脈系統的檢測、研究較為缺乏。

數字人體是當今醫學科學技術、信息科學、生命科學、人工智能、系統科學、計算科學和計算機技術的高度綜合技術。現如今數字人體技術停留在基于醫學影像的3D層析數字人體，在醫學教育起著輔助作用。包括人體心血管系統在內的生理參數尚未能構建數字化生理人體模型。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提供一種基于血流動力學的數字人體心血管系統的構建方法和應用，基于血流動力學的全身分布式監測系統，通過脈搏信號、心電信號、心音信號的實時采集、特征信息提取、血流動力學參數計算，實現針對人體動脈系統的監測。

技術方案：本發明所述的一種基于血流動力學的數字人體心血管系統的構建方法，包括以下步驟：

(1)根據分布式血流動力學監測系統劃分人體各部位，并確定數字人體模型系統的顆粒度；

(2)基于動脈血管彈性管模型，構建動脈血流傳輸函數，并定義函數特征值的生理含義；

(3)將分布式血流動力學監測系統采集到的信號、特征值、血流動力學參數輸入至數字人體模型系統中；

(4)通過有限元計算獲得動態的分布式的數字人體心血管系統。

其中，所述分布式血流動力學監測系統包括脈搏傳感器、心電傳感器、心音傳感器和信號采集分析系統；所述脈搏傳感器包括設置于人體表淺動脈位置的動脈脈搏傳感器和設置于人體微血管處的光電容積脈搏波傳感器，所述心電傳感器用于采集不同導聯下的心電圖信號，所述心音傳感器用于采集不同部位下的心音信號；所述信號采集分析系統與傳感器相連并實時動態接收檢測到的人體生理信號，并進行信號分析、特征值提取、血流動力學參數計算，以及信號、特征值、參數的存儲。

其中，分布式血流動力學監測系統對采集的信號處理，信號處理包括如下步驟：

(1)脈搏、心電、心音信號的預處理，用于提高信號信噪比并排除干擾信號；

(2)提取各類信號的特征值，各特征點之間的強度差與時間差；