基于个体化心血管系统耦合模型的中心动脉压形成机制与无创检测研究

Central aortic blood pressure (CABP), closely related to cardiovascular events, is an important reference index for the assessment of cardiovascular risk and the therapy of hypertension. Although the noninvasive technology of the CABP detection has achieved great advances, there are still some defects and limitations in universality, real-time, accuracy, etc. They have become the main bottleneck which is restricting the popularization and application of the technology. This project, by clinical test and numerical simulation, mainly focuses on the basic scientific research of hemodynamics in the origination, formation and determinants for CABP detection. The detail research include: the statistical analysis of structural and mechanics parameters of cardiovascular system; the modeling of individualized 0D-1D coupled cardiovascular system model, the individualized parametric estimating of the model, the solving of the model and the hemodynamic simulation; the model-based quantitative expression of individualized transfer function, theoretic analysis of CABP calculation and calibration. The study will reveal the interaction mechanism between cardiovascular system and pulse waveforms and its effect on the formation and wave characteristics of CABP, and explore the feasibility and effectiveness of the CABP detection method by combining the individualized modeling and parameter optimization technique, in order to provide a new idea and method for CABP detection and scientific evidence for the improvement of the present CABP noninvasive detection methods and techniques.

中心动脉压与心血管事件密切相关，是心血管风险评估和降压治疗的重要参考指标。尽管中心动脉压的无创检测技术已取得长足进步，但是，其通用性、实时性、准确性等方面仍存在不足，成为制约该项技术推广应用的主要瓶颈。本项目以个体化中心动脉压测量为研究对象，通过临床试验和数值模拟，对中心动脉压的产生、形成规律及决定因素进行血流动力学的基础科学研究。具体内容包括：心血管系统的结构和力学参数的统计学分析；个体化心血管系统0D-1D耦合模型的建立、个体化参数估计、模型求解与血流动力学仿真研究；基于模型的个体化转换函数的定量表达、中央动脉压计算与校准技术的理论分析。从而，揭示心血管系统与脉搏波之间的相互作用机制，及其对中心动脉压的形成和波形特征的影响规律，探索个体化建模与参数优化技术相结合检测CABP的可行性和有效性，为CABP检测提供一种新思路和新方法，为改进现有CABP无创检测方法和技术提供科学依据。

本项目针对现有中心动脉压测量方法无法体现个体差异性的缺点，以中心动脉压的个体化测量为目标，采用数值模拟与临床实验相结合的方式，开展了心血管系统血液动力学规律和中心动脉压测量新方法的研究。具体内容包括：心血管系统模型的建立、求解和仿真集成系统开发；脉搏波传导速度随外周动脉阻抗、射血时间、心率等参数的影响规律研究；动脉粘弹性在脉搏波反射随心率变化的影响规律研究；动脉粘弹性对脉搏波传导速度的影响规律研究；脉搏波传播受动脉狭窄的影响规律研究；基于叠层人工神经网络的中心动脉压的测量方法和评价；N点移动平均法与通用传递函数法的本质研究；基于桡动脉的脉搏波传导时间的单点检测方法研究等方面。主要研究结果和意义包括：（1）中心动脉压主要受脉搏波反射和传播速度等因素的影响，而脉搏波的反射和传播速度又受到动脉狭窄、心率、外周反射系数、左心射血时间、动脉粘弹性等因素的制约和影响，利用频域脉搏波速解释了动脉粘弹性增加到一定程度时，心率会显著地影响脉搏波传导速度的机制，从而影响中心动脉压。该研究解释了困扰该领域多年的科学问题，对血液动力学研究具有重要意义。（2）基于叠层人工神经网络的个体化中心动脉压的测量方法优于国际公认的通用传递函数方法，且该方法优于近几年提出的N点移动平均法。另外，该方法仅用收缩压和舒张压两个特征参数即可获得满足国际标准（均差：<5±8 mmHg）的中心动脉压估计。该研究成果为更便捷地测量中心动脉压提供了新思路和新途径。（3）基于单点桡动脉血压波形和人工神经网络的脉搏波传导时间估计方法是有效的，该方法为24h的动脉压实时监测和动态动脉硬化监测提供可能；（4）揭示了N点移动平均法本质上是一种通用传递函数法，其最优N由脉搏波传播常数和反射系数决定，而且可以在小数范围进一步优化，同时解释了桡动脉和肱动脉的最优N存在差异的原因，同时指出如何改进基于此方法的中心动脉压估计。