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1、脑循环功能检测技术近三十年进展龚剑秋，李丽，丁光宏*复旦大学力学与工程科学系，上海200433摘要：脑循环功能的异常改变往往早于形态学和影像学改变，这对于脑血管的早期检测以及治疗过程中疗效的评价有显著意义。国内外脑循环功能检测技术的发展已有30年左右的历史，本文综述了脑循环动力学参数的生理背景及脑循环功能检测技术近年来的发展。关键词：动力学参数；脑血管疾病；脑循环功能；血液动力学Thirty Years Advances in the Detection Method of Cerebral Circulation Function Jianqiu Gong, Li Li, Guanghong
2、 Ding*Department of Mechanics and Engineering Science, Fudan University (Shanghai 200433)Abstract：The function of cerebral circulation have always changed a lot before the morphologic changes of cerebrovascular diseases occur, it is very important for the early detection and curative effect evaluati
3、on of cerebrovascular diseases. The detection methods of cerebral circulation function have been studied for thirty years, This article reviews the advances in this field. Key Words: Dynamic index; Cerebrovascular disease; Cerebral circulation function; Hemodynamics一、生理背景脑血管疾病（如：卒中，脑出血等）是严重危害人类健康的三大
4、疾病之一，其发病前没有明显征兆，但发病所导致的死亡率和致残率极高。现代医学研究发现，卒中的有效治疗时间窗仅为6小时或更短1，即在发病后6小时内如果无法有效打通栓塞或制止、清除出血，病人的脑损伤将无法挽救，但据测算目前从发病到完成手术融栓或清血治疗一般需要20小时。因此脑血管疾病的早期或超早期诊断和预防技术是降低脑血管疾病的发病率和死亡率的关键。七十年代随着计算机技术及相关科技的迅速发展，人类发明了许多先进的医疗检测手段，如X光计算机断层扫描（X-CT），核磁共振成像（MRI），数字减影血管造影（DSA）和正电子湮没成像（PET）等。这些高新医疗仪器在临床上的推广应用，为明确脑血管病的诊断作出了
5、划时代的贡献。然而，由于这些先进设备主要用于观察脑组织及脑血管的形态学与影像学的变化，用于疾病发生以后的病情定性与定位上，因此这些高新设备的推广和使用并没有使我国的脑血管疾病的发病率和死亡率有所降低。WHO（世界卫生组织）曾指出：血管壁弹性、血流动力学状态和血液成分及流变学特性是中风发病的三大主要因素。大量动物与临床实验研究表明2-5，脑卒中的发生与发展与脑循环动力学参数（如血管壁弹性，小血管阻力，血流量，血管调节功能等）的异常变化有着密切关系。因此，检测脑循环动力学参数无论是对于脑血管疾病的早期诊断、脑血管疾病治疗措施和疗效的客观评价，还是对于脑循环的生理、病理学研究都有十分重要的意义。*通
6、讯作者：二、国内外研究进展由于脑血管大多被坚硬的颅骨所包埋，其几何形态及动力学状态比较复杂，观察与检测其动力学参数遇到许多困难。所以，尽管早在1912年Kramer6就应用水力学模拟方法来研究脑Willis环动脉内的血液流动现象，但纵观脑循环动力学的发展历史，其研究进展缓慢。继Kramer之后，水力学模拟及电模拟成为研究脑Willis环血液流动的主要方法。60年代中期，Clark等利用计算机技术建立了脑Willis环动脉网络的数学仿真模型7-10。以后的30多年里，数学模型不断完善，也不断复杂。流动由定常发展到不定常，血管壁特性由线弹性到粘弹非线性。这些工作对了解Willis环内血液运动规律起
7、了很大作用。然而由于这些分布参数模型过于复杂，计算工作量大。更重要的是无法利用这些模型来分析与检测脑血管床的动力学特性（如阻力、弹性及调节功能等），也很难通过这些模型来分析脑血管疾病与动力学参数变化的规律。因此，这些动力学模型对临床应用的帮助不大。鉴于此，1979年日本吉村正藏等建立了一个模拟单侧颈动脉系统的6单元集中参数模型，并应用最小二乘拟合法求出了模型参数11。日本林电器公司据此研制了QFM-2000脑血管定量分析仪。但是这种方法对原始测量数据（流速，流量，压力等）的微小误差比较敏感，临床上经常发生不同操作人员甚至同一位操作人员在不同时候对同一位病人的检测结果相差很大的现象。八十年代末期
8、，复旦大学采取降低模型单元数的措施12，利用体循环中的3单元模型计算出了单侧颈动脉系统的血管床阻力与弹性，克服了重复性差这一临床应用的致命弱点，并开发出相应的设备颈动脉分析仪（CVA）、DA-2000等，后者是在前者基础上增加了颈动脉管径的检测。临床应用统计结果发现分析的参数虽然与脑血管疾病具有相关性，但是应用到疾病的诊断却存在许多假阳性与假阴性，甚至出现一些与患者病理生理状况相矛盾的结果。这些严重地限制了这一方法在临床上的广泛应用。由于上述两种方法都只考虑单侧颈动脉系统，忽略了脑循环内部交通动脉的相互联络，因此，该模型无法反映脑循环整体血液动力学状态，特别是脑血流的代偿性改变情况，而这正是脑
9、循环病、生理状态下重要特性之一。临床应用也因此具有很大的局限性。八十年代末Aaslid发明了一种能测量颅内血管中血流速度的仪器TCD。应用这种仪器可直接检测到大脑前中后动脉和椎动脉的血流速度。虽然单纯的流速检测在临床应用时还存在很多局限，但该项技术却为我们进行全脑循环功能分析提供了很好的检测工具。1986年Hillen等提出了一种模拟脑Willis循环的分布参数模型13,14。丁光宏等遁此思路建立了一个反映全脑血液流动的定常流集中参数模型15，在此研究的基础上又建立了一个反映全脑血液循环的32单元脉动流集中参数模型16，而且进一步根据人体循环特征建立了求解该方程组反问题的数学方法17，为新一代
10、脑循环功能检测设备的开发打下了理论基础。近年来，在与复旦大学的合作下，上海匡复医疗设备发展有限公司利用最新的电子技术开发出一款KF-3000脑循环分析仪18,19，经权威部门查新处于国际先进，国内领先水平。该设备通过无创检测颈动脉的血流速度波形及数值、血液压力波形、血管管径和人体血压，以及颅内大脑两侧前、中、后动脉及椎动脉的血流速度，运用脑循环动力学模型和专用计算软件，可以获得颅内主要血管的阻力、弹性、血流量、脑血管调节和脑血流代偿功能等指标，在脑血管病早期检测和脑血管功能检测等方面得到了很好的临床应用。表1 各脑循环功能检测技术的功能比较Comparison of different cer
11、ebral circulation detection Method 仪器功能QFM-2000TCDCVADA-2000KF-3000颈动脉管径颈动脉流速颈动脉流量颈动脉弹性颈动脉阻力血压检测心电检测颅内动脉流速颅内动脉流量颅内动脉阻力椎动脉流速椎动脉流量椎动脉弹性椎动脉阻力备注只能分析颈动脉系统、指标稳定性差只能获得流速信息只能分析颈动脉系统只能分析颈动脉系统、比CVA增加管径检测全面分析颈动脉、颅内动脉的脑循环功能三、研究展望脑血管床具有极为重要的生理功能。表2中给出了脑循环功能与动力学参数之间的对应关系，不同的动力学参数可以反映不同的血管功能19。表2 脑血管动力学参数与脑血管功能Cer
12、ebrovascular dynamic index and cerebrovascular function指标应用指标项目反映脑血流状态的参数颈动脉、大脑椎动脉、颅内大脑前中后动脉的血流速度反映脑供血状态的参数颈动脉、椎基底动脉系统、颅内大脑前中后动脉的血流量反映动脉血管壁弹性的参数血管特性阻抗（Zc）、脉搏波波速（PWV）、顺应性（C）等反映脑微循环通畅程度的参数血管外周阻力（R）反映脑血流自动调节功能的参数动态阻力（DR）反映脑血管闭锁状态的参数临界压力（Pc）反映脑血流代偿与再分配参数颅内动脉的分区压力，颅内Willis环交通动脉代偿血流量反映脑循环功能的动力学参数多达十几个，所表征
13、的意义和说明的问题往往需要根据多个参数的变化得到，这让临床医生在解读时感到不便。因此，根据临床需要，同时结合各动力学参数与脑血管功能之间的关系。若采用主成分分析等方法对参数进行精简，得到分别反映脑血管总体功能、血管弹性、血管微循环动力学情况以及脑部供血状态的四个指标，有望使检测报告更加直观，便于临床诊断。国内外大量动物与临床实验研究表明，动脉粥样硬化的发生和发展与血管壁切应力有着非常密切的关系 。因此，如何无创准确的检测管壁切应力数据也是研究开发的热点。另外，由于医生更倾向些直观的指标，开发影像学与功能学相结合的设备也是一种趋势。参考文献1郭玉璞脑血管病的病理 C王新德脑血管疾病北京：中国科学
14、技术出版社，1993：24-332汪昕等颈动脉系统脑梗塞血液动力学分析 J中国神经精神疾病杂志，1994，20：3493王京，史萌绵等兔动脉硬化时脑血管动力学参数的变化 J第二军医大学学报，1993，13：543-5464丁光宏等脑循环血液动力学与脑血管疾病 J中华神经精神科杂志，1995，28（脑血管疾病专刊）：215王俊卿等脑血管血液动力学分析仪在缺血性脑血管病中的应用 J中华神经精神科杂志，1995，28（脑血管疾病专刊）：封二6Kramer, S.P. On the function of the circle of Willis J. J. exp. Med., 1912, 15:
15、348-355.7Clark, M. E., Martin, J. D., Wenglarz, R. A. et al, Engineering analysis of the hemodynamics of the circle of Willis J. Archs Neurol, 1965, 13: 173-183.8Clark, M. E., Himwich, W. A. and Martin, J. D., Simulation studies of factors influencing the cerebral circulation J. Acta Neurol. Scand., 1
