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电磁流量计

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多电极电磁流量计肢体血液流速分布测量研究

来源:www.beirap.com作者:发表时间:2019-02-19

 摘 要:为实现人体血液流速分布的非侵入式测量,对重大心血管疾病进行预判,将多电极电磁流量计应用于人体肢体血液速度剖面测量,将传统Shercliff权函数改进为区域权函数,模仿人体肢体结构建立COMSOL仿真模型,将测量截面划分为不同区域,通过多对电极获取不同位置的弦端电压,确定肢体截面上不同测量区域的权函数,进而计算各测量区域的局部轴向平均速度。针对动脉、静脉所在位置范围内进行不同区域划分并进行血液流速分布测量,仿真验证了多电极电磁测量系统对动脉、静脉血管中互为逆向流动的速度信息测量的可行性。三维有限元仿真和计算结果表明,所提出的测量方法能够实现肢体测量截面处不同方向的流速测量,并且具有较高的速度分布重构精度,对于人体血

液流速测量和血流变异常监测具有参考价值。
 
现代医学研究表明,监测血液流速变化可以提前预防和控制困扰人类的重大心血管疾病,如冠状动脉狭窄、冠心病等。针对哺乳动物血液流动的不对称性和多电极电磁测量方式的非侵入性,将多电极电磁测量方式应用于人体肢体血液流速的测量已有过有益尝试[1-2]。通过多电极获取肢体截面处的不同弦端电压,利用任意流型下的平均流速表达式实现速度 分布测量已在多相流领域取得广泛应用[3]。1983 年,BEVIR,O'SULLIVAN等研制出了应用于医学上测量血液流量的6电极电磁流量计[4]。20世纪90年代,南京医学院第一附属医院采用电磁流量计成功地测定了门静脉血流量[5]。之后,张小章、徐立军等对流场重建方面进行了深入研究[6-7]。2008年,清华大学利用人体皮肤和接触导体间的热传递来无创测量局部皮肤组织中血液的流速[8]。2010年,南京航空航天大学提出了一种基于视频图像序列的人体微小管状血管血液流速自动测量方法[9]。2012年,PENG 等[10]研究了电磁流量计安装角度对测量精度的影响。2016年,浙江大学从血液两相流动的角度出发,针对通过 CT 扫描图像逆向重构得到的主动脉夹层三维几何模型,进行血液两相流动数值模拟[11]。2017年,董会武等[12]通过彩色多普勒超声无创探测主动脉及其各主要出入口的血流动力学参数,计算出国人青年的主动脉血流量分配比例的正常值,对主动脉的血流动力学研究有重要意义。2018年,哈德斯菲尔德大学用电磁感应流层析技术测量瞬态单相流和多相流中的速度分布[13-14]。
 
针对在血液流速测量方面的研究,本文基于电磁流量计权函数理论,将多电极电磁测量方式应用于人体肢体动脉、静脉血液流速测量。采用有限元分析法,利用 COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件建立多电极肢体血液测量系统的三维模型,并对励磁系统进行仿真优化。通过多个电极测得人体上肢不同位置的弦端电压,结合区域权函数理论,计算动脉和静脉中的血液速度在不同血管区域中的分布剖面。通过对动脉和静脉进行高分辨率的测量区域划分,便可反映出动脉、静脉的流速变化和堵塞情况。此外,针对人体特征差异,如胖瘦不同,动脉、静脉在皮下的位置亦有所不同,在人体肢体动脉、静脉所处皮下位置的一定范围内进行仿真验证,通过速度重构得到的速度信息具有较高的精度,证明多电极电磁肢体血液流量计可应用于不同个体的血液流速测量。
 
区域权函数及血液流动仿真
利用 COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件建立多电极肢体血液监测系统的三维模型,仿真时分别将指定区域1、区域2赋予500m/s的均匀速度,其他区域中的速度设置为0。需要说明的是区域权函数的计算值是一个与电磁流量计有关的数值,与区域中设置的速度大小无关,之所以仿真中设置如此大的速度值是为了获得数值较高且精度较高的感应电动势,提高区域权函数的计算精度。磁感应强度设置为0.15T,在此种流动情况下启动仿真,仿真得到感应电动势。通过 MATLAB软件对仿真数据进行提取与处理,得到不同电极对的感应电压,代入式(2),便可求得区域权函数。
 
1)动、静脉位置固定的仿真结果
按照模型1几何结构建立模型模拟动脉、静脉(区域1、区域2)的流动仿真模型,由于人体肢体动脉血液平均流速约为0.23m/s,静脉血液平均流速约为0.035m/s,而且动脉、静脉血液流速方向相反,故分别按照10∶1的比例赋予期望速度,仿真得到感应电动势如图7所示。提取e1-e3坐标处感应电动势仿真结果与理论计算值进行对比,3个电极的仿真结果与理论计算结果相对误差均小于0.1%。
 
将仿真所得感应电动势按照式(3)进行速度重构,动脉、静脉中轴向平均速度仿真结果见图8。仿真结果表明,在模型1中电极布置方式及二区域划分方式下,多电极电磁肢体血液流量计可测量互为逆向的动脉、静脉血液流速,且相对误差范围在0.01%内。
 
结 论
1)利用区域权函数理论针对不同情况建立不同测量模型并进行速度重构,通过仿真验证,多电极电磁测量方式可用于动脉、静脉逆向血液流速测量;
2)建立模型验证人体肢体动脉、静脉在所处皮下位置一定范围内变化时的测量情况,根据仿真结果计算的速度信息是准确的,表明多电极电磁肢体血液流量计对血管位置不敏感,可应用于不同个体的血液流速测量;
3)通过对动脉、静脉的测量区域高分辨率的区域划分,仿真结果准确实现了各血管内速度分布情况的测量,表明电磁测量机理适用于动脉、静脉堵塞判断;
4)关于多电极电磁流量计测量机理对于个体差异的适用性验证工作还需进一步开展,今后将对此进行深入探索。
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