液流速測量和血流變異常監測具有參考價值。

 

現代醫學研究表明，監測血液流速變化可以提前預防和控制困擾人類的重大心血管疾病，如冠狀動脈狹窄、冠心病等。針對哺乳動物血液流動的不對稱性和多電極電磁測量方式的非侵入性，將多電極電磁測量方式應用于人體肢體血液流速的測量已有過有益嘗試［１－２］。通過多電極獲取肢體截面處的不同弦端電壓，利用任意流型下的平均流速表達式實現速度 分布測量已在多相流領域取得廣泛應用［３］。１９８３ 年，ＢＥＶＩＲ，Ｏ＇ＳＵＬＬＩＶＡＮ等研制出了應用于醫學上測量血液流量的６電極電磁流量計［４］。２０世紀９０年代，南京醫學院很好附屬醫院采用電磁流量計成功地測定了門靜脈血流量［５］。之后，張小章、徐立軍等對流場重建方面進行了深入研究［６－７］。２００８年，清華大學利用人體皮膚和接觸導體間的熱傳遞來無創測量局部皮膚組織中血液的流速［８］。２０１０年，南京航空航天大學提出了一種基于視頻圖像序列的人體微小管狀血管血液流速自動測量方法［９］。２０１２年，ＰＥＮＧ 等［１０］研究了電磁流量計安裝角度對測量精度的影響。２０１６年，浙江大學從血液兩相流動的角度出發，針對通過 ＣＴ 掃描圖像逆向重構得到的主動脈夾層三維幾何模型，進行血液兩相流動數值模擬［１１］。２０１７年，董會武等［１２］通過彩色多普勒超聲無創探測主動脈及其各主要出入口的血流動力學參數，計算出國人青年的主動脈血流量分配比例的正常值，對主動脈的血流動力學研究有重要意義。２０１８年，哈德斯菲爾德大學用電磁感應流層析技術測量瞬態單相流和多相流中的速度分布［１３－１４］。

 

針對在血液流速測量方面的研究，本文基于電磁流量計權函數理論，將多電極電磁測量方式應用于人體肢體動脈、靜脈血液流速測量。采用有限元分析法，利用 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ多物理場仿真軟件建立多電極肢體血液測量系統的三維模型，并對勵磁系統進行仿真優化。通過多個電極測得人體上肢不同位置的弦端電壓，結合區域權函數理論，計算動脈和靜脈中的血液速度在不同血管區域中的分布剖面。通過對動脈和靜脈進行高分辨率的測量區域劃分，便可反映出動脈、靜脈的流速變化和堵塞情況。此外，針對人體特征差異，如胖瘦不同，動脈、靜脈在皮下的位置亦有所不同，在人體肢體動脈、靜脈所處皮下位置的一定范圍內進行仿真驗證，通過速度重構得到的速度信息具有較高的精度，證明多電極電磁肢體血液流量計可應用于不同個體的血液流速測量。

 

區域權函數及血液流動仿真

利用 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ多物理場仿真軟件建立多電極肢體血液監測系統的三維模型，仿真時分別將指定區域１、區域２賦予５００ｍ／ｓ的均勻速度，其他區域中的速度設置為０。需要說明的是區域權函數的計算值是一個與電磁流量計有關的數值，與區域中設置的速度大小無關，之所以仿真中設置如此大的速度值是為了獲得數值較高且精度較高的感應電動勢，提高區域權函數的計算精度。磁感應強度設置為０．１５Ｔ，在此種流動情況下啟動仿真，仿真得到感應電動勢。通過 ＭＡＴＬＡＢ軟件對仿真數據進行提取與處理，得到不同電極對的感應電壓，代入式（２），便可求得區域權函數。

 

１）動、靜脈位置固定的仿真結果

按照模型１幾何結構建立模型模擬動脈、靜脈（區域１、區域２）的流動仿真模型，由于人體肢體動脈血液平均流速約為０．２３ｍ／ｓ，靜脈血液平均流速約為０．０３５ｍ／ｓ，而且動脈、靜脈血液流速方向相反，故分別按照１０∶１的比例賦予期望速度，仿真得到感應電動勢如圖７所示。提取ｅ１－ｅ３坐標處感應電動勢仿真結果與理論計算值進行對比，３個電極的仿真結果與理論計算結果相對誤差均小于０．１％。

 

將仿真所得感應電動勢按照式（３）進行速度重構，動脈、靜脈中軸向平均速度仿真結果見圖８。仿真結果表明，在模型１中電極布置方式及二區域劃分方式下，多電極電磁肢體血液流量計可測量互為逆向的動脈、靜脈血液流速，且相對誤差范圍在０．０１％內。

 

結 論

１）利用區域權函數理論針對不同情況建立不同測量模型并進行速度重構，通過仿真驗證，多電極電磁測量方式可用于動脈、靜脈逆向血液流速測量；

２）建立模型驗證人體肢體動脈、靜脈在所處皮下位置一定范圍內變化時的測量情況，根據仿真結果計算的速度信息是準確的，表明多電極電磁肢體血液流量計對血管位置不敏感，可應用于不同個體的血液流速測量；

３）通過對動脈、靜脈的測量區域高分辨率的區域劃分，仿真結果準確實現了各血管內速度分布情況的測量，表明電磁測量機理適用于動脈、靜脈堵塞判斷；

４）關于多電極電磁流量計測量機理對于個體差異的適用性驗證工作還需進一步開展，今后將對此進行深入探索。