基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测方法及系统技术方案

本公开提供了一种基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测方法及系统实时获取血管超声图像，采集血流速度频谱以及压电脉搏波信号；根据压电脉搏波信号获取血流动力学参数；建立标准的血流循环仿真模拟模型以及建立个体化的数字孪生模型，确定个体化参数以及影响因素，建立可测量与个体化参数之间的函数关系，通过实时调整参数，实现个体化模型的实时模拟；设定目标函数，对参数进行优化，得出最优参数组合，并端到端确定实时压力

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测方法及系统


[0001]本公开涉及超声传感监测
，具体涉及基于数字孪生的适形超声生命体可视化传感与监测方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]急性冠状动脉综合征和急性脑血管病，是供应心、脑的血流突然大幅度降低所致，目前虽然有生物标记物化验、心电图、CT或者MRI的检测手段，但是这些检测结果出现异常需要一定的时间窗，更为重要的是，这些手段需要在医疗机构完成，常导致诊断延误和抢救黄金时间的错失。
[0004]另一方面，慢性稳定型心脑血管疾病，由于症状隐匿，或仅在强体力活动等特殊情况下出现症状，在常规检查中难以发现，而血管造影虽可以发现血管动脉粥样硬化和管腔狭窄，但具有辐射性、创伤性和高昂医疗卫生费用。更为重要的是，这些稳定型病变发展为急性事件并非线性过程，预测急性事件发生一直是临床难题。
[0005]其中，在当代心血管病临床管理中，有两方面特征与早先临床医疗环境明显不同。一是，随着急救水平提升，急性事件死亡率下降，但终末期心力衰竭和失能状态患者增多；二是，无论心血管还是脑血管病终末状态，康复治疗的价值和地位凸显。但是，康复治疗中，再发急性心脑血管事件的风险高，需要有严密监测，而这又依赖于专业医疗环境，病患数量和专业医疗环境/设备数量的矛盾日益激增。
[0006]目前有报道利用超声进行血流速度和心输出量的技术(专利CN105708494B)和利用光电容积脉搏波描记法等光学技术测量的专利(CN201110329775.X、CN 114271805A)，在这些专利中，一般是获取脉搏波波形，并提取心率、所检测血管的直径来计算血压和血压变化率，并进而换算为心脏每搏量和心输出量。学者们也提出了其他技术解决方案，如：CN 114287967 A提出了利用超声和微泡进行测压，CN215839164 U综合了血管壁弹性信息，CN 208910307 U采用两组超声换能器获得血流阻抗指数和踝肱指数等血管弹性信息。为使得检测更加便捷，一系列穿戴式设备被研发，如CN 211094256 U、CN112842392 A、CN 113440165A、CN108697349 B。
[0007]众所周知，对于循环状态和血流状态的完整评估涉及形态、结构、速度、频率等维度信息，这也是专业超声检查需要提供的信息。但是上述这些技术在实现连续监测和穿戴需求时，就折衷了提供多维度信息的能力。这些技术或只能获取脉搏波，或只能通过多普勒原理获取血流速度，或只能获取血管某个位置的压力，或只能获取脉搏波传导速度和血管壁弹性，总而言之，对于整体循环状态和心脏输出状态的评估都是基于单一维度或简单的线性回归模型，不能同时完整获取血管和血流动态图像、血流实时速度、脉搏实时波形、心率实时信息。众所周知，动脉横截面积与半径呈平方关系，这在中等和小口径血管测量中，尤为重要，单一依靠血管横截面积来估算血流量和血压的方法，当半径测量值存在很小误
差时，就会造成结果的很大偏移(比如颈总动脉内径6mm，若半径测量存在1mm误差，最终结果偏移可达30％)。而依赖多普勒计算血流速度的方法对探头与待检测血管相对位置和声束入射角度存在严格要求。
[0008]已报道的技术中，又或者为了达到较多维度信息而增加穿戴式设备的体积，牺牲了穿戴体验和监测持续时间(如Kenny的研究)，而设备大小和重量的增加无疑给浅表动脉带来了额外压力，不仅造成血压测量值的不准确，还产生几何频谱展宽效应(geometric spectral broadening)，使得血流速度测量发生错误。专利技术专利(CN202210533454.X)“一种低强度聚焦超声穴位治疗仪及治疗外周血管疾病方法”，提出一种穿戴式的产品结构具有若干个超声换能器，确保在治疗过程中超声换能器始终位于穴位处，确保超声换能器与人体穴位完全贴合不会产生超声损耗，并不能用于成像和信息检测。专利技术专利(CN202080067767.X)“非侵入性、实时、逐搏、动态血压监测”，提供了一种用于确定对象的心血管系统内的固定位置处的心脏参数的流动系统，其原理为利用超声换能器检测穿过固定位置的压力波，不能实现生命体征的可视化。究其原因是在换能器架构、工作方式以及心脏循环功能评估的病理生理参数模型存在缺点。

技术实现思路

[0009]本公开为了解决上述问题，提出了基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测方法及系统，本公开利用适形超声可视化传感器和基于数字孪生的心脏循环功能性血流动力学参数计算，利用前者获取的实时血流动力学数据输入后者进行参数计算，实现适形超声生命体征可视化传感与监测。
[0010]根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
[0011]基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测方法，包括：
[0012]实时获取血管超声图像，采集血流速度频谱以及压电脉搏波信号；根据压电脉搏波信号获取血流动力学参数；
[0013]建立标准的血流循环仿真模拟模型以及建立个体化的数字孪生模型，确定个体化参数以及影响因素，建立可测量与个体化参数之间的函数关系，通过实时调整参数，实现个体化模型的实时模拟；设定目标函数，对参数进行优化，得出最优参数组合，并端到端确定实时压力
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容积环量化心脏收缩力和心脏搏功；
[0014]对于获取的血流动力学参数局部特征区域进行提取，结合临床队列，按照数据特性将单点时间扩充到时间轴上，实现循环状态参数的连续可视化并分析参数的变化趋势。
[0015]根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
[0016]基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测系统，包括：
[0017]换能器数据采集模块，用于实时获取血管超声图像，采集血流速度频谱以及压电脉搏波信号；根据压电脉搏波信号获取血流动力学参数；
[0018]数据传输和处理模块，用于建立标准的血流循环仿真模拟模型以及建立个体化的数字孪生模型，确定个体化参数以及影响因素，建立可测量与个体化参数之间的函数关系，通过实时调整参数，实现个体化模型的实时模拟；设定目标函数，对参数进行优化，得出最优参数组合，并端到端确定实时压力
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容积环量化心脏收缩力和心脏搏功；
[0019]对于获取的血流动力学参数局部特征区域进行提取，结合临床队列，按照数据特
性将单点时间扩充到时间轴上，实现循环状态参数的连续可视化并分析参数的变化趋势。
[0020]根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
[0021]一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测方法。
[0022]根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
[0023]一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的基于数字本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测方法，其特征在于，包括：实时获取血管超声图像，采集血流速度频谱以及压电脉搏波信号；根据压电脉搏波信号获取血流动力学参数；建立标准的血流循环仿真模拟模型以及建立个体化的数字孪生模型，确定个体化参数以及影响因素，建立可测量与个体化参数之间的函数关系，通过实时调整参数，实现个体化模型的实时模拟；设定目标函数，对参数进行优化，得出最优参数组合，并端到端确定实时压力
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容积环量化心脏收缩力和心脏搏功；对于获取的血流动力学参数局部特征区域进行提取，结合临床队列，按照数据特性将单点时间扩充到时间轴上，实现循环状态参数的连续可视化并分析参数的变化趋势。2.如权利要求1所述的基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测方法，其特征在于，根据血管超声图像计算血管横截面积以及面积变化率与单位时间面积变化率，根据血流速度频谱获取心率、速度时间积分以及最大或者平均血流速度，同时计算多普勒休克指数、血流量、每搏量以及心输出量。3.如权利要求1所述的基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测方法，其特征在于，所述建立标准的血流循环仿真模拟模型包括：利用生理学统计信息，得到标准血流循环系统几何模型、边界条件以及计算参数，所述计算模型采用1D CFD与0D电路耦合模型，1D CFD模拟动脉，电路耦合模型模拟下游小动脉与微循环。4.如权利要求3所述的基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测方法，其特征在于，所述生理学统计信息包括心输出量、血管长度、血管大小、血管分支结构以及动脉下游微循环阻力，通过标准仿真模拟模型得出动脉的实时血流速度与血压分布，动脉血管横截面积，以及脉搏波的大小与位置分布间的关系。5.如权利要求1所述的基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测方法，其特征在于，所述建立个体化的数字孪生模型包括：确定个体化参数及其影响因素，建立可测量与个体化参数之间的函数关系，并对个体化模型进行实时的模拟，选取一个或多个优化目标，通过调整参数，使得模型计算值与优化目标的实际测量值差值最小，得出最优参数组合。6.如权利要求5所述的基于数字孪生的适形超声生命体可视化监测方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏飞，武丹，谢希芳，
申请(专利权)人：济南康寿鑫医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：