無創(chuàng)橈動脈波計算脈搏波傳導(dǎo)時間獲取血壓值的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用單點無創(chuàng)橈動脈脈搏波計算脈搏波傳導(dǎo)時間來獲取連續(xù)血壓值的方法，該方法通過對采集的粗糙橈動脈脈搏波數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度離散小波預(yù)處理操作，濾除干擾，采用頻域多變換和重構(gòu)的方法，保留低頻信息，對重構(gòu)的波形數(shù)據(jù)采用多輸入多輸出模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的算法自動搜尋出關(guān)鍵位置點，計算橈動脈脈搏波傳導(dǎo)時間的精確數(shù)值，建立血壓測量回歸方程式，同時將獲取的新的計算方法系統(tǒng)集成到無袖帶連續(xù)血壓測量裝置中。本發(fā)明將脈搏波傳導(dǎo)時間的計算方法由原來的2點簡化為1點，降低了信號采集的難度，簡化了測試流程，且使被測者徹底擺脫了充氣囊式血壓計的束縛，提高了舒適感，還能夠長時間進(jìn)行無袖帶連續(xù)血壓測量。
【專利說明】無創(chuàng)橈動脈波計算脈搏波傳導(dǎo)時間獲取血壓值的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及臨床醫(yī)學(xué)中一種測量動脈血壓的方法，特別涉及一種無創(chuàng)式的連續(xù)獲取動脈血壓的方法，該方法利用單點無創(chuàng)橈動脈脈搏波計算脈搏波傳導(dǎo)時間(full radialpulse transit time, FRPTT)來獲取血壓值。
【背景技術(shù)】
[0002]我國是世界上老齡化程度最高的國家之一，目前中國65歲以上的老年人口已接近1.3億人，全國31個省和自治區(qū)已有26個進(jìn)入老齡化狀態(tài)，而到2050年，這一數(shù)字將會達(dá)到3.32億人，超過總?cè)丝诘?3%。隨著我國老齡化人口的加劇，養(yǎng)老問題越來越來成為社會關(guān)注的問題，而居家養(yǎng)老是中國老人普遍喜愛的方式。這樣隨之而來的一系列疾病預(yù)測、治療和監(jiān)控成了問題，如常見的老年病高血壓和心腦血管疾病等，在沒有發(fā)病的時候，一切正常，一旦發(fā) 病，輕則身體中風(fēng)殘疾，重則危及生命。
[0003]實現(xiàn)無創(chuàng)無袖帶血壓的連續(xù)測量具有重要的意義。據(jù)美國VOA 2013年4月7日報道，世界衛(wèi)生組織(WHO)估計，全球約10億成年人(成年人口 1/3)正在受到高血壓影響，高血壓逐漸成為“沉默殺手”(Silent killer)。世衛(wèi)組織總干事陳馮富珍警告稱，高血壓正引發(fā)全球性健康危機。她說:“每年高血壓引發(fā)的心臟病和中風(fēng)導(dǎo)致940萬人死亡，而心臟病和中風(fēng)已經(jīng)成為全球頭號死亡殺手。高血壓還會增加腎衰竭、失明以及其他疾病危險?！卑凑?009年國家心血管病中心、中國高血壓聯(lián)盟和阜外心血管病醫(yī)院公布的數(shù)據(jù)，中國有2億高血壓患者，且每年新增加1000萬人。心腦血管疾病現(xiàn)已成為中國人首位死因，而高血壓則是第一危險因素，心腦血管疾病合并占總死亡的44.4%。目前人們已經(jīng)普遍認(rèn)識到高血壓的危害，因此提供有效方便的血壓測量技術(shù)是非常重要的。人體的血壓在一天當(dāng)中是有波動的，特別是高血壓患者，其波動范圍更大。能夠?qū)崿F(xiàn)無創(chuàng)無袖帶連續(xù)測量血壓，實時觀察患者血壓波動，無論是對臨床和基礎(chǔ)科學(xué)研究，都具有重要的意義。
[0004]脈搏傳導(dǎo)時間(pulse transit time,PTT)跟血壓之間有相當(dāng)緊密的關(guān)系,這在臨床醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)上已經(jīng)得到證實。根據(jù)Moens-Korteweg公式可知,PTT減小意味著人體動脈彈性系數(shù)增大，彈性系數(shù)的增大導(dǎo)致血壓的升高。因此，國內(nèi)外很多學(xué)者和醫(yī)學(xué)技術(shù)人員都把PTT作為監(jiān)控血壓的關(guān)鍵指標(biāo)之一，同時通過PTT計算獲取的血壓值使用安全、方便、舒適和長期監(jiān)控的特點，還克服了傳統(tǒng)血壓測量裝置氣囊式血壓測量和聽診法測量血壓的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:避免現(xiàn)有采用兩點法計算PTT技術(shù)所存在的不足之處，提供一種利用單點橈動脈脈搏波計算脈搏波傳導(dǎo)時間(FRPTT)來獲取血壓值的方法，以期有效簡化測試流程、長期監(jiān)測血壓、心率和縮小測量儀器的體積。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明基于無創(chuàng)單點橈動脈脈搏波計算FRPTT來獲取血壓值的方法的特征是:所述計算血壓值的信息是由采集的單點橈動脈脈搏波和進(jìn)行的相關(guān)分析的計算公式組成。所述基于單點橈動脈脈搏波計算FRPTT獲取血壓值的方法是按如下步驟進(jìn)行的:
一、在人體的右手腕部采用坐姿舒適方式采集橈動脈脈搏波，在不同姿勢下獲取的橈動脈波形計算FRPTT獲取的血壓值略有變化；
二、通過對采集的粗糙橈動脈脈搏波數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度離散小波變換(DWT)預(yù)處理操作，進(jìn)一步濾除如人體肌電、呼吸干擾和工頻干擾等，得到頻域重構(gòu)運算前的原始橈動脈脈搏波；
三、對所述的燒動脈波進(jìn)行頻域多變換(FFT),進(jìn)行頻率域濾波(Butterworth )和重構(gòu)，主要保留人體有用價值之內(nèi)的低頻信息；
四、對所述重構(gòu)橈動脈波形采用多輸入多輸出模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的算法自動搜尋出關(guān)鍵位置點，獲取波形中的關(guān)鍵點b、c、d和e等，計算FRPTT和心動周期T ；
五、依據(jù)人體動脈血壓值與脈搏波傳導(dǎo)時間之間的準(zhǔn)線性關(guān)系，以收縮壓(SBP)為應(yīng)變量，以對所述計算出的FRPTT和心動周期T為主要自變量，使用SPSS軟件進(jìn)行逐步回歸分析，逐步回歸分析得到收縮壓特征方程為:
SBP=a_b*FRPTT+c*T+d ；
根據(jù)舒張壓(DBP)與收縮壓(SBP)成線性比例的關(guān)系，逐步回歸分析得到舒張壓特征方程為:
DBP=e+f*SBP ；
其中，a, b, c, d, e, f為擬合系數(shù)； 六、最后將獲取的新的計算方法系統(tǒng)集成到自主研制的多功能無袖帶連續(xù)血壓測量裝置中。
[0007]本發(fā)明還提供一種基于橈動脈脈搏波實現(xiàn)無創(chuàng)連續(xù)血壓測量裝置，包括系統(tǒng)微處理器及分別與系統(tǒng)微處理器連接的存儲模塊、無線通信模塊、顯示模塊、與計算機通信接口模塊、電池及電源管理模塊及脈搏傳感器。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:
(a)本發(fā)明僅需采集橈動脈脈搏波就可以計算橈動脈脈搏波的傳遞時間(FRPTT)，進(jìn)而計算出血壓值，測試儀器所需傳感器等硬件最少，測試過程最簡單、難度也低，并且人體的橈動脈位置是中醫(yī)的把脈之處，信號質(zhì)量好，包含人體的心腦血管信息豐富；
(b)相比與傳統(tǒng)的提取橈動脈波形中關(guān)鍵點的方法，本發(fā)明首次采用了頻域波形重構(gòu)的方法應(yīng)用在橈動脈波形數(shù)據(jù)的分析中，進(jìn)行了二次處理，有效地克服了老年人或者疾病人群波形中關(guān)鍵點難識別的問題，擴(kuò)大該方法的適應(yīng)范圍。
[0009](C)相比與傳統(tǒng)的兩點法計算脈搏波傳導(dǎo)時間獲取血壓值的方法，本發(fā)明采用了單點橈動脈脈搏波獲取血壓值，這將最大地簡化測量裝置的硬件結(jié)構(gòu)，方便快捷的監(jiān)測流程，降低測試的復(fù)雜度，同時能夠?qū)崿F(xiàn)無創(chuàng)連續(xù)測量并能徹底擺脫氣囊式血壓計的束縛，具有更廣的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0011]圖1是本發(fā)明中16歲和68歲樣本人體橈動脈波形的位置點標(biāo)注圖；圖2是本發(fā)明中計算橈動脈脈搏波傳輸時間FRPTT的示意圖；
圖3是本發(fā)明所采用的撓動脈脈搏波頻域濾波和重構(gòu)的示意圖；
圖4是本發(fā)明中重構(gòu)橈動脈波形關(guān)鍵點識別示意流程圖；
圖5是本發(fā)明中的工作方法流程圖；
圖6是本發(fā)明中的基于橈動脈脈搏波實現(xiàn)無袖帶連續(xù)血壓測量裝置的結(jié)構(gòu)框圖?！揪唧w實施方式】
[0012]現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。
[0013]人體的心腦血管系統(tǒng)是由心臟和血管以及所有流動的營養(yǎng)血液等組成，在大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)下相互協(xié)同制約和依存，完成人體血液循環(huán)的整個過程。血流動力學(xué)研究表明，脈搏波速度主要受血管直徑大小和血管壁彈性的影響，而脈搏波傳導(dǎo)時間反比于脈搏波傳導(dǎo)速度。
[0014]人體動脈中血液從心臟向外周動脈傳播時，由于人體末端很多小動脈、微動脈和毛細(xì)血管起著阻力血管的作用，所以血管中血液是存在向心的反射作用的，同時會產(chǎn)生多種流動的形式，如湍流等。這些往返脈搏波的多種組合構(gòu)成了橈動脈中脈搏波的特征形狀。圖1中標(biāo)注了 16歲和68歲樣本人體的橈動脈波形中的位置點分布情況，可以看出隨著年齡人體橈動脈波形變異的情況。
[0015]對于動脈系統(tǒng)的衰老或者出現(xiàn)病變情況下，其血管彈性降低，血管中血液流速加快，使人體末端的反射血液提前返回心室，這些反射波與推進(jìn)波的疊加效應(yīng)，使人體血壓抬升；而動脈狀況較好的情況下，血管彈性較好，血液流速較慢，反射波的到來將延遲，收縮期血壓壓力值將減少。
[0016]如圖2所示，反射波與推進(jìn)波匯合的關(guān)鍵位置點e，再加上從推進(jìn)波開始的起始位置b點，可以計算出橈動脈脈搏波的傳導(dǎo)時間(FRPPT )，是可以反映脈搏波傳導(dǎo)時間的，并可作為反映血壓狀況的參數(shù)。
[0017]如圖3所示，通過對25歲年輕人的橈動脈波形信號的處理可以看到，重構(gòu)波形信號的峰值點位置(b和e點)跟橈動脈原始波形信號中的峰值點基本完全對應(yīng)出現(xiàn)，即使在原始波形的第二個周期信號中，e點的位置因為身體因素或者其他干擾沒有顯示出來，但是在重構(gòu)的波形中也清晰的顯示出來。同時，重構(gòu)橈動脈波形信號顯得比較平滑，基本保證了主要的生理病理特征都得到了很好的凸顯和維護(hù)。
[0018]如圖4所示，盡管橈動波形信號中e點的變化多樣，但是對于大多數(shù)正常人的e點位置是具有規(guī)律性和穩(wěn)定性的。在此我們結(jié)合并運用人體生理特性可有效地提高檢測e點的位置。
根據(jù)奈奎斯信號采樣定律，對數(shù)據(jù)采樣的頻率必須大于原始信號最大頻率的2倍，本系統(tǒng)中對原始信號的采樣頻率選擇的較高，大概為信號最大頻率的10倍左右，得到了較好的燒動脈信號壓力波形；
經(jīng)過采樣后的準(zhǔn)周期橈動脈波形數(shù)據(jù)，采樣時間10秒，首先對這10秒的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)周期分段，提取出幾個單周期的數(shù)據(jù)信號，然后在對其進(jìn)行FFT變換，找出該橈動脈波形信號的頻譜能量分布范圍；使用巴特沃斯帶通濾波器進(jìn)行頻域濾波，在具體的橈動脈波形信號處理過程中，要考慮算法對巴特沃斯濾波器系數(shù)的選擇，還有對保留頻帶做自動的微調(diào)，來適應(yīng)復(fù)雜度和系統(tǒng)實時性要求；
對濾波后的數(shù)據(jù)頻譜進(jìn)行快速傅里葉逆變換(IFFT)，重構(gòu)數(shù)據(jù)得到了關(guān)鍵點突出的橈動脈波形信號；
最后對重構(gòu)的波形數(shù)據(jù)采用多輸入多輸出模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的算法自動搜尋出關(guān)鍵位置點b和e，計算RPTT的精確數(shù)值。
[0019]如圖5所示，本發(fā)明的測量方法如下:首先通過無創(chuàng)橈動脈壓力波形采集裝置獲取橈動脈位置的壓力波形，然后對獲取的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度離散小波預(yù)處理操作，接著對于濾除各種干擾后的波形采用頻域多變換和重構(gòu)，同時對收縮壓和舒展壓數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)修正，主要保留包含人體有用價值信息之內(nèi)的低頻信息，最后對重構(gòu)的波形數(shù)據(jù)采用多輸入多輸出模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的算法自動搜尋出關(guān)鍵位置點，計算RPTT的精確數(shù)值。
[0020]對上述提出的計算方法跟當(dāng)前存在的常用算法(如二階導(dǎo)數(shù)最大值和交叉切線法等)進(jìn)行對比分析研究，采用工程數(shù)學(xué)上常用SPSS軟件進(jìn)行組內(nèi)相關(guān)性和Bland-Altman分析，驗證我們提出方法計算FRPTT的優(yōu)缺點及魯棒性。
[0021]根據(jù)脈搏波傳導(dǎo)時間RPTT與動脈血壓SBP和DBP之間呈現(xiàn)的線性正比關(guān)系，進(jìn)行多次多項式回歸分析得出回歸系數(shù)及常數(shù)，建立血壓測量回歸方程式。
[0022]為驗證提出的算法是否能準(zhǔn)確的測得不同健康條件人群的血壓值，選擇包括血壓正常志愿者1000名及高血壓志愿者500名的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗，分別比對采用氣囊式血壓計測得的動脈血壓值和該算法計算得出的動脈血壓值，采用Bland-Altman法對血壓模型驗證實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性分析，計算相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差等。經(jīng)過計算，收縮壓數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.91,標(biāo)準(zhǔn)差2.0 mmHg,舒張壓數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.86,標(biāo)準(zhǔn)差為2.6 mmHg。
[0023]最后將獲取的新的計算方法系統(tǒng)集成到自主研制開發(fā)多功能的無袖帶連續(xù)血壓測量裝置中，盡可能的使測量設(shè)備的體積小，易于攜帶，且使被測者徹底擺脫了充氣袖帶式血壓計的束縛，提高了舒適感，并且能夠長時間進(jìn)行無袖帶連續(xù)血壓測量。
[0024]人體的脈搏波信號是一種低頻的微弱信號，其頻帶范圍在0.1 Hz-lOOHz，能量主要集中在0.5-20HZ這個粗略的范圍內(nèi)，大小只有mV級。由于脈搏波信號的測量環(huán)境是多變的，在采集過程中不可避免地會混入各種干擾信號。為此自助研制了一套樣機系統(tǒng)，如圖6所示，其具體特征如下:
(1)采用新加坡健咨國際(HealthSTATSInternational)研發(fā)出的精準(zhǔn)燒動脈壓力傳感器；
(2)系統(tǒng)微處理器采用的是MCU+DSP架構(gòu)；
(3)16位以上A/D信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，使獲取的波形數(shù)據(jù)在每一個細(xì)節(jié)上高度保真。另外，增加了無線通信模塊，使其具有雙向通信功能，無線通信距離能達(dá)到100米，增加了測量的靈活度和擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
[0025]由于本系統(tǒng)樣機只需采集橈動脈脈搏波一個位置的信號，所需硬件傳感器等較少，其儀器極易做到外 形小巧和便于攜帶使用。測量時，采用精準(zhǔn)橈動脈壓力傳感器檢測人體脈搏搏動信號，經(jīng)信號調(diào)理模塊后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并存儲于大容量存儲器中；另外，樣機系統(tǒng)能實時檢測每搏血壓，并具有人機交互界面，用戶可通過簡單的控制鍵與觸屏顯示面板，隨時觀察整個檢測過程，同時樣機也帶有血壓數(shù)據(jù)長久存儲與瀏覽功能，方便用戶長期監(jiān)測血壓狀況。
[0026]以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種無創(chuàng)橈動脈波計算脈搏波傳導(dǎo)時間獲取血壓值的方法，其特征在于，包括如下步驟: 一、通過對采集的粗糙橈動脈脈搏波數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度離散小波預(yù)處理操作，濾除各種干擾； 二、采用頻域多變換和重構(gòu)的方法，同時對收縮壓和舒展壓數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)修正，保留包含人體有用價值信息之內(nèi)的低頻信息，然后對重構(gòu)的波形數(shù)據(jù)采用多輸入多輸出模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的算法自動搜尋出波形中關(guān)鍵位置點，計算FRPTT的精確數(shù)值； 三、根據(jù)脈搏波傳導(dǎo)時間與動脈血壓之間呈現(xiàn)的線性正比關(guān)系，進(jìn)行多次多項式回歸分析得出回歸系數(shù)及常數(shù)，建立血壓計算獲取的回歸方程式； 四、將獲取的新的計算方法系統(tǒng)集成到多功能無創(chuàng)連續(xù)血壓測量裝置中。
2.如權(quán)利要求1所述的無創(chuàng)橈動脈波計算脈搏波傳導(dǎo)時間獲取血壓值的方法，其特征在于，所述多尺度離散小波預(yù)處理操作采用軟件的算法濾除多種干擾信息。
3.如權(quán)利要求2所述的無創(chuàng)橈動脈波計算脈搏波傳導(dǎo)時間獲取血壓值的方法，其特征在于，所述干擾信息包括肌電信號、呼吸干擾和工頻干擾。
4.如權(quán)利要求1所述的無創(chuàng)橈動脈波計算脈搏波傳導(dǎo)時間獲取血壓值的方法，其特征在于，所述濾波后的數(shù)據(jù)采用頻域多變換方法，利用巴特斯沃濾波器，調(diào)整巴特斯沃濾波器的數(shù)字參數(shù)，保留包含人體有用價值信息之內(nèi)的低頻信息。
5.如權(quán)利要求1所述的無創(chuàng)橈動脈波計算脈搏波傳導(dǎo)時間獲取血壓值的方法，其特征在于，所述濾波后的數(shù)據(jù)采用頻域重構(gòu)的方法，重構(gòu)橈動脈波形數(shù)據(jù)，恢復(fù)包含人體有用價值信息低頻信息的橈動脈波形數(shù)據(jù)，采用多輸入多輸出模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的算法自動搜尋出關(guān)鍵位置點，計算出FRPTT的精確數(shù)值。
6.如權(quán)利要求1所述的無創(chuàng)橈動脈波計算脈搏波傳導(dǎo)時間獲取血壓值的方法，其特征在于，所述依據(jù)人體動脈血壓值與脈搏波傳導(dǎo)時間之間的準(zhǔn)線性關(guān)系，以收縮壓(SBP)為應(yīng)變量，以對所述計算出的FRPTT和心動周期(T)為主要自變量，使用SPSS軟件進(jìn)行逐步回歸分析，逐步回歸分析得到收縮壓特征方程為:
SBP=a_b*FRPTT+c*T+d 其中a, b, c, d為擬合系數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的無創(chuàng)橈動脈波計算脈搏波傳導(dǎo)時間獲取血壓值的方法，其特征在于，所述的收縮壓(SBP)的數(shù)值根據(jù)舒張壓(DBP)與收縮壓(SBP)成線性比例的關(guān)系，逐步回歸分析得到舒張壓特征方程為:
DBP=e+f*SBP, 其中e, f為擬合系數(shù)。
8.一種基于橈動脈脈搏波實現(xiàn)無袖帶連續(xù)血壓測量裝置，其特征在于:包括系統(tǒng)微處理器及分別與系統(tǒng)微處理器連接的存儲模塊、無線通信模塊、顯示模塊、與計算機通信接口模塊、電池及電源管理模塊及脈搏傳感器。
【文檔編號】A61B5/021GK103876723SQ201410127866
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】吳全玉, 陶為戈, 李姝 , 潘玲佼, 羅印升, 朱幼蓮, 劉曉杰, 賈子彥, 姚克明, 宋偉, 貢岳松, 張傲何 申請人:江蘇理工學(xué)院