CN100518634C - 一种测量脉搏波速度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量人体或哺乳动物的脉搏波速度的装置和方法。该装置包括至少两个传感器与一信号处理单元连接；第一传感器和第二传感器中至少一个是扩散硅压力传感器。信号处理单元包括放大电路、滤波电路、模数转换电路和主控制电路顺序连接，所述传感器分别与相应的所述放大电路连接。信号处理单元还包括用于将传感器信号进行分离的信号分离电路。该方法包括：1)得到最大脉动信号；2)同时记录相隔一定距离Δs的两路脉搏波信号；3)提取特征参考点；4)计算两路脉搏间的时间差Δt；5)计算脉搏波速度。该装置使用安全、方便，低频响应好。该方法减少了计算量，确定了最终参考点，得到更准确的脉搏波传播时间。

Description

一种测量脉搏波速度的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量脉搏波速度的方法和装置，特别涉及一种测量人体或哺乳动物的脉搏波速度的装置和方法。

背景技术

心脏周期性的收缩和舒张引起动脉血管中血液流速、流量以及血管壁振动沿着动脉管传播。脉搏波的传播速度与动脉管弹性直接相关，血管硬度越大，脉搏波速度也就越大，因此可以通过测量脉搏波速度评价动脉血管的弹性程度。

脉搏波速度定义为两测量点距离与脉搏波传播时间的比值。已知的测量脉搏波传输时间的装置和方法，如马丁·C等人的中国专利号CN99812444.3中公开的技术，采用可变耦合器纤维光学传感器采集相隔一定距离的两路脉搏波信号，采集频率为128Hz，测得两路脉搏信号间的时间差作为脉搏波的传播时间。但是，该技术的缺点是：首先，其压力传感器在使用中有重大不足，例如该光学传感器需要配置激光光源，因此就需要配备相应的激光器，这就大大增加了装置成本和安全隐患，不便于家庭使用；其次，在采样频率方面，其128Hz的采样频率对应的时间分辨率为1000/128＝7.8125ms，若测量相隔距离为60mm的两路脉搏信号，由于人体脉搏传播速度约为10m/s的数量级，因此相应的传播时间约为0.6/10＝0.06s＝60ms，那么相邻两数据点间的传播时间误差就达7.8125/60＝13.3％，这么大的误差大大降低了测量脉搏波速度的准确性，严重影响评价动脉血管的弹性程度；第三，在信号的获取上，没有一个确保获取脉动值最大信号的方法，而脉动幅值越小，脉搏波传播时间的测量误差也就越大，这也在一定程度上影响了脉搏波速度的测量精度。

已知的测量脉搏波传播时间的技术，再比如王炳和等人在文献名称：一种无创测定桡动脉脉搏波速度的方法及影响脉搏波速度的因素，《生物医学工程学杂志》，2000中公开的技术，该技术认为：心电R波产生后50ms心脏才开始收缩并产生相应的脉搏波；同时测量一路心电信号和一路脉搏波信号，测得心电R波与脉搏波的时间差，此时间差减去心电R波与心脏收缩之间的延迟时间50ms作为脉搏波传播时间。但是，使用上述方法测量脉搏波速度也有很大不足。例如该方法假设每一个体心电R波与心脏收缩的时间差均为50ms，但这只是一个大致的统计时间，实际的每个个体存在差异，若测量相隔60mm的两路脉搏信号，则减去的这50ms时间差与脉搏波传播时间60ms大小相当，显然此算法可能引起不可忽略的误差。

因此，需要对现有的测量脉搏波速度的装置和方法进行改进，有必要选择安全、方便的脉搏信号采集传感器，同时提高采样频率，降低脉搏波传播时间的测量误差。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的测量脉搏波速度装置和方法在安全性、方便性以及信号采样频率和获取方法上的不足，提供一种改进的测量脉搏波速度的装置和方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种测量脉搏波传播速度的装置，包括至少两个传感器与一信号处理单元连接；其特征在于，第一传感器和第二传感器中至少一个是扩散硅压力传感器。

在上述技术方案中，所述信号处理单元包括放大电路、滤波电路、模数转换电路和主控制电路顺序连接，所述传感器分别与相应的所述放大电路连接。

在上述技术方案中，所述信号处理单元还包括用于将传感器信号进行分离的信号分离电路，该电路将信号分离为静压信号和脉动信号。

一种测量脉搏波传播速度的方法，如图2，包括以下步骤：

1)调节传感器对动脉血管施加压力的大小，得到最大脉动信号；

2)同时记录相隔一定距离Δs的两路脉搏波信号；

3)提取特征参考点；

4)计算两路脉搏间的时间差Δt；

5)计算脉搏波速度：

$v=\frac{\mathrm{\Δs}}{\mathrm{\Δt}}$

其中Δs为体表测得两检测点间的血管长度，Δt为同时测得的相隔距离为Δs的两路脉搏波对应特征参考点间的时间差。

在上述技术方案中，所述步骤3)包括如下步骤：

(a)提取波峰点；

(b)提取波足点；

(c)从波足和波峰之间的数据点中搜索斜率最大的点；

(d)由上步骤(c)中斜率最大的点提取最终参考点。

在上述技术方案中，在所述步骤(d)中，对于每个波足和波峰之间上升沿的n个斜率最大的数据点，确定最终特征参考点如下：

当n≤8时，以数据点位置的平均值作为最终参考点位置；

当n>8时，采用拉依达判定准则确定最终参考点位置。

在上述技术方案中，所述步骤4)中，对两路信号的所有脉搏波间的时间差采用拉依达判定准则确定两路脉搏间的时间差。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)该装置使用安全、方便，低频响应好，能很好的采集直流到200Hz的信号；

2)该装置采样频率提高到667Hz，将脉搏波传播时间的测量误差降低了80％；

3)将脉搏信号分离为静压部分和脉动部分分别处理，避免了由于每个个体静压大小不同引起脉搏波形显示的基线漂移问题。

4)可根据显示的静压值大小，调节传感器对动脉血管施加的压力，最终得到脉动幅值最大的信号，从而提高脉搏波传播时间差计算的精度。

5)该方法减少了计算量，仅计算每个脉搏波波足和波峰之间数据点的斜率；

6)该方法提出了确定最终参考点的方法。因为随着采样频率的提高，提取所得的斜率最大点也由128Hz时的1个变为几个甚至十几个，因此需要确定最终参考点，而现有技术没有解决这个问题。

7)本发明对脉搏波传播时间进行了误差处理，并没有直接把平均时间差作为脉搏波传播时间，按照本发明的方法得到更准确的脉搏波传播时间。

附图说明

参考附图并通过下述详述内容可明确本发明的上述优势和其他优势，其中，

图1表示本发明测量脉搏波速度的装置的结构示意图；

图2表示本发明测量脉搏波速度的方法的流程图；

图3表示本发明测量脉搏波速度的装置一实施例的结构示意图；

图4表示本发明的信号波形示意图。

图5表示利用本发明实施例装置和方法测得的臂动脉和桡动脉脉搏波形图；

图6表示与图5对应的脉搏传输时间图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图3所示的测量脉搏波传播速度的装置，包括：

第一传感器1、第二传感器2采用PT14M3生理压力传感器，第一传感器与放大电路3相连接，第二传感器2与放大电路4相连接。

放大电路3和放大电路4主要由放大芯片AD620构成，分别对第一传感器1和第二传感器2采集的脉搏波信号进行放大。

第一信号分离电路5和第二信号分离电路6主要由电解电容构成，第一信号分离电路5将放大电路3的输出信号分离为第一路静压信号7和第一路脉动信号9，第二信号分离电路6将放大电路4的输出信号分离为第二路静压信号8和第二路脉动信号10。

第一路静压信号7和第二路静压信号8直接送入单片机15进行A/D转换和处理。这两路静压信号值将直接实时的显示在计算机16的显示器屏幕上，以便操作者根据当前静压值的大小实时调节静压值，最终得到幅值最大的脉动信号。

第一脉动放大电路11和第二脉动放大电路12分别由两级以放大器HA17324A为核心的放大电路组成，分别实现对第一路脉动信号9和第二路脉动信号10的放大。

第一滤波电路13和第二滤波电路14为RC低通滤波电路，分别对第一脉动放大电路11和第二脉动放大电路12的输出信号进行滤波。滤除频率为50Hz的工频干扰信号。

带A/D转换的单片机15完成对4路数据(包括第一路静压信号，第二路静压信号，第一滤波电路13的输出信号，第二滤波电路14的输出信号)的模数转换及多次采集求平均，最终通过RS232串行接口将信号送往计算机16，此处单片机15可采用单片机16F877A。

计算机16为普通的个人计算机，主要工作是利用配套的脉搏信号分析软件完成脉搏信号的接收、存储、中值滤波、数据分析、波形显示和数据回放等工作。

一种测量脉搏波传播速度的方法，如图2，包括以下步骤：

1)调节传感器对动脉血管施加压力的大小，得到最大脉动信号；

测量时，在计算机屏幕上实时显示当前各脉搏传感器对血管施加压力的大小及各路脉搏波形曲线。观察传感器对动脉血管施加的压力值，调节压力大小，使脉动信号的幅值达到最大。

2)同时记录相隔一定距离Δs的两路脉搏波信号；

3)提取特征参考点，包括提取波峰点、波足点和最终参考点，如图4所示的波峰点和波足点，具体包括如下步骤：

(a)分别提取两路信号的波峰点；

假设采集到的脉搏波为数字信号序列P[j]，其中j∈[0，N]，则实际波峰的判定条件为：

$\left\{\begin{array}{c}(\max \left\{P\left[j\right]\right\}-P\left[j_{\mathrm{peak}}\right])\≤\mathrm{\Δ}\\ P\left[j_{\mathrm{peak}}\right]\≥P\left[j\right],j\∈[j_{\mathrm{peak}}-45,j_{\mathrm{peak}}+45],\end{array}\right.$

其中Δ＝(max{P[j]}-min{P[j]})×0.3

信号序列的最大值max{P[j]}和最小值min{P[j]}通过搜索比较整个序列中的所有信号点获得.

(b)分别提取两路信号的波足点；

假设采集到的脉搏波为数字信号序列P[j]，其中j∈[0，N]，则实际波足的判定条件为：

$\left\{\begin{array}{c}(P\left[j_{\mathrm{foot}}\right]-\min \left\{P\left[j\right]\right\})\≤\mathrm{\Δ}\\ P\left[j_{\mathrm{foot}}\right]\≤P\left[j\right],j\∈[j_{\mathrm{foot}}-45,j_{\mathrm{foot}}+45],\end{array}\right.$

其中Δ＝(max{P[j]}-min{P[j]})×0.3

在具体实现上，可以利用特征点之间的关系，简化算法，提高程序效率.考虑到同一个脉搏波的波足一定出现在波峰的前部，而波峰识别先于波足识别，因此在识别波足时可以利用已经识别所得的波峰，从波峰点开始，向前搜索，将搜索得到的第一个满足波足条件的数据点确定为波足点.利用波峰辅助搜索波足算法的搜索时间仅为不利用波峰直接搜索波形算法的1/3。

(c)对两路信号，从波足和波峰之间的数据点中搜索斜率最大的点；

斜率最大值点的范围限定在脉搏波的上升沿范围内，因此对于每一个脉搏波只需从波足和波峰之间的数据点中搜索斜率最大的点即可，在实际判定中，第i个脉搏波上升沿中斜率最大值点P[j_maxslope]的判定准则为：

P[j_max slope]-P[j_max slope+1]＝max{P[j]-P[j+1]}，

其中j∈[j_foot(i)，j_peak(i))

j_foot(i)为第i个脉搏波的波足位置，j_peak(i)为第i个脉搏波的波峰位置.

(d)提取最终特征参考点；

对于采样频率为667Hz的脉搏波信号，实际提取所得每个脉搏波上升沿中斜率最大值点一般有几个到十几个.而计算脉搏波速度的参考点只需一个，必须根据已提取的多个斜率最大值点最终确定一个唯一的参考点.若以j_{max slope(i)}[1]，j_{max slope(i)}[2]，…，j_{max slope(i)}[n]表示第i个脉搏波上升沿内斜率最大值点的位置，确定最终参考点的具体做法是：

当n≤8时，以数据序列的平均值 $\stackrel{\‾}{j_{\max \mathrm{slope}\left(i\right)}}=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{j}_{\max \mathrm{slpoe}\left(i\right)}\left[k\right]$ 作为最终参考点位置.

当n>8时，采用拉依达判定准则确定最终参考点位置，步骤如下：

(1)计算j_{max slope(i)}[1]，j_{max slope(i)}[2]，…，j_{max slope(i)}[n]的平均值：

$\stackrel{\‾}{j_{\max \mathrm{slope}\left(i\right)}}=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{j}_{\max \mathrm{slpoe}\left(i\right)}\left[k\right]$

(2)计算各点与平均位置点偏差的绝对值：

$p_i\left[k\right]=|\stackrel{\‾}{j_{\max \mathrm{slope}\left(i\right)}}-j_{\max \mathrm{slpoe}\left(i\right)}\left[k\right]|$

(3)计算j_{max slope(i)}[1]，j_{max slope(i)}[2]，…，j_{max slope(i)}[n]序列的标准偏差：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{slope}\left(i\right)}=\sqrt{\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{j_{\max \mathrm{slope}\left(i\right)}}-j_{\max \mathrm{slpoe}\left(i\right)}\left[k\right])}^2}{n(n-1)}}$

(4)剔除偏差过大的点：

若测量数据的误差符合正态分布，则数据落入p_i[k]≤2σ_slope(i)范围的概率为95.4％，因此可以认为超出此范围的点误差过大，应去除.具体作法为：若p_i[k]≥2σ_slope(i)，去除j_{max slpoe(i)}[k]，回到第一步重新计算，直到剩下的所有数据点满足p[k]≤2σ为止。

(5)将最终值作为参考点的位置。

4)计算两路脉搏间的时间差Δt：

对于同时测得的两路脉搏波信号，若第一路脉搏波中完整波形的个数为n₁，第二路脉搏中完整波形的个数为n₂，两路波形中每一个完整波形对都对应着一个时间差，因此对应于完整波形对的时间差个数为n＝min(n₁，n₂)，而实际测得的这n个时间差并不相同，而真实的脉搏波传播时间只有一个，这些测量值只是真实传播时间的一个反映，它们受到被测者情绪或者肌肉和血管当前状态的影响而产生波动，考虑到它们中的大部分只是在一个小范围内波动，只是偶尔有一些波动较大的时间差，因此对这n个时间差进行处理，去掉误差较大的值，最终得到一个最接近真实脉搏传播时间的值。

若第一对脉搏波的时间差为Δt₁，第二对脉搏波的时间差为Δt₂，…，第n对脉搏波的时间差为Δt_n，最终Δt的确定方式如下：

(1)求序列Δt₁，Δt₂，…，Δt_n的平均值δt

$\mathrm{\δt}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i$

(2)求序列中每个时间差Δt_i对于均值δt的偏差的绝对值

p[i]＝|Δt_i-δt(3)求序列Δt₁，Δt₂，…，Δt_n的标准偏差σ_Δt

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δt}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\δt}-{\mathrm{\Δt}}_i)}^2}{n(n-1)}}$

(4)剔除误差较大的时间差

若|p[i]|>2σ_Δt，则认为偏差过大，剔除Δt_i，回到第一步重新计算

若|p[i]|≤2σ_Δt，则进入下一步

(5)确定最终的Δt：

若最终剩余时间差序列为Δt₁，Δt₂，…，Δt_m，则

$\mathrm{\Δt}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i$

5)计算脉搏波速度；

脉搏波速度v定义为两脉搏测量点间的距离Δs与脉搏传播时间Δt的比值，即

$v=\frac{\mathrm{\Δs}}{\mathrm{\Δt}}$

其中Δs为体表测得两检测点间的血管长度。计算脉搏速度关键在于脉搏波传播时间Δt的计算，同时测得的相隔一定距离的两路脉搏波对应参考点间的时间差即脉搏波的传播时间Δt。

图5和图6为使用上述装置和方法测得的臂动脉和桡动脉脉搏波形图和对应脉搏传输时间。图5给出了同时测得的两路脉搏信号，其中第一路为臂动脉脉搏波波形，第二路为桡动脉脉搏波波形。图6给出了两路同时测得的臂动脉波形与桡动脉波形每一个对应波形之间的时间差，从图6可以看出，脉搏波传输时间在20-40ms范围内上下波动，第三对波形时间差偏差过大，按照上述算法剔除后，得到平均脉搏传播时间28.35ms。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1、—种测量脉搏波传播速度的装置，包括至少第一传感器(1)、第二传感器(2)与一信号处理单元连接；其特征在于，所述信号处理单元由2路放大电路、脉动放大电路、滤波电路、带A/D转换的单片机和计算机分别顺序连接组成，还包括2路用于将传感器信号进行分离的信号分离电路；所述带A/D转换的单片机通过RS232串行接口与计算机连接；其中

所述第一传感器(1)、第二传感器(2)采用PT14M3生理压力传感器，第一传感器(1)与第一放大电路(3)相连接，第二传感器(2)与第二放大电路(4)相连接；

所述第一放大电路(3)和第二放大电路(4)由放大芯片AD620构成，分别对第一传感器(1)和第二传感器(2)采集的脉搏波信号进行放大；

所述第一信号分离电路(5)和第二信号分离电路(6)主要由电解电容构成，第一信号分离电路(5)将第一放大电路(3)的输出信号分离为第一路静压信号(7)和第一路脉动信号(9)，第二信号分离电路(6)将第二放大电路(4)的输出信号分离为第二路静压信号(8)和第二路脉动信号(10)；

第一路静压信号(7)和第二路静压信号(8)直接送入带A/D转换的单片机(15)进行A/D转换和处理；这两路静压信号值将直接实时的显示在所述计算机(16)的显示器屏幕上；

第一脉动放大电路(11)和第二脉动放大电路(12)分别由两级放大器HA17324A为核心的放大电路组成，分别实现对第一路脉动信号(9)和第二路脉动信号(10)的放大；

第一滤波电路(13)和第二滤波电路(14)为RC低通滤波电路，分别对第一脉动放大电路(11)和第二脉动放大电路(12)的输出信号进行滤波，滤除频率为50Hz的工频干扰信号；

带A/D转换的单片机(15)完成对第一路静压信号(7)，第二路静压信号(8)，第一滤波电路(13)的输出信号和第二滤波电路(14)的输出信号的模数转换及多次采集求平均，最终通过RS232串行接口将信号送往计算机(16)，所述带A/D转换的单片机(15)采用单片机16F877A；

计算机(16)为普通的个人计算机，所述计算机利用配套的脉搏信号分析软件完成脉搏信号的接收、存储、中值滤波、数据分析、波形显示和数据回放工作。

2、一种应用权利要求1所述的测量脉搏波传播速度的装置进行测量脉搏波传播速度的方法，包括以下步骤：

1)调节传感器对动脉血管施加压力的大小，得到最大脉动信号；

2)同时记录相隔一定距离Δs的两路脉搏波信号；

3)提取特征参考点：包括提取波峰点、波足点和最终参考点，具体包括如下步骤：

(a)分别提取两路信号的波峰点；

假设采集到的脉搏波为数字信号序列P[j]，其中j∈[0，N]，则实际波峰的判定条件为：

$\left\{\begin{array}{c}(\max \{P\left[j\right]\}-P\left[j_{\mathrm{peak}}\right])\≤\mathrm{\Δ}\\ P\left[j_{\mathrm{peak}}\right]\≥P\left[j\right],j\∈[j_{\mathrm{peak}}-45,j_{\mathrm{peak}}+45],\end{array}\right.$

其中Δ＝(max{P[j]}-min{P[j]})×0.3

信号序列的最大值max{P[j]}和最小值min{P[j]}通过搜索比较整个序列中的所有信号点获得；

(b)分别提取两路信号的波足点；

假设采集到的脉搏波为数字信号序列P[j]，其中j∈[0，N]，则实际波足的判定条件为：

$\left\{\begin{array}{c}\left(P\left[j_{\mathrm{foot}}\right]-\min \right\{P\left[j\right]\left\}\right)\≤\mathrm{\Δ}\\ P\left[j_{\mathrm{foot}}\right]\≤P\left[j\right],j\∈[j_{\mathrm{foot}}-45,j_{\mathrm{foot}}+45],\end{array}\right.$

其中Δ＝(max{P[j]}-min{P[j]})×0.3

在识别波足时利用已经识别所得的波峰，从波峰点开始，向前搜索，将搜索得到的第一个满足波足条件的数据点确定为波足点；

(c)对两路信号，从波足和波峰之间的数据点中搜索斜率最大的点；

斜率最大值点的范围限定在脉搏波的上升沿范围内，在实际判定中，第i个脉搏波上升沿中斜率最大值点P[j_max slope]的判定准则为：

P[_jmax slope]-P[_jmax slope+1]＝max{P[j]-P[j+1]}，

其中j∈[j_foot(i)，j_peak(i))

j_foot(i)为第i个脉搏波的波足位置，j_peak(i)为第i个脉搏波的波峰位置；

(d)提取最终特征参考点；

由步骤(c)中的每个波足和波峰之间上升沿的n个斜率最大的数据点，确定最终特征参考点如下：当n≤8时，以数据点位置的平均值作为最终参考点位置；当n>8时，采用拉依达判定准则确定最终参考点位置；

4)计算两路脉搏间的时间差Δt：

5)计算脉搏波速度；

$v=\frac{\text{\Δs}}{\mathrm{\Δt}},$ 其中Δs为体表测得两检测点间的血管长度，Δt为同时测得的相隔距离为Δs的两路脉搏波对应特征参考点间的时间差。

3、根据权利要求2所述进行测量脉搏波传播速度的方法，其特征在于，所述步骤4)中，对两路信号的所有脉搏波间的时间差采用拉依达判定准则确定两路脉搏间的时间差。

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