CN101224106A - 一种人体动脉顺应性的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种利用无创检测手段测量人体全身动脉顺应性C(p)＝ae^－bp的方法和装置，其方法为：将人体基本信息输入主机，测量人体血压，使用三维定位锁定装置采集特定部位的桡动脉脉搏波，然后对采集到的脉搏波进行分析计算，使用最优化方法计算动脉顺应性。本发明能够采集并计算人体动脉的非线性顺应性，为评估动脉弹性提供更客观的依据。

Description

一种人体动脉顺应性的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种检测人体动脉血管顺应性的方法及装置，特别是利用无创的自动化检测手段来测量人体动脉顺应性C(p)＝ae^-bp的方法及装置。

背景技术

目前，能够反映动脉弹性的检测指标主要有：脉搏传播速度(Pulse Wave Velocity，PWV)、增强指数(Augment Index，AI)和动脉的顺应性(Compliance)等。其中顺应性是最直接反映动脉弹性、生理意义最明确的一个指标，因此受到人们的广泛关注。根据生理学的定义，动脉的顺应性是指动脉容积对动脉血压的导数，即

$C=\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dp}}---\left(1\right)$

其中C表示动脉的顺应性，V和p分别表示动脉的容积和血压。1967年，Goldwyn和Watt基于弹性腔理论对外周动脉的压力波形进行了分析研究，测得了人体全身动脉的常量形式的顺应性。20世纪90年代以后，Jay N.Cohn等人在前人的基础上作了进一步的改进，应用双弹性腔模型来分析动脉的压力波形，得到两个顺应性参数C₁和C₂，并认为这两个常数能够分别反映大小动脉的顺应性。无论是Goldwyn和Watt还是Jay N.Cohn，虽然他们分别采用了不同的分析模型，但有一点是相同的，那就是他们的研究所得出的动脉顺应性都是常量形式的。然而事实上，人体动脉的顺应性并非常量。因为人体动脉的容积-压力关系并非一条直线而是一条曲线。也就是说，当动脉血压增加时，动脉的容积并不是随血压线性增加的。通过实验研究，人们认识到人体动脉的容积-压力关系可以近似的表示为一个指数关系：

$V=\tilde{a}{e}^{\tilde{b}p}+\tilde{c}---\left(2\right)$

其中，V表示动脉的容积，p表示血压，为三个常系数。将(2)式代入(1)式并经整理可以得到：

            C(p)＝ae^-bp  (3)

其中，a、b分别为待定系数。

由(3)式所定义的顺应性C(p)本质上是一个动脉顺应性C和血压p的函数关系，它与常数形式的顺应性相比，能够更客观地反应动脉的弹性功能。由于(3)式所定义的顺应性C(p)与常数形式的顺应性有本质的区别，有学者也称C(p)为“非线性顺应性”。本发明正是提出了一种无创检测(3)式所定义的动脉顺应性C(p)的方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用无创无损的自动化检测手段来测算人体动脉顺应性C(p)＝ae^-bp的方法及装置。

为实现上述技术目的，需要采取以下技术措施：

一种人体动脉顺应性的检测方法，其内容包括：

①将人体的性别、年龄、身高、体重信息输入到主机并保存，将气袖绑缚在人体上臂，由主机控制血压测量单元测量并计算人体的收缩压SBP、平均压MAP、舒张压DBP并保存；

②用三维定位锁定装置将压力传感器定位在腕部桡骨茎突处的桡动脉处，锁定压力传感器后，采集该处桡动脉的脉搏波P_r(t)；

③从采集的脉搏波P_r(t)中找出其每个心动周期的峰值SBP_ri、平均值MAP_ri和谷值DBP_ri，其中i＝1，2，…，N，N表示脉搏波P_r(t)的周期个数，再分别求均值得到SBP_r、MAP_r和DBP_r；

④从SBP和SBP_r、MAP和MAP_r以及DBP和DBP_r这三对数据中选择两对代入关系式P(t)＝k·P_r(t)+l得到一个方程组，解此方程组求得k、l，将P_r(t)以及求得的k、l代入关系式P(t)＝k·P_r(t)+l得到波形P(t)；

⑤将上述波形P(t)分割成N个单周期波形，再对每一个单周期波形进行特征点辨识，得到其舒张期波形P_vi(t)，其中i＝1，2，…，N；

⑥求a_i、b_i的值，使得误差函数 ${\∫}_{t_{i1}}^{t_{i2}}{[a_i{e}^{-b_i{P}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{P_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{R}]}^2\mathrm{dt}$ 或者 ${\∫}_{t_{i1}}^{t_{i2}}|a_i{e}^{-b_i{P}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{P_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{R}|\mathrm{dt}$ 最小，其中t_i1、t_i2分别表示舒张期波形P_vi(t)的起始时刻和结束时刻；

⑦利用上述方法求得所有心动周期的a_i和b_i的值，然后分别求均值得到a和b，则人体的顺应性为C(p)＝ae^-bp。

一种人体动脉顺应性的检测装置，该装置包括：主机、血压测量单元、三维定位锁定装置、压力传感器、A/D转换电路、输入器件、显示器件，血压测量单元由气袖、气体压力传感器、气泵、A/D转换电路、气路转换装置构成；压力传感器安装在三维定位锁定装置上，通过A/D转换电路与主机相连接；血压测量单元的气袖通过气路转换装置与气泵相连接；气体压力传感器通过气路与气袖连接；气体压力传感器经A/D转换电路直接与主机相连；主机通过电气线路与气泵和气路转换装置连接。

本发明所述人体动脉顺应性C(p)的检测方法主要由三个过程组成：(1)人体基本信息输入；(2)数据采集过程；(3)数据分析和计算过程。第一个过程是将人体的性别、年龄、身高、体重信息通过输入器件输入到主机并保存，这些信息将在后续的动脉顺应性C(p)的计算中使用。数据采集过程包括血压测量和脉搏波采集两个环节。测量、计算血压的方法一般采用示波法原理。将气袖绑缚在人体上臂，主机控制气泵和气路转换装置对气袖充气到一定压力后缓慢放气。气体压力传感器感受到的气袖内的压力信号经过A/D转换电路进入主机。主机通过分析采集到的气袖内压力信号计算出人体的收缩压SBP、平均压MAP、舒张压DBP并保存以备后续计算使用。利用三维定位锁定装置将压力传感器定位在腕部桡骨茎突处的桡动脉，向下压紧该处的桡动脉使其截面呈椭圆形。这样可以使压力传感器能够充分感受到桡动脉的脉搏波，但又不至于由于力量过大而使该处桡动脉闭塞。利用该三维定位锁定装置锁定压力传感器使其在后续的脉搏波采集过程中不能任意移动。安放好压力传感器后，主机开始从压力传感器采集桡动脉的脉搏波信号。压力传感器的感受到的脉搏波信号经过A\D转换电路转换成数字信号后进入主机。主机可以是普通的PC机、单片机、单板机、片上系统或其他具有控制和计算功能的系统。主机连续采集N个心动周期的脉搏波，并保存下来，记作P_r(t)。N的具体取值根据情况而定。

数据采集过程结束后，进入数据分析和计算过程。此过程的第一步是分别找出脉搏波P_r(t)的每个心动周期的峰值SBP_ri、平均值MAP_ri和谷值DBP_ri，其中i＝1，2，…，N，N表示脉搏波P_r(t)的周期个数，再分别求平均得到SBP_r、MAP_r和DBP_r。然后结合先前测量的人体的血压值，从SBP和SBP_r、MAP和MAP_r以及DBP和DBP_r这三对数据中选择两对代入关系式

                      P(t)＝k·P_r(t)+l    (4)

可以得到一个方程组，解此方程组求得k、l。将P_r(t)以及求得的k、l代入(4)式得到波形P(t)。本发明以弹性腔理论为基础，将人体全身动脉树抽象为一个电容和一个电阻并联的电路模型。弹性腔模型最早于18世纪由英格兰著名生理学家Stephen Hales提出，经19世纪末、20世纪初Frank和其他德国学者的努力，弹性腔模型逐渐得到完善。弹性腔理论将人体动脉树中主动脉和大动脉看作是一个弹性腔，对于某一个确定的时刻，认为弹性腔内的血压处处相等。小动脉和微动脉主要是对血流起阻碍作用。据此，人体全身动脉的电路模型可以表示为一个电容和一个电阻的并联，电容用来模拟主动脉和大动脉的顺应性，电阻用来模拟小动脉和微动脉对血流的阻力，即总的外周阻力。根据电路原理，该模型舒张期的数学表达式为

$C_{\mathrm{con}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+\frac{p}{R}=0---\left(5\right)$

其中C_con表示电容，R表示电阻。本发明要计算的是(3)式所定义的顺应性C(p)，因此将(5)式中的C_con替换为C(p)可以得到

${\mathrm{ae}}^{-\mathrm{bp}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}+\frac{p}{R}=0---\left(6\right)$

其中a、b为待求系数。将上述波形P(t)分割成N个单周期波形，再对每一个单周期波形进行特征点辨识，识别出每个心动周期的舒张期的起始点，则可得到各个心动周期的舒张期波形P_vi(t)，其中i＝1，2，…，N。将舒张期波形P_vi(t)代入(6)式并表示为一般形式，可得

$a_i{e}^{-b_i{P}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{P_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{R}=0---\left(7\right)$

对于第i个心动周期，正确的系数a_i、b_i应该使整个舒张期波形P_vi(t)最大限度的符合(7)式的约束。根据最优化方法的原理，利用(7)式的约束条件定义一个误差函数 ${\∫}_{t_{i1}}^{t_{i2}}{[a_i{e}^{-b_i{P}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{P_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{R}]}^2\mathrm{dt},$ 其中积分上下限t_i1、t_i2分别表示第i个心动周期的舒张期波形P_vi(t)的起始时刻和结束时刻，人体的总外周阻力R可以通过已有知识计算得到。求第i个心动周期的a_i、b_i的值，使得误差函数 ${\∫}_{t_1}^{t_2}{[a{e}^{-b{P}_v\left(t\right)}\frac{d{P}_v\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{P_v\left(t\right)}{R}]}^2\mathrm{dt}$ 最小。求得所有N个心动周期的a_i、b_i的值后再分别求其均值得到a、b，则人体的顺应性为C(p)＝ae^-bp。另外，误差函数还可以定义为 ${\∫}_{t_{i1}}^{t_{i2}}|a_i{e}^{-b_i{P}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{P_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{R}|\mathrm{dt}.$

本发明所述的方法及装置能够通过无创的自动化检测方法测量、计算出人体动脉的顺应性C(p)。顺应性C(p)能够更好的反映动脉顺应性随血压而变化的客观事实，为评估动脉弹性提供更客观的依据，并且对研究动脉硬化和血压的关系以及高血压对动脉功能的影响有极大的帮助。

附图说明

图1是本发明所述装置的组成示意图，该装置包括主机1、压力传感器2、三维定位锁定装置3、血压测量单元4、A/D转换电路5a、输入器件10以及显示器件11，其中血压测量单元4由气体压力传感器6、气袖7、气路转换装置8、气泵9和A/D转换电路5b构成。

图2是通过压力传感器采集到的桡动脉脉搏波的示意图。

具体实施方案

将人体的基本信息通过输入器件10输入主机1并保存下来留作以后使用，这些基本信息应至少包括性别、年龄、身高、体重。然后由主机1和血压测量单元4完成人体血压的测量。其测量、计算血压的方法一般采用示波法。将气袖7绑缚于人体上臂，主机1控制气路转换装置8使气路导通，然后控制气泵9给气袖7充气直到气袖7内压力达到一定数值，例如200mmHg，然后停止充气。气袖7内压力是通过气体压力传感器6感受并经过A\D转换电路5b进入主机的。充气结束后，主机1控制气路转换装置8以2～4mmHg/s的速度给气袖7慢放气，采集气体压力传感器6的信号并记录。当气袖7压力降低到一定数值时，例如40mmHg，主机1控制气路转换装置8给气袖7快放气，结束后从人体取下气袖7。采集到的气袖7慢放气过程的波形可以根据示波法原理计算出人体的收缩压SBP、平均压MAP、舒张压DBP。

用三维定位锁定装置3将压力传感器2定位在腕部桡骨茎突处的桡动脉处，并对该处桡动脉施加压力使该处动脉截面呈椭圆形。利用该三维定位锁定装置3锁定压力传感器2，使压力传感器2在后续的测量过程中不能做任何方向的移动。压力传感器2定位并锁定后，主机1采集该处桡动脉的N＝20个心动周期的脉搏波P_r(t)并保存。如图2所示，从脉搏波P_r(t)中找出的每个心动周期的峰值SBP_ri、平均值MAP_ri和谷值DBP_ri，其中i＝1，2，…，20，再分别求平均得到SBP_r、MAP_r和DBP_r，即

${\mathrm{SBP}}_r=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SBP}}_{\mathrm{ri}}---\left(8\right)$

${\mathrm{MAP}}_r=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{MAP}}_{\mathrm{ri}}---\left(9\right)$

${\mathrm{DBP}}_r=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{DBP}}_{\mathrm{ri}}---\left(10\right)$

各个心动周期的平均值MAP_ri通过下式计算

${\mathrm{MAP}}_{\mathrm{ri}}=\frac{1}{T_{i+1}-T_i}{\∫}_{T_i}^{T_{i+1}}{p}_r\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(11\right)$

其中，T_i表示第i个心动周期的起始时刻。从SBP和SBP_r、MAP和MAP_r以及DBP和DBP_r这三对数据中选择两对，例如选取SBP和SBP_r以及DBP和DBP_r，代入关系式P(t)＝k·P_r(t)+l得到一个方程组

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{SBP}=k\·{\mathrm{SBP}}_r+l\\ \mathrm{DBP}=k\·{\mathrm{DBP}}_r+l\end{array}\right.---\left(12\right)$

解此方程组求得k、l。将P_r(t)以及求得的k、l代入关系式P(t)＝k·P_r(t)+l得到波形P(t)。

将波形P(t)分割成N＝20个单周期波形，对每个单周期波形进行特征点辨识，得到舒张期波形P_vi(t)，其中i＝1，2，…，20。求出波形P(t)的平均心动周期，进而求出平均心率HR。求出波形P(t)每个心动周期的射血时间，进而求出平均射血时间ET。由生理学知识可知，总的外周阻力可以由下式计算

$R=\frac{\mathrm{MAP}}{\mathrm{CO}}---\left(13\right)$

其中CO表示心输出量。而人体心输出量CO可以根据Jay N.Cohn等人的经验公式计算

$\mathrm{CO}=\frac{\mathrm{HR}}{1000}\{-6.6+0.25(\mathrm{ET}-35)-0.62\mathrm{HR}+40.4\mathrm{BSA}-0.51\mathrm{Age}\}---\left(14\right)$

其中BSA表示人体的体表面积，Age表示人体的年龄。根据人体的性别，利用下面两式估算其体表面积BSA，

〖男性〗BSA＝0.00607H+0.0127W-0.0698    (15)

〖女性〗BSA＝0.00586H+0.0126W-0.0461    (16)

其中H表示人体的身高，W表示人体的体重。

根据最优化方法的原理，定义一个误差函数 ${\∫}_{t_{i1}}^{t_{i2}}{[a_i{e}^{-b_i{P}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{P_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{R}]}^2\mathrm{dt},$ 其中积分上下限t_i1、t_i2分别表示舒张期波形P_vi(t)的起始时刻和结束时刻。对于每个心动周期，求a_i、b_i的值，使得误差函数 ${\∫}_{t_1}^{t_2}{[{\mathrm{ae}}^{-b{P}_v\left(t\right)}\frac{{\mathrm{dP}}_v\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{P_v\left(t\right)}{R}]}^2\mathrm{dt}$ 最小。求得所有N个心动周期的a_i、b_i的值后再分别求其均值得到a、b，则人体的顺应性为C(p)＝ae^-bp。

Claims (2)

1.一种人体动脉顺应性的检测方法，其特征在于：

①将人体的性别、年龄、身高、体重信息输入到主机并保存，将气袖绑缚在人体上臂，由主机控制血压测量单元测量并计算人体的收缩压SBP、平均压MAP、舒张压DBP并保存；

②用三维定位锁定装置将压力传感器定位在腕部桡骨茎突处的桡动脉处，锁定压力传感器后，采集该处桡动脉的脉搏波P_r(t)；

③从采集的脉搏波P_r(t)中找出其每个心动周期的峰值SBP_ri、平均值MAP_ri和谷值DBP_ri，其中i＝1，2，…，N，N表示脉搏波P_r(t)的周期个数，再分别求均值得到SBP_r、MAP_r和DBP_r；

④从SBP和SBP_r、MAP和MAP_r以及DBP和DBP_r这三对数据中选择两对代入关系式P(t)＝k·P_r(t)+l得到一个方程组，解此方程组求得k、l，将P_r(t)以及求得的k、l代入关系式P(t)＝k·P_r(t)+l得到波形P(t)；

⑤将上述波形P(t)分割成N个单周期波形，再对每一个单周期波形进行特征点辨识，得到其舒张期波形P_vi(t)，其中i＝1，2，…，N；

⑥求a_i、b_i的值，使得误差函数 ${\∫}_{t_{i1}}^{t_{i2}}{[a_i{e}^{-b_i{P}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{P_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{R}]}^2\mathrm{dt}$ 或者 ${\∫}_{t_{i1}}^{t_{i2}}|a_i{e}^{-b_i{P}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{P_{\mathrm{vi}}\left(t\right)}{R}|\mathrm{dt}$ 最小，其中t_i1、t_i2分别表示舒张期波形P_vi(t)的起始时刻和结束时刻；

⑦利用上述方法求得所有心动周期的a_i和b_i的值，然后分别求均值得到a和b，则人体的顺应性为C(p)＝ae^-bp。

2.一种人体动脉顺应性的检测装置，该装置包括：主机、血压测量单元、三维定位锁定装置、压力传感器、A/D转换电路、输入器件、显示器件，血压测量单元由气袖、气体压力传感器、气泵、A/D转换电路、气路转换装置构成，其特征在于：压力传感器安装在三维定位锁定装置上，通过A/D转换电路与主机相连接；血压测量单元的气袖通过气路转换装置与气泵相连接；气体压力传感器通过气路与气袖连接；气体压力传感器经A/D转换电路直接与主机相连；主机通过电气线路与气泵和气路转换装置连接。

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