CN101357062A - 基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，包括输入模块、容积脉搏波采集模块、主控模块及显示器；所述输入模块用于输入用户基本信息，包括身高HT、体重WT、收缩压Ps、舒张压Pd；所述输入模块、容积脉搏波采集模块、显示器均与主控模块相连；所述主控模块包括容积脉搏波特征点提取器，生命体征参数计算器；所述生命体征参数计算器包括脉射血前期PEP计算器；射血前期直接由容积脉搏波计算得到。容积脉搏波一种信号即可实现对主要生命体征参数的无创伤检测，容积脉搏波一般在指端测量，对传感器的位置要求不高，且检测分析速度快、成本低、重复性好、稳定性高。

Description

基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置

技术领域

本发明涉及生命体征参数测评技术领域，特别涉及人体生命体征参数的无创定量测评领域。

背景技术

目前心脏收缩时间间期(STI)测定，是以测定心室收缩期各时相，评定左室功能的一种无创性检查方法。其结果和直接测得的血液动力学变化相符合，简便易行、重复性好、能够定量等优点，近年来临床已广泛应用。目前最常用的测定方法，是以心电图、心音图和颈动脉搏动图同步描记。这种方法的缺点是比较复杂，需要同步测量三路信号，且对检测位置的要求十分严格，信号的适应性、稳定性和重复性都不够理想。

目前已开发应用的血流参数无创检测方法和装置有很多种。

专利号为87104261.4的中国发明专利“心血管参数无损伤检测法及装置”，主要采用脉搏压力传感器检测桡动脉脉搏压力信号，它以一个与人体外周阻力、血管壁弹性和血液粘性等生理因素有关并相当于脉搏压力信号脉动分量的平均值和最大值之比的桡动脉脉搏压力波形系数K作为其特征点，并配合常规血压计收缩压PS和舒张压Pd的测量，从而得到11项血流参数。这种方法的优点是无创性的，脉搏波信号只取一个特征点，比较简单，临床上易于实现。其缺点是对桡动脉检测点的位置要求十分严格，信号的适应性、稳定性和重复性都不够理想。

申请号为200310121187.2的中国发明专利公开了一种指端光电容积脉搏血流检测方法，通过指端容积脉搏血流和桡动脉脉搏压力的相互联系，并配合常规血压计的血压测量，共同对指端容积脉搏血流进行标定，从而得出11项血流参数指标。这种方法得到的参数较少，没有能充分利用脉搏波中包含的信息。

现有技术表明：PEP/LVET比率是评价左室功能的敏感指标，正常参考值为＜0.35；心功不全时：轻度：0.44～0.52，中度：0.53～0.60，重度：＞0.60。该参数用于急性心肌梗塞患者，早期可以判断梗死面积的大小和心肌坏死的严重程度，后期则可用于预后评估和疗效判断，具有重要意义现有技术是通过心电图来获取PEP值和LVET值，然后再求出它们的比值。

20世纪80年代中期，前苏联学者N.布赫曼首先提出，人体除了健康状态(第一状态)和疾病状态(第二状态)外，还存在一种非健康非疾病的中间状态，称为“第三状态”，即我们经常提及的“亚健康状态”。临床实验证明：人体内部各个生理系统之间(如循环系统、呼吸系统等)是相互耦合的，而反映人身体健康最重要相对最全面的是心脏血液循环系统，因此通过采集脉搏波进而分析心脏循环系统功能，能从一个方面客观反映人体的健康情况。即从血压、血液粘稠度、血管顺应度等血液流变学角度研究亚健康状态。对此，很多学者在不断对亚健康测评装置进行研究及改进，一些性能和质量较好检测仪器也相继被研制成功。定量无创评价亚健康的方法和装置目前有多种，申请号为0210383.6的中国发明专利公开了一种人体生命体征状态的计算机测评方法，其通过在个性化了的运动实验中测量并记录被测试者的心电图、脉搏波和血压，得到最大收缩压值、静息平均心率、心率恢复时间、身高/体重2值和最大心率值，再将它们代入判别函数便可得到人体生命体征状态的评测值，进而把改评测值代入隶属函数，得出亚健康状态的评测分数值；申请号为200510023363.8的中国发明专利公开了一种人体亚健康状态的测评方法及其检测装置，通过检测多项生理功能的仪器，采集脉搏图、心电、掌心皮温等信息，测算出血压、生理年龄、自律神经功能水平及其平衡状态，对照N多边形正常生理功能图测评亚健康状态；申请号为200710042053.X的中国发明专利公开了一种嵌入服装式人体亚健康智能评估装置及方法，采用在衣服前片中嵌入生理信号传感器，检测出心电、脉搏、体温、呼吸、血氧饱和度等信息，再通过衣物后片中的信息处理模块处理，得到心率、心电常规参数、脉搏、体温、呼吸率、血氧饱和度、血压等参数，用支持向量机选取合适的核函数，建立亚健康评估模型，实现对亚健康的评估诊断。上述专利都改进了传统的亚健康测评方法，具有一定的应用前景，但是所采用的检测方法相对比较复杂，成本较高，所选参数不完全能为医生所接受，且结果分析用户不容易理解。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种使用方便、稳定性好的一种基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，包括输入模块、容积脉搏波采集模块、主控模块及显示器；所述输入模块用于输入用户基本信息，包括身高HT、体重WT、收缩压Ps、舒张压Pd；所述输入模块、容积脉搏波采集模块、显示器均与主控模块相连；

所述主控模块包括容积脉搏波特征点提取器，生命体征参数计算器；

所述特征点提取器基于容积脉搏波采集模块所采集的容积脉搏波提取射血开始时间点u点、射血结束时间点DN点；

所述生命体征参数计算器包括脉率HR计算器、左室射血时间LVET计算器；射血前期PEP计算器、PEP/LVET比率计算器；

所述脉率HR计算器基于容积脉搏波采集模块所采集的容积脉搏波计算脉率HR；

所述左室射血时间LVET计算器的计算公式为：LVET＝DN-u(ms)；

所述射血前期PEP计算器的计算公式为：PEP＝a-b×HR(ms)，a、b为常数，是根据大样本心电图测出的PEP值与脉率HR的曲线拟合值，根据最小二乘法拟合的结果是：a＝133，b＝0.4；

所述PEP/LVET比率计算器即计算射血前期PEP与左室射血时间LVET的比率。

容积脉搏波内的信息除用于检测上述生命体征参数外，还可以用于检测每搏心搏出量心SV、心输出量CO、心搏指数SI、心脏指数CI、左心搏功指数LVWI、平均动脉压MAP、血管顺应度AC、血流半更新率ALK、总周阻TPR、标准周阻SPR、全血粘度V、血流半更新时间ALT、血流平均滞留时间TM、有效血容量BV、动脉压差DP、平均收缩压MSP、平均舒张压MDP等参数，检测这些参数时，有些需要用到容积脉搏波的波峰点和波谷点，因此，特征点提取器还需要把波峰点和波谷点提取出来。

上述参数的测定值是具体的值，其生理意义除医生外的普通人一般是看不懂的，为了使普通人也能读懂所测的生命体征参数，基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置还包括评分器，所述评分器用于将下述生理参数值转换成一个分数值，所述生理参数包括三类，第一类是参数的健康趋势为正向，如每搏心搏出量心SV、心输出量CO、心搏指数SI、心脏指数CI、左心搏功指数LVWI、平均动脉压MAP、血管顺应度AC、血流半更新率ALK，第二类是参数的健康趋势为反向，如总周阻TPR、标准周阻SPR、血流半更新时间ALT、血流平均滞留时间TM、PEP/LVET比率，第三类参数具有中间最佳值，如脉率HR、有效血容量BV、动脉压差DP、平均收缩压MSP、平均舒张压MDP；所述评分器的评分规则如下：对于第一类参数，参数值大所对应的分数不小于参数值小所对应的分数；对于第二类参数，参数值小所对应的分数不小于参数值大所对应的分数；对于第三类参数，中间最佳值的分数值最高，中间最佳值往两端所对应的分数均是非递增的。

评分器仅仅给出了一个分数值，分数值越高，代表该项参数指标所代表的健康指数越好，但是还不能表征是否属于正常值的范围内。为此，再增加比较器，设定第一阈值列表，比较器将各生理参数的分数值与第一阈值列表中相应的阈值相比较，当低于相应阈值时，产生警示信息。第一阈值列表中的阈值就是正常状态的临界值，为了使得整个测评装置具备一致性，最好是选取相同的阈值。

主控模块内可设置存储器，从而可以对个人的生命体征参数进行跟踪。

所述基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，还可设置第二阈值列表，比较器对同一个人在一定的时间间隔内两次测定的各生理参数的分数值的减小量与第二阈值列表中相应的阈值相比较，当减小量超过第二阈值列表中相应的阈值时，产生警示信息。也就是当某个参数的分数突然减小较多时，提醒被测人注意该变化。为了使得整个测评装置具备一致性，第二阈值列表中的阈值最好也是选取相同的阈值。

所述生命体征参数测评装置还可包括与主控模块相连的打印机，这样就便于被测人保存测评结果。打印机可以是内置的热敏打印机，或者是外接的打印机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的效果：

(1)本发明采用容积脉搏波一种信号即可实现对主要生命体征参数的无创伤检测，容积脉搏波一般在指端测量，对传感器的位置要求不高，且检测分析速度快，成本低，而以往的基于心电图或压力脉搏波的无创伤检测，对传感器的位置要求严格，从而重复性相对较差，本发明由于仅采用容积脉搏波来测评，因此重复性好，稳定性高；

(2)本发明所测的参数达20多种，充分挖掘了脉搏波中包含的信息；

(3)本发明仅提取容积脉搏波几个特征点，特征点的提取可采用基于经验参数和小波变换的方法，充分利用其包含的信息同时又不至于太繁琐，从而确保精度的同时保证了实时性，得到较多的生理参数；

(4)本发明所选参数与医院所用的生理参数相匹配，具有明显的生理意义，易于被医生、患者接受；

(5)本发明设计的评分系统使输出结果简单易懂，可以用多次的测评值反映趋势变化，画出趋势图，便于进行相关治疗效果分析；

(6)本发明的评分值与健康状况成正比例，即分数越高，健康状况越好，这与一般人的思维符合，容易为人所接受。

附图说明

图1是本发明实施例1的硬件框图；

图2是实施例1生命体征测评软件信号处理流程图；

图3是实施例1主要算法流程图；

图4是脉率HR与射血前期PEP的曲线拟合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

如图1所示，本实施例的硬件组成包括指夹式光电容积脉搏波传感器、容积脉搏波调理电路、A/D转换电路、自动增益控制器、通信电路、上位机系统以及电源。

指夹式光电容积脉搏波传感器的信号经由容积脉搏波调理电路进行工频干扰、基线漂移、运动伪迹、传感器移位的噪声预处理及放大、隔离的信号调理后的容积脉搏波信号再由A/D转换电路转换成数字信号，然后再经自动增益控制器、通信电路传送到上位机系统处理。

本实施例的软件系统信号处理流程如图2所示。在信号采集之前，被测者的姓名、性别、年龄等信息需输入到信息管理系统中。

信号分析系统从信号采集通道获得患者的脉搏波信号并存入数据库；脉搏波信号经过自动分析环节，执行噪声滤波、消除基线及提取特征点等处理，得到处理后的波形和得到特征点，然后经过相关参数计算，得到生理参数，将特征参数代入健康评估模型，最后得到健康评估结果；必要时可以选用手动分析功能，在屏幕上仔细观察和分析信号；信息管理控制各环节信息与数据库的流通；需要时可以进行趋势图分析以及健康咨询；测评结果形成报告，可以显示或打印出来。

本实施例的主要算法如图3所示，首先对脉搏波信号进行小波分解，选取奇异点明显的小波第三分量d3进行预处理，即取绝对值；然后根据信号特点确定阈值，以阈值为判据，去掉部分杂点，然后求前两个有效周期中的d3分量的所有极值点；接着找出前两个周期的升支拐点及降支拐点对应的d3分量极大值点，其中降支拐点可能缺失；然后分辨升支、降支对应的极大值，找准前两个周期的升支拐点对应的极大值点；然后取第一周期为当前周期，根据当前周期与下一周期的升支拐点位置，求得心动周期长度，然后找到特征点：u、DN、波峰、波谷点；根据已找到的两个升支拐点可预测下一个升支拐点的大致范围。

如图4所示，本实施例的曲线拟合图是通过21例样本的心电图数据计算，再通过最小二乘法得到，由图可以明显看到，PEP与HR呈明显的线性关系。

本发明实施例的测评过程的步骤如下：

(1)记录被试者的身高HT、体重WT、年龄、性别等基本信息；

(2)自动测量舒张压和收缩压值；

(3)将光电容积脉搏波传感器放在左手食指处，被试者采用静坐状态，将手臂平置于台上与心脏平齐，待信号平稳后开始记录数据，以250Hz的抽样频率人进行数据采集，取样时间长度为10秒，采样点为2500点；

(4)由上位机出分析报告，打印并交给被试者；

一般来讲，完成整个测试大约需要2-5分钟的时间，相关数据存储到数据库中。

本实施例的硬件系统见图1。脉搏信号通过指夹式光电容积脉搏传感器进入系统，由于一般血氧探头能获得两路信号以便计算血氧饱和度，因此经过调理电路后血氧探头信号又被分成红光信号和红外光信号(容积脉搏波)两路，为了降低成本，缩小仪器体积，在单片机速度允许的情况下，我们采用了串行数据采集结构，即两路信号通过多路选择电路共用一个AD，由单片机控制多路开关保证信号的分时采样。最后由R232串口或R232与USB转接口将数据信号传到上位机，以便后续处理。自制的直流电源电路为各部分提供标准的工作电压。系统采用ATMEL89C52单片机对系统初始化设置、A/D转换、数据储存和数据传输等进行管理。A/D转换芯片采用的是美国AD公司生产的AD574A。电源部分分别采用L7805、L7812、L7912稳压输出+5V、+12V、-12V。

各参数的计算公式如下：

体表面积BSA＝0.0061H+0.0128W-0.1529；

有效血容量BV＝2.65×BSA；

心搏指数SI＝7.53-0.136(PEP-1.5LVET+0.35HR)；

心脏指数CI＝-2.77-0.009(0.3PEP-2LVET-2HR)；

每分钟心输量 $\mathrm{CO}=\frac{\mathrm{CI}}{\mathrm{BSA}}+\frac{6.236\mathrm{PEP}}{\mathrm{LVET}};$

每搏输出量 $\mathrm{SV}=\frac{1000\mathrm{CO}}{\mathrm{HR}};$

血流半更新率ALK＝25.2×10^-3CI；

血流半更新时间 $\mathrm{ALT}=\frac{0.693}{\mathrm{ALK}};$

血流平均滞留时间 $\mathrm{TM}=\frac{1}{\mathrm{ALK}}.$

左心搏功指数 $\mathrm{LVWI}=\frac{10\mathrm{MAP}\×\mathrm{CO}}{\mathrm{HR}\×\mathrm{BSA}};$

左心室舒张末期压力LVEDP＝11.18-0.0013(2PEP+23.4LVET+8.7HR)；

左心射血分数 $\mathrm{LVEF}=1.12-\frac{1.25\mathrm{PEP}}{\mathrm{LVET}};$

左室射血期指数LVETI＝1.7HR+LVET；

射血前期指数PEPI＝0.4HR+PEP；

血管顺应性AC＝SV/(P_s-P_d)；

平均动脉压MAP＝1/3P_s+2/3P_d；

平均收缩压 $\mathrm{MSP}=\underset{i=u}{\overset{i=\mathrm{DN}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i;$

平均舒张压 $\mathrm{MDP}=\underset{i=\mathrm{DN}}{\overset{i=N_T-\mathrm{DN}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i;$

动脉压差DP＝MSP-MDP；

总周阻(又叫作外总周阻) $\mathrm{TPR}=\frac{80\mathrm{MAP}}{\mathrm{CO}};$

标准周阻 $\mathrm{SPR}=\frac{1.107\×\mathrm{TPR}\×70}{\mathrm{HR}}$

Claims (10)

1、一种基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，包括输入模块、容积脉搏波采集模块、主控模块及显示器；所述输入模块用于输入用户基本信息，包括身高HT、体重WT、收缩压Ps、舒张压Pd；所述输入模块、容积脉搏波采集模块、显示器均与主控模块相连；其特征在于：

所述主控模块包括容积脉搏波特征点提取器，生命体征参数计算器；

所述特征点提取器基于容积脉搏波采集模块所采集的容积脉搏波提取射血开始时间点u点、射血结束时间点DN点；

所述生命体征参数计算器包括脉率HR计算器、左室射血时间LVET计算器；射血前期PEP计算器、PEP/LVET比率计算器；

所述脉率HR计算器基于容积脉搏波采集模块所采集的容积脉搏波计算脉率HR；

所述左室射血时间LVET计算器的计算公式为：LVET＝DN-u(ms)；

所述射血前期PEP计算器的计算公式为：PEP＝a-b×HR(ms)，a、b为常数，是根据大样本心电图测出的PEP值与脉率HR的曲线拟合值；

所述PEP/LVET比率计算器即计算射血前期PEP与左室射血时间LVET的比率。

2、根据权利要求1所述的基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，其特征在于还包括与主控模块相连的存储器，所述存储器用于存储个人信息和所测定的生命体征参数。

3、根据权利要求1或2所述的基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，其特征在于所述特征点提取器基于容积脉搏波采集模块所采集的容积脉搏波还提取波峰点、波谷点；所述生命体征参数计算器还用于计算下述生命体征参数：每搏心搏出量心SV、心输出量CO、心搏指数SI、心脏指数CI、左心搏功指数LVWI、平均动脉压MAP、血管顺应度AC、血流半更新率ALK、总周阻TPR、标准周阻SPR、血流半更新时间ALT、血流平均滞留时间TM、有效血容量BV、动脉压差DP、平均收缩压MSP、平均舒张压MDP、左心室舒张末期压力LVEDP、左心射血分数LVEF、左室射血期指数LVETI、射血前期指数PEPI。

4、根据权利要求3所述的基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，其特征在于，还包括评分器，所述评分器用于将下述生理参数值转换成一个分数值，所述生理参数分为三类，第一类是参数的健康趋势为正向，如每搏心搏出量心SV、心输出量CO、心搏指数SI、心脏指数CI、左心搏功指数LVWI、平均动脉压MAP、血管顺应度AC、血流半更新率ALK，左心射血分数LVEF，左室射血期指数LVETI、射血前期指数PEPI，第二类是参数的健康趋势为反向，如总周阻TPR、标准周阻SPR、全血粘度V、血流半更新时间ALT、血流平均滞留时间TM、PEP/LVET比率，左心室舒张末期压力LVEDP，第三类参数具有中间最佳值，如脉率HR、有效血容量BV、动脉压差DP、平均收缩压MSP、平均舒张压MDP；所述评分器的评分规则如下：对于第一类参数，参数值大所对应的分数不小于参数值小所对应的分数；对于第二类参数，参数值小所对应的分数不小于参数值大所对应的分数；对于第三类参数，中间最佳值的分数值最高，中间最佳值往两端所对应的分数均是非递增的。

5、根据权利要求4所述的基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，其特征在于，还包括比较器，设定第一阈值列表，比较器将各生理参数的分数值与第一阈值列表中相应的阈值相比较，当低于相应阈值时，产生警示信息。

6、根据权利要求5所述的基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，其特征在于所述第一阈值列表中的阈值是相同的。

7、根据权利要求5所述的基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，其特征在于还设置了第二阈值列表，比较器对同一个人在一定的时间间隔内两次测定的各生理参数的分数值的减小量与第二阈值列表中相应的阈值相比较，当减小量超过第二阈值列表中相应的阈值时，产生警示信息。

8、根据权利要求7所述的基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，其特征在于所述第二阈值列表中的阈值是相同的。

9、根据权利要求8所述基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，其特征在于还包括与主控模块相连的打印机。

10、根据权利要求1或2所述的基于容积脉搏波检测的生命体征参数测评装置，其特征在于还包括与主控模块相连的打印机。

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