CN101692975B - 血液在体流动性测量装置 - Google Patents

Abstract

一种血液在体流动性测量装置，包括用于阻断或放开该肢体动脉或静脉血流的袖带、用于给袖带充气或放气并监测袖带内空气的压力值的袖带压力控制机构、用于检测安放部位的动脉压力信号的压力检测部件、将压力检测部件检测到的动脉压力信号分离成动脉充盈压信号和动脉脉搏波信号的信号分离模块和信号处理模块。本发明在测量血液流动性时不需要抽血，无创无损。由于是在体测量，血液的物理化学性质不会发生较大变化，并且测量过程中血液是在人体的实际流动环境中进行测量，所得到测量结果能够反映血液在人体动脉、静脉以及毛细血管中流动的真实的流动性，能够为评价血液在体流动性提供更为客观的依据，利于心脑血管疾病的早期诊断和预防。

Description

血液在体流动性测量装置

技术领域

本发明涉及一种血液流动性的测量装置，特别是利用无创无损的检测手段来测量血液在生命体内流动时的流动性的装置。

背景技术

血液是一个巨大的循环器官，作为运输介质，它携带着氧、二氧化碳、养料、激素、酶以及细胞代谢产物靠着心脏的推动力循环于机体的每个部位，对于人类和动物的生存都是必不可少的。即便是血液循环短暂的停止或不畅，也会对大脑等重要器官造成持久的损伤，甚至会危及生命。所谓血液的流动性就是指血液的流动能力，也就是血液的易流动性。血液的流动性是决定血液循环是否顺畅的一个重要因素。同时，血液流动性的降低也是形成动脉粥样硬化、血栓进而导致心脑血管疾病的重要危险因素。因此，测量血液的流动性对于心脑血管疾病的防治具有重要的意义。

人体四肢的血管系统主要由动脉、毛细血管和静脉组成。它在结构上有个特点：一根相对较大的动脉分成小动脉、微动脉后展成毛细血管网，毛细血管网又经过微静脉、小静脉后汇聚成一根相对较大的静脉回到心脏。例如，血液从肱动脉及其分支流入人体上肢，经过毛细血管后，从各静脉分支(例如头静脉、贵要静脉)汇入肱静脉或腋静脉回到心脏。类似地，在人体下肢中，血液由股动脉及其分支流入下肢，经毛细血管后，从各静脉分支(例如腘静脉、大隐静脉)汇入股静脉回到心脏。

随着技术的进步，人们已经能够借助仪器设备从体表观察到某些部位的血液流动的情况，尤其是微循环的血液流动情况。在临床或实验室，人们常使用显微镜来从体表观察手指或足趾甲皱、眼球结膜、舌、唇、皮肤等部位的微循环血液流动情况。所使用的显微镜可以是一般的医用显微镜，也可以是体视显微镜或者专门的微循环显微镜。通过观察这些部位的微循环情况，人们可以直观的评价被观测者的血液流动状况，为临床诊断提供依据。

国际公开号为WO/2009/069417的专利文献公开了一种血液流动性测量系统及测量方法。该测量系统使事先从人体抽取的经抗凝处理的血液流经装有摄像头的微管道，摄像头能够拍摄到血流流过管道的状态，然后该测量系统再使用图像处理的方法计算出管道内血液的流动性。可见该测量方法是一种有创的测量方法，测量时需要从人体抽血。离体的血液的物理化学性质会发生改变，而且血液流经的是人造的管道而不是人体的血管，因此测量的结果只能从一定程度上反映血液的流动性。

血液是一个极其庞大而复杂的器官，至今其某些性质还为人们所未知。血液离开人体后，其物理和化学性质将会发生改变，所以离体测量具有一定误差。在人体中，血液与血管系统以复杂的方式耦合在一起。血液在体的流动性不仅取决于血液自身的物理化学性质，还跟与其相互耦合的血管系统有密切关系。血液的在体流动性是表征血液以及血液流经的血管系统的综合性质的指标，也只有这样，血液的在体流动性才能反映出血液循环的顺畅程度，才能为心脑血管疾病的防治提供更有价值的参考。因此，抛开血液的流动环境来量化血液的流动性是不够客观的。

发明内容

本发明针对现有血液流动性测量技术存在的问题，提供一种能够实现无创无损测量的血液在体流动性测量装置。

本发明的血液在体流动性测量装置采用以下技术方案：

该血液在体流动性测量装置，包括以下部分：

1.袖带：绑缚于被测肢体根部，用于阻断和放开该肢体动脉和静脉血流；在测量过程中，该袖带先阻断被测肢体的动静脉血流，然后保持一段时间，最后放开该肢体的动静脉血流；

2.袖带压力控制机构：与信号处理模块及袖带相连，用于给袖带充放气、保持袖带恒压以及监测袖带内空气的压力值；在测量过程中，该袖带压力控制机构先给袖带充气使之阻断被测肢体的动静脉血流，然后使袖带保持恒压一段时间，最后给袖带放气使之放开被测肢体的动静脉血流；

3.压力检测部件：与信号分离模块连接，安放于被测肢体的动脉处，用于检测安放部位的动脉压力信号；

4.信号分离模块：由并联的低通滤波器和高通滤波器组成，该信号分离模块与压力检测部件相连接，并将压力检测部件检测到的动脉压力信号分离成动脉充盈压信号和动脉脉搏波信号；

5.信号处理模块：与袖带压力控制机构和信号分离模块相连接，用于控制袖带压力控制机构的充放气，并接收来自信号分离模块输出的动脉充盈压信号和动脉脉搏波信号，该信号处理模块使用公式P_a＝Me^-ft+N表示的函数来拟合袖带恒压时被测肢体动静脉从开始阻断到达到稳态过程采集到的动脉充盈压信号，也即是寻求最优的参数f、M和N的值使得上式所示函数P_a和实际测得的动脉充盈压信号P_ad的差别最小，其中：P_a表示动脉充盈压，t表示时间，f、M、N分别为待定参数，f为本发明所述装置要测量的血液在体流动性。

所述压力检测部件采用压阻式压力传感器，分别与信号分离模块的低通滤波器和高通滤波器相连。

所述信号处理模块就是一个中央处理器。

上述血液在体流动性测量装置还可以包括：

显微镜：安放于被测肢体手指或足趾处，用于放大被测肢体手指或足趾的甲皱的血液流动状况；

摄像机：与信号处理模块连接，摄像机的镜头与上述显微镜的目镜相连，用于拍摄被测肢体手指或足趾的甲皱的血液流动状况，并将视频信号传送给与其相连的信号处理模块。信号处理模块将视频信号存储下来，并可通过与其相连的显示器显示出来。

根据已有技术，所述显微镜可以选用普通医用显微镜，也可选用体视显微镜或微循环显微镜，所述摄像机选用与相应显微镜配合使用的摄像机即可。

本发明可以进行人体四肢中的任意一肢的血液在体流动性测量，具体过程如下：

将袖带绑缚于被测肢体根部，将压力检测部件安装于肢体动脉处。通过袖带压力控制机构给袖带充气或放气，阻断或放开进出肢体的血液，并监测袖带内空气的压力值。压力检测部件所获取的动脉压力信号经过低通滤波器后仅保留了原来信号中的极低频成分，也就是能够反映动脉中血液充盈情况的动脉充盈压信号。当袖带没有阻断肢体动静脉时，所获取的动脉压力信号经过高通滤波器后可以得到动脉脉搏波信号。但是当袖带阻断肢体动静脉时，脉搏波信号则会消失。动脉压力信号经过低通、高通滤波器后得到的动脉充盈压信号和动脉脉搏波信号分别送入信号处理模块进行分析，信号处理模块能够根据这两路信号计算出血液在体流动性，还能够发出控制信号控制袖带压力控制机构对袖带进行充放气。最后计算结果通过与信号处理模块相连接的显示器显示出来。

袖带压力控制机构给袖带充气直至肢体动静脉完全阻断后再继续充气使袖带压力再上升一定余量值，以确保在当前以及接下来的测量过程中肢体的动静脉血流是完全阻断的。充气过程中，信号处理模块实时地分析由动脉压力信号经高通滤波器而得到的动脉脉搏波信号，实时判断脉搏波是否消失，当脉搏波消失时说明袖带压力已经达到收缩压并完全阻断了肢体的动静脉血流，此时信号处理模块发出控制信号给袖带压力控制机构，袖带压力控制机构根据此信号以及前述的余量值来决定何时停止充气。需要说明的是，人体的静脉血压比动脉血压低的多，因此只要判断动脉脉搏波消失，就可以断定静脉也被阻断了。

当血流被完全阻断后，肢体远心端的血管系统处于一种完全封闭的状态，此封闭独立的系统中充满了血液，动脉的脉搏波也已经无法传导进来。刚开始阻断时，由于动脉血压高于静脉血压，动脉内血液的充盈压相对于静脉充盈压较高，动脉中的血液便会流入毛细血管并最终进入静脉。随着时间的推移，动脉中的血液不断流入静脉，动脉充盈压与静脉充盈压趋于相等，上述的封闭独立的血管系统趋于稳态。袖带压力控制机构在阻断肢体动静脉并停止充气后，会使袖带保持恒压一段时间，恒压时间一般为30秒或者更长，等待血管系统更充分的趋于稳态。然后给袖带放气，恢复肢体血液流动状态。根据心血管流体力学原理对上述过程进行建模，则该封闭独立的血管系统趋于稳态的过程可以用以下微分方程组来描述：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{P_a-P_v}{R}=i\\ C_a\frac{{\mathrm{dP}}_a}{\mathrm{dt}}=-i\\ C_v\frac{{\mathrm{dP}}_v}{\mathrm{dt}}=i\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中P_a、P_v分别表示动脉充盈压和静脉充盈压，C_a、C_v分别表示动脉的顺应性和静脉的顺应性，i表示血流量，R表示血液在为达到稳态而流动时所受到的阻力，t表示时间。解上述微分方程组，并经过符号代换可以得到动脉充盈压的表达式，其形式如下：

P_a＝Me^-ft+N    (2)

上式中f、M、N分别为待定参数，其中参数f即为本发明所要测量的血液在体流动性。

由此可见，在上述封闭独立的血管系统趋于稳态的过程中，动脉充盈压是一个随时间指数衰减的过程。从实际的实验结果来看，信号处理模块所采集到的动脉充盈压信号也确实呈指数衰减的形状(参见图2)。上式中的参数f决定了该指数衰减的快慢，也就是反映了血液流动性的好坏：f的值越大，衰减的越快，说明血液很快就能通过毛细血管网流入静脉，则血液的流动性越好，反之如果f的值越小，则血液的流动性越差。

袖带恒压过程中，低通滤波器输出的动脉充盈压信号送入信号处理模块作为计算血液在体流动性的原始数据。信号处理模块通过分析开始阻断到上述封闭独立的血管系统达到稳态过程的动脉充盈压信号能够计算出血液在体流动性f。用符号P_ad表示某次测量中袖带保持恒压时被测肢体动静脉开始阻断到血管系统达到稳态过程中信号处理模块所实际采集到的动脉充盈压信号，信号处理模块使用(2)式所表示的函数来拟合采集到的动脉充盈压信号P_ad，可以得到最优的参数f、M和N的值，其中参数f即为本发明要测量的血液在体流动性。至于函数拟合的具体方法，则属于已有技术。根据函数拟合理论，指数函数的拟合可以采用迭代法、最小二乘法等多种方法，其核心思想是寻求参数f、M和N的最优值使得函数P_a和实际测得的动脉充盈压信号P_ad的差别最小。

在测量过程中，可以通过显微镜和摄像机同步的记录下被测肢体手指或足趾的甲皱处的血液流动状况。手指或足趾的甲皱处的血液流动状况随着被测肢体动静脉血流的阻断和放开而不断发生变化，包含了丰富的有关血液流动性的信息，测试者可以通过观看拍摄到的甲皱血液流动视频更直观更全面的评价被测者的血液在体流动性。

本发明在测量血液流动性时不需要抽血，无创无损。由于是在体测量，血液的物理化学性质不会发生较大变化，并且测量过程中血液是在人体的实际流动环境中进行测量，所得到测量结果能够反映血液在人体动脉、静脉以及毛细血管中流动的真实的流动性，能够为评价血液在体流动性提供更为客观的依据，从而能够为心脑血管疾病的早期诊断和预防提供有利工具。另外，整个测量过程中被测肢体的微循环情况可以通过视频显示出来，为医生做出客观诊断提供了更直观更丰富的信息。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是动脉充盈压信号呈指数衰减的示意图。

图中：1、信号处理模块，2、信号分离模块，3、袖带压力控制机构，4、袖带，5、压力检测部件，6、管路，7、动脉压力信号，8、低通滤波器，9、高通滤波器，10、动脉充盈压信号，11、动脉脉搏波信号，12、控制信号，13、显示器，14、显微镜，15、摄像机，16、视频信号。

具体实施方式

如图1所示，本发明的血液在体流动性测量装置包括袖带4、袖带压力控制机构3、压力检测部件5、信号分离模块2、信号处理模块1、显微镜14和摄像机15。

袖带4绑缚于被测肢体根部，用于阻断和放开该肢体动脉、静脉血流，在测量过程中，该袖带4先阻断被测肢体的动静脉血流，然后保持一段时间，最后放开该肢体的动静脉血流。

袖带压力控制机构3通过管路6与袖带4相连，用于给袖带4充气或放气并监测袖带内空气的压力值。袖带压力控制机构3可以采用现有技术，与现有使用袖带的仪器(如自动电子血压计)所用到的袖带充放气机构的结构类似，具体可由气泵、电动阀和气压传感器组成，气泵和电动阀通过管路连接，电动阀与袖带通过管路连接，气压传感器安装在电动阀与袖带之间的管路上，气泵、电动阀和气压传感器均与信号处理模块连接。开启气泵可以给袖带充气，关闭气泵即可停止充气，打开电动阀可以给袖带放气，关闭气泵和电动阀可使袖带保持恒压，气压传感器可以检测袖带内空气压力值。信号处理模块1控制气泵和电动阀，并采集气压传感器的信号，这样即可实现对袖带4的充放气、保持袖带恒压以及监测袖带内空气的压力值的功能。在测量过程中，该袖带压力控制机构3先给袖带4充气使之阻断被测肢体的动静脉血流，然后使袖带4保持恒压一段时间，最后给袖带4放气使之放开被测肢体的动静脉血流。

压力检测部件5采用压阻式压力传感器，安放于被测肢体的动脉处，用于检测安放部位的动脉压力信号7。该动脉压力信号7包含了反映被测动脉血液充盈情况动脉充盈压信号10和反映被测动脉脉搏情况的动脉脉搏波信号11。

信号分离模块2由并联的低通滤波器8和高通滤波器9组成，压力检测部件5分别与低通滤波器8和高通滤波器9相连接，该信号分离模块2将压力检测部件5检测到的动脉压力信号7分离成动脉充盈压信号10和动脉脉搏信号11。低通滤波器8只允许低于截止频率的信号成分通过，因此压力检测部件5获取的动脉压力信号7经过低通滤波器8后仅保留了原来信号中的极低频成分，输出反映动脉中血液充盈情况的动脉充盈压信号10。该低通滤波器8的截止频率应根据具体情况设定在0～0.5Hz的范围内才能保证把动脉充盈压信号10从动脉压力信号7中分离出来，本实施例中该低通滤波器8的截止频率设为0.38Hz。高通滤波器9仅允许频率高于截止频率的信号成分通过，因此压力检测部件5所获取的动脉压力信号7经过高通滤波器9后可以得到动脉脉搏波信号11。该高通滤波器9的截止频率应根据具体情况设定在0.5Hz～2Hz的范围内，本实施例中该高通滤波器9的截止频率设为0.8Hz。根据现有技术，上述低通滤波器8和高通滤波器9可以通过硬件来实现滤波功能，也可以通过软件来实现滤波功能，也可以软件和硬件相结合来实现滤波功能。

信号分离模块2分别通过低通滤波器8和高通滤波器9分两路与信号处理模块1相连接，一路用于传送动脉充盈压信号10，另一路用于传送动脉脉搏波11。信号分离模块2输出的动脉充盈压信号10和动脉脉搏信号11送入信号处理模块1进行分析计算。信号处理模块1就是一个中央处理器。

同时，信号处理模块1与袖带压力控制机构3和显示器13连接，向袖带压力控制机构3发出控制信号12，控制其对袖带4进行充放气。显示器13用于显示分析计算的结果。

显微镜14安放于被测肢体手指或足趾处，显微镜14的物镜对准手指或足趾的甲皱。摄像机15的镜头与显微镜14的目镜相连，摄像机15用于拍摄整个测量过程中被测肢体手指或足趾的甲皱处的血液流动状况，拍摄到的视频信号16传送给与其相连的信号处理模块1。信号处理模块将上述视频信号16存储下来，并通过与其相连的显示器13显示出来。

以下结合图1以左上肢为例详细说明本发明的装置进行血液在体流动性测量的整个过程：

测量前，先将袖带4绑缚于人体左上肢的根部，将压力检测部件5安装于左手手腕桡动脉处，将显微镜14安放于左手手指处，显微镜14的物镜对准手指的甲皱并调节好放大倍数和焦距。启动袖带压力控制机构3给袖带4充气至左上肢收缩压以上30mmHg。充气过程中，信号处理模块1实时地分析动脉脉搏波信号11，并实时检测脉搏波是否消失以判断充气是否已经到达左上肢收缩压并向与之相连的袖带压力控制机构3发出控制信号12。袖带压力控制机构3收到此控制信号12后继续充气使袖带4压力再升高30mmHg即停止充气。

充气停止后，袖带压力控制机构3使袖带4保持恒压一段时间，本实施例中袖带4恒压时间为30秒。在袖带4恒压过程中，信号处理模块1不断采集并记录由信号分离模块2送来的动脉充盈压信号10。

如图2所示，从实际的实验结果来看，信号处理模块1所采集到的动脉充盈压信号呈指数衰减的形状。

袖带4恒压过后，袖带压力控制机构3给袖带4放气，使左上肢的血流状况得到恢复。信号处理模块1则根据袖带4恒压过程中采集到的动脉充盈压信号10计算出血液在体流动性。如前所述，信号处理模块1计算血液在体流动性的原理是函数拟合的方法。函数拟合的理论和应用目前都已经相当成熟，本发明所述装置在函数拟合方法的选择上不做过多限定，只要是该方法能够寻找到最优的参数f、M和N的值使得(2)式所述函数P_a和实际测得的动脉充盈压信号P_ad的差别最小，那么该方法即可采用。信号处理模块1计算出的最后结果以及摄像机15拍摄到的测量过程中甲皱微循环的视频通过与之相连的显示器13进行显示。

本发明所述装置也可以从双侧下肢测量血液在体流动性。将袖带4绑缚于大腿根部或者脚踝部，将压力检测部件5安装于胫前动脉(或其下游的足背动脉)或者胫后动脉，将显微镜14安放于被测肢体足趾处，其物镜对准足趾的甲皱，则本发明所述装置即可从下肢测量出血液在体流动性，其具体过程与从上肢进行测量是相同的。在实际应用中，测试者可以根据受试者的具体情况进行测量部位的选择，比如有些受试者上肢残疾或者正在实施静脉注射，则可以选择从下肢测量。

Claims (2)

1.一种血液在体流动性测量装置，其特征在于，包括以下部分：

袖带：绑缚于被测肢体根部，用于阻断或放开该肢体动脉和静脉血流；

袖带压力控制机构：与信号处理模块及袖带相连，用于给袖带充放气、保持袖带恒压以及监测袖带内空气的压力值；

压力检测部件：与信号分离模块连接，安放于被测肢体的动脉处，用于检测安放部位的动脉压力信号；

信号分离模块：由并联的低通滤波器和高通滤波器组成，该信号分离模块与压力检测部件相连接，并将压力检测部件检测到的动脉压力信号分离成动脉充盈压信号和动脉脉搏波信号；

信号处理模块：与袖带压力控制机构和信号分离模块相连接，用于控制袖带压力控制机构的充放气，并接收来自信号分离模块输出的动脉充盈压信号和动脉脉搏波信号，该信号处理模块使用公式P_a＝Me^-ft+N表示的函数来拟合袖带恒压时被测肢体动静脉从开始阻断到达到稳态过程采集到的动脉充盈压信号，也即是寻求最优的参数f、M和N的值使得上式所示函数P_a和实际测得的动脉充盈压信号P_ad的差别最小，其中：P_a表示动脉充盈压，t表示时间，f、M、N分别为待定参数，f为所述装置要测量的血液在体流动性。

2.如权利要求1所述的血液在体流动性测量装置，其特征在于，还包括：

显微镜：安放于被测肢体手指或足趾处，用于放大被测肢体手指或足趾的甲皱的血液流动状况；

摄像机：与信号处理模块连接，摄像机的镜头与上述显微镜的目镜相连，用于拍摄被测肢体手指或足趾的甲皱的血液流动状况，并将视频信号传送给与其相连的信号处理模块。

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