CN101884526B - 基于超声血流信息的动脉血压测量装置 - Google Patents

Abstract

一种动脉血压测量装置，包括：心电信号采集模块，用于采集人体的心电信号；血流速度信号采集模块，用于采集人体的血流速度信号；信号预处理模块，与所述心电信号采集模块和所述血流速度信号采集模块电连接，用于对来自所述心电信号采集模块和所述血流速度信号采集模块的信号进行预处理；以及微处理器模块，与所述信号预处理模块电连接，用于接收经所述信号预处理模块处理后的信号并根据存储的血压测量公式以及来自所述信号预处理模块的信号对血压进行计算以获得血压测量结果。上述动脉血压测量装置通过心电信号采集模块及血流速度信号采集模块连续采集获得心电、血流速度信号，根据该信号及血压测量公式获得血压测量结果，实现连续血压测量。

Description

基于超声血流信息的动脉血压测量装置

【技术领域】

本发明涉及血压测量领域，特别涉及一种动脉血压测量装置。 

【背景技术】

测量血压是了解健康情况和观察病情的基本方法，尤其对患有心血管疾病的中老年人更有必要。高血压是许多高危心血管疾病的直接诱因。研究发现，血压变化率与心血管疾病的死亡率之间有显著相关性。因此，通过连续血压监测掌握血压变化率并采取相应的措施将可以大大减少高血压患者出现致命危险的情况。目前，可用于穿戴式装置实现血压连续测量的技术主要包括下面两种。 

第一种技术根据获取的桡动脉脉搏波的幅值来确定动脉血压值。脉搏腕式血压测量仪通过周期性地在桡动脉上加压和减压来确定血管零负荷(zero load)状态，并在该状态下通过脉搏波的幅值和从波形中提取的其他参数来确定血压值。该腕式血压测量仪每15秒钟给出一个血压读数，不能实现脉搏的连续测量，而且使用时还需要专业人员来精确确定传感器的位置。这种技术虽然不需要使用充放气的袖带，但是仍然要在手腕处施加一定的外界压力。 

第二种技术利用光电传感器来测量脉搏的血容积变化量，并利用流体静力学原理以及血容积变化量与经皮压力之间的关系来确定平均血压值。这种技术仍处在研究阶段，在实际操作中有下列问题尚待解决：首先，压力与血容积变化量之间的关系并不是静态的，它可能会随时间和生理状态的改变而改变；其次，脉搏血容积变化量不完全是由血压变化引起的；最后，经皮压力——血容积变化曲线不是静态的，而且存在滞后现象。目前，采用该方法测量血压时，每20分钟就需要进行一次校准。 

【发明内容】

基于此，有必要提供一种实现连续血压测量的动脉血压测量装置。 

一种动脉血压测量装置，包括：心电信号采集模块，用于采集人体的心电信号；血流速度信号采集模块，用于采集人体的血流速度信号；信号预处 理模块，与所述心电信号采集模块和所述血流速度信号采集模块电连接，用于对来自所述心电信号采集模块和所述血流速度信号采集模块的信号进行预处理；以及微处理器模块，与所述信号预处理模块电连接，用于接收经所述信号预处理模块处理后的信号并根据存储的血压测量公式以及来自所述信号预处理模块的信号对血压进行计算以获得血压测量结果； 

所述血压测量公式为： 

收缩压＝αs/PWV_ave+βs； 

舒张压＝αd/PWV_ave+βd； 

其中，αs、βs、αd和βd为参数，PWV1_ave为传输速度，所述传输速度为所述微处理器模块根据所述信号预处理模块处理后的心电信号及血流速度信号计算获得，所述传输速度由所述微处理器模块根据心电信号的R波峰值点的时间位置与血流速度信号上的峰值点的时间位置之间的时间间隔确定，所述微处理器模块用于检测血流速度信号波形中斜率为零的峰值点处的切线及斜率为最大的点处的切线并根据上述两条切线的交点确定所述血流速度信号的峰值点的时间位置。 

上述动脉血压测量装置通过心电信号采集模块及血流速度信号采集模块连续采集获得心电信号及血流速度信号，根据该信号及血压测量公式获得血压测量结果，可以实现连续血压测量。 

进一步地，所述微处理器模块还用于接收校准血压值并根据所述标准血压值调整所述血压测量公式的所述参数。 

进一步地，所述心电信号采集模块包括用于检测心电信号的传感器。 

进一步地，所述用于检测心电信号的传感器包括至少两个传导电极。 

进一步地，所述血流速度信号采集模块包括用于检测血流速度信号的超声传感器，所述超声传感器包括发射端和接收端，所述发射端与接收端间隔设置使得发射端的入射波与接收端接收的从血管反射回的反射波之间有夹角。 

进一步地，所述超声传感器主体是压电陶瓷材料。 

进一步地，所述信号预处理模块包括： 

带通滤波/放大器，用于通过其中的带通滤波器对心电信号中的噪声进行过滤并放大所述心电信号；以及用于放大所述血流速度信号的信号放大器。 

进一步地，所述动脉血压测量装置还包括血压测量校准模块以输入所述标准血压值，所述血压测量校准模块包括：标准血压计，用于为调整所述血 压测量公式的参数提供所述标准血压值；以及输入装置，用于将所述标准血压计提供的标准血压值输入给所述微处理器模块。 

进一步地，所述血压测量装置还包括用于显示血压测量结果的显示装置或用于将血压测量结果传输给远程终端的无线数据传输模块。 

进一步地，所述动脉血压测量装置被置于手腕式手表的外壳当中。 

【附图说明】

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，通过这些说明，本发明的上述目的、优点及特征将变得更加清楚。在以下的附图中： 

图1是根据本发明实施例所述的动脉血压测量装置的结构示意框图； 

图2是超声血流测量装置探头结构的示意图； 

图3是根据本发明实施例所述的血压测量方法的流程图； 

图4是具体实现图3所示校准过程的流程图； 

图5是具体实现图3所示确定测量过程中的脉搏波传输速度的流程图。 

图6是具体实现图3所示确定血压过程的流程图。 

图7是根据本发明一个实施例所述采用本发明所述装置的腕式手表的示意图； 

图8是图7所示腕式手表沿X轴的剖面图； 

图9是图8中所示虚线部分的局部放大图。 

【具体实施方式】

由于心脏的跳动使全身各处动脉管壁产生有节律的搏动，这种搏动称为脉搏。检查脉搏通常选用较浅表的动脉，最常采用的部位是靠拇指一侧手腕部的桡动脉。在本发明的实施例中，采用由超声传感器监测到的血流速度信号以及心电信号来确定血压。 

根据血流引起的超声波多普勒效应，由多普勒测速计算公式，发射和接收超声信号的相位偏移直接反映血流速度的变化。 

$v=\frac{f_{D}c}{2f_0\cos \mathrm{\θ}}$

其中，f_D为测量得到的多普勒偏移频率，C为超声在血流中的传播速度， f₀为发射超声信号的频率，θ为换能器发射路径与血流方向的角度。 

图1是根据本发明实施例所述的动脉血压测量装置的结构示意框图。如图1所示，这种动脉血压测量装置包括：心电信号采集模块1、血流速度信号采集模块2、信号预处理模块3、微处理器模块4以及血压校准模块9，其中血压校准模块包括标准血压计8和输入装置7。 

心电信号采集模块1包括用于检测心电信号的传感器，检测心电信号的传感器包括至少两个传导电极。心电信号采集模块1利用诸如传统的PQRST方法来采集心电脉冲信号，图1示出了其采集到的R型波的波形，其中R代表了R型波脉冲的顶端点。 

血流速度信号采集模块2采集人体的血流速度信号并将其转换为电信号，转换后的波形如图1所示，其中，横轴代表时间，纵轴代表电压。血流速度信号采集模块2包括用于检测血流速度信号的传感器。优选地，用于检测血流速度信号的传感器为超声传感器。图2所示为血流速度信号采集模块2利用超声测量血流速度的示意图，超声传感器主要包括超声信号发射端22(例如压电陶瓷换能器)、超声反射信号接收端24以及高频信号发生，接收和放大部分(图未示)。通过比较接收到的发射信号和反射信号间频率的偏移，利用多普勒公式给出血流速度。发射端22和接收端24之间呈一定角度，并对准血管200，在超声传感器和皮肤之间设有声耦合凝胶26。在此实施例中，首选手腕处的桡动脉作为测量位置。 

信号预处理模块3对来自心电信号采集模块1和血流速度信号采集模块2的心电信号和血流速度信号分别进行预处理。具体来说，信号预处理模块3利用其中的带通滤波/放大器32和信号放大器34对心电信号和血流速度信号分别进行处理。对心电信号来说，其带通频率为0.5-40Hz，放大倍数为2000。对血流速度信号来说，放大20dB。一般来讲超声测速的信号频率为1MHz以上。经过滤波放大后的信号被输入至微处理器模块4。 

血压校准模块9包括标准血压计8以及输入装置7。标准血压计8用于为血压测量提供标准血压值。输入装置7用于将标准血压计8提供的标准血压值输入给信号处理器模块4。 

微处理器模块4首先对输入的信号进行模数转换，然后对上述两个信号进行顶点检测并计算两信号中对应顶点之间的时间间隔并转化成脉搏波传输速度。之后，微处理器模块4可根据计算出的脉搏波传输速度和由血压校准 模块9提供的校准参数来实时计算血压值。具体的计算方法将在后面得到详细说明。 

另外，在本实施例中，所述动脉血压测量装置还包括无线数据传输模块6以及显示装置5。显示装置5可用于显示输出的实时血压值。无线数据传输模块6则可将得到的血压值传输给远程终端，以方便医护人员对病人的健康情况进行远程实时监控。 

图3是根据本发明实施例所述的动脉血压测量装置的工作流程图。如图3所示，从总体上讲，工作流程主要包括三个过程，即：校准过程、确定脉搏波传输速度(即传输速度)的过程、以及计算血压测量结果的过程。以下将对这三个步骤分别进行详细说明。 

一.校准过程： 

如图3中的310所示，校准过程的目的是为后续的血压测量提供校准参数。其操作是利用图1所示的标准血压计8测量舒张压和收缩压来实现的。在本发明的实施例中，上述两个血压值通过键盘输入并靠红外的方式传输给动脉血压测量装置的微处理器模块4，用以确定回归方程的常数。图4示出了校准过程的详细步骤。如图4所示，首先，在步骤410和420中，分别将收缩压和舒张压输入至动脉血压测量装置的微处理器模块4中，如前所述，这两个作为校准参数的血压值是由标准血压计8测得并通过诸如键盘的输入设备而被输入给微处理器模块4。然后，在步骤430中，通过微处理器模块4(见图1)确定出校准时心电信号与血流速度信号上的参考点之间的时间间隔(其详细步骤将在图5中给出)并转化成传输速度。传输速度可根据该时间间隔和被测者手臂长度来决定。这里，假定用于校准过程的血压值分别为SBP1_cal、SBP2_cal、DBP1_cal和DBP2_cal(即，利用标准血压计8进行两次测量，每次测得两个血压，SBP1_cal代表第一次测得的收缩压，DBP1_cal代表第一次测得的舒张压，依此类推)，与上述两次血压测量相对应的传输速度分别为PWV1_cal和PWV2_cal，另外，假定对应于收缩压回归方程的常数为αs和βs，对应于舒张压回归方程的常数为αd和βd，则血压可以表示为： 

SBP1_cal＝αs/PWV1_cal+βs 

SBP2_cal＝αs/PWV2_cal+βs 

DBP1_cal＝αd/PWV1_cal+βd 

DBP2_cal＝αs/PWV2_cal+βd 

这样，根据上述关系式，在步骤440中就可以计算出回归方程的常数αs和βs以及αd和βd。然后，在步骤450中，这些确定出的常数被存储在微处理器模块4的内存中，以供后续的血压测量计算使用。 

二.确定脉搏波传输速度的过程： 

如图3中的步骤320所示，该过程用于确定实际血压测量过程中的参数值(脉搏波传输速度)。图5说明了如何通过血流速度信号和心电信号计算出用于确定血压的脉搏波传输速度的步骤。如图5所示，首先，在步骤510中，检测心电图波形中R型波信号的峰值点并记下此时的时间位置。然后，在步骤520中，检测血流速度信号波形中斜率为零的峰值点处的切线。接下来，在步骤530中，检测血流速度信号波形中斜率为最大的点t_s处的切线。然后，在步骤540中，根据上述两条切线的交点确定峰值点并记下此时的时间位置t_ps，按照这种方法找到的峰值点具有更强的鲁棒性，更适合于计算脉搏波传输速度。接下来，在步骤550中，计算脉搏波传输速度，也就是心电图R型波信号的峰值与对应的血流速度信号的峰值点t_ps之间的时间间隔。对应的血流速度信号是指紧随心电图上R型波信号之后出现的血流速度信号。最后，在步骤560中，计算上述时间间隔的平均值并将其转化为脉搏波传输速度。之所以使用平均值，是因为上述参数测定的过程中会受到许多因素的干扰，致使测量精度下降。在本实施例中，建议使用者在进行血压测量时，应至少得到10秒钟的测量数据来做平均。经过平均处理后的参数数值将被输入给图3中的步骤330以用于计算血压或者输入给图4中的步骤430以用于对装置进行校准。 

三.计算血压测量结果的过程 

如图3中的步骤330所示，该过程利用在步骤310和320中确定出的回归常数以及参数值(脉搏波传输速度)分别计算收缩压和舒张压。具体来说，在该过程中，微处理器模块4将实际血压测量过程中测得的传输速度的平均值代入步骤310中所确定出的回归方程，从而计算出实际的血压值。图6给 出了该过程的具体实现步骤。 

如图6所示，步骤610用于通过存储在微处理器模块4的内存当中的回归方程的常数来计算收缩压，其计算公式如下： 

收缩压＝αs/PWV_ave+βs 

其中αs、βs是在图4所示校准过程的步骤440中计算出来的，PWV_ave是如图5所示的平均传输速度。 

步骤620用于通过存储在微处理器模块4的内存当中的回归方程的常数来计算舒张压，其计算公式如下： 

舒张压＝αd/PWV_ave+βd 

其中αd、βd也是在图4所示校准过程的步骤440中计算出来的，PWV_ave如图5所示的平均时间间隔。 

计算完成后，结果数据可在步骤340中得到进一步处理，即，如果血压值超过正常标准，则将会给出报警信息，如步骤350所示。如果需要进一步的测量，则在步骤360中将重新调用步骤320、330、340和350以重复上述过程。 

图7是根据本发明一个实施例所述采用本发明所述装置的腕式手表的外观图。如图7所示，在该手表外壳710的正面置有一个矩形状的液晶显示装置730，上面覆有表面玻璃720，如图7的上部所示，检测心电信号的电极740和750被置于表的前表面并凹陷下去。图8是图7所示腕式手表沿X轴的剖面图。如图8所示，表的背部760由导电材料制成，它被用作检测心电信号的另一个电极。同时，呈一定角度的超声信号发射端22和接收端24也置于表的背部760，如图9中的局部放大图，以用来检测血流速度。这种腕式手表装置体积小型、易于携带，并且能够对病人进行连续血压测量。 

一维超声血流测量装置已经可以微型化到一个平方厘米大小，血流测量装置可被应用于诸如腕式手表的小型血压测量设备当中，方便病人长期佩戴使用，从而实现非侵入、连续、穿戴式血压测量。另外，在某些应用中，还可以利用无线数据传输模块将测得的血压值及对不正常血压值的报警信号用无线方式传给远处的专业医护人员，以便于医护人员对患者进行实时监控。 

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 

Claims (10)

1.一种动脉血压测量装置，其特征在于，包括：

心电信号采集模块，用于采集人体的心电信号；

血流速度信号采集模块，用于采集人体的血流速度信号；

信号预处理模块，与所述心电信号采集模块和所述血流速度信号采集模块电连接，用于对来自所述心电信号采集模块和所述血流速度信号采集模块的信号进行预处理；以及

微处理器模块，与所述信号预处理模块电连接，用于接收经所述信号预处理模块处理后的信号并根据存储的血压测量公式以及来自所述信号预处理模块的信号对血压进行计算以获得血压测量结果；

所述血压测量公式为：

收缩压＝αs/PWV_ave+βs；

舒张压＝αd/PWV_ave+βd；

其中，αs、βs、αd和βd为参数，PWV_ave为血压的脉搏波传输速度，所述传输速度为所述微处理器模块根据所述信号预处理模块处理后的心电信号及血流速度信号计算获得，所述传输速度由所述微处理器模块根据心电信号的R波峰值点的时间位置与血流速度信号上的峰值点的时间位置之间的时间间隔确定，所述微处理器模块用于检测血流速度信号波形中斜率为零的峰值点处的切线及斜率为最大的点处的切线并根据上述两条切线的交点确定所述血流速度信号的峰值点的时间位置。

2.根据权利要求1所述的动脉血压测量装置，其特征在于，所述微处理器模块还用于接收标准血压值并根据所述标准血压值调整所述血压测量公式的所述参数。

3.根据权利要求1所述的动脉血压测量装置，其特征在于，所述心电信号采集模块包括用于检测心电信号的传感器。

4.根据权利要求3所述的动脉血压测量装置，其特征在于，所述用于检测心电信号的传感器包括至少两个传导电极。

5.根据权利要求1所述的动脉血压测量装置，其特征在于，所述血流速度信号采集模块包括用于检测血流速度信号的超声传感器，所述超声传感器包括发射端和接收端，所述发射端与接收端间隔设置使得发射端的入射波与接收端接收的从血管反射回的反射波之间有夹角。

6.根据权利要求5所述的动脉血压测量装置，其特征在于，所述超声传感器主体是压电陶瓷材料。

7.根据权利要求1所述的动脉血压测量装置，其特征在于，所述信号预处理模块包括：

带通滤波器及信号放大器，用于通过其中的带通滤波器对心电信号中的噪声进行过滤并放大所述心电信号；以及用于放大所述血流速度信号的信号放大器。

8.根据权利要求2所述的动脉血压测量装置，其特征在于，所述动脉血压测量装置还包括血压测量校准模块以输入所述标准血压值，所述血压测量校准模块包括：

标准血压计，用于为调整所述血压测量公式的参数提供所述标准血压值；以及

输入装置，用于将所述标准血压计提供的标准血压值输入给所述微处理器模块。

9.根据权利要求1所述的动脉血压测量装置，其特征在于，所述血压测量装置还包括用于显示血压测量结果的显示装置或用于将血压测量结果传输给远程终端的无线数据传输模块。

10.根据权利要求1所述的动脉血压测量装置，其特征在于，所述动脉血压测量装置被置于手腕式手表的外壳当中。

Images