CN102159130B - 动脉壁硬度评价系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动脉壁硬度评价系统，包括：臂带，用于固定于活体的一部分；压力传感器，用于检测所述臂带内部的压力；臂带压控制部，基于所述压力传感器的检测值进行控制，将臂带加压或减压至规定值；以及数据处理部，基于所述压力传感器所检测出的脉搏来计算臂带压脉搏与血压脉搏的振幅，并基于该脉搏振幅来评价动脉壁硬度。所述动脉壁硬度的评价是根据血管直径与施加于血管壁的内外压力差之间的关系，即压径特性曲线来进行的，并且根据臂带所检测出的脉搏的形状以及振幅来推测并进行评价。另外，根据检测出的脉搏，使用相对于内外压差而对压径特性曲线进行微分后所得的函数，即反正切函数或S型函数，来进行评价。由此使得在普通家庭内里，任何人无需专业知识，在任何时候都能够容易且精度良好地评价血管硬度。

Description

动脉壁硬度评价系统

技术领域

本发明涉及一种动脉壁硬度评价系统，该动脉壁硬度评价系统不使用医院等内所设置的大型装置或复杂的系统，能够在普通家庭中容易地对动脉壁硬度的状态进行评价。

背景技术

以往，作为血管壁硬化度的评价技术，已有使用超声波影像诊断装置来测量血管的跳动状态的技术、测量脉搏传播速度的技术、以及对在血管中传导的脉搏的行波与反射波的干扰进行测量的技术。当利用这些技术来进行测量时，需要使用大型的装置，实际上需要使用医院等的专业设施进行检查。而且，需要操作这些设备的专业知识。

对此，在日本公开专利公报“特开平5-38331号公报”、日本公开专利公报“特开平5-38332号公报”所揭示的发明中，已提出了使用臂带的动脉硬化评价装置。但是，这些发明仅是对根据臂带压而检测出的脉搏振幅的高度的变化程度进行评价的。

另外，在日本公开专利公报“特开2004-223046号公报”以及日本公开专利公报“特开平7-124129号公报″中，已提出了使用臂带的动脉硬化评价装置。在这些发明中，已提出了考虑施加于动脉壁的内力与外力之差和动脉直径之间的关系的方法。使用利用臂带而检测出的脉搏的振幅与血压，直接导出血管壁的内外压差与血管直径之间的关系。根据该方法，必须预先将血管壁的内外压差与血管直径之间的关系假设为某函数，因此所获得的结果也必然依赖于作为前提的函数。因此，存在如下的问题，即缺乏证据来证明所述推测方法是否妥当。

[专利文献1]日本公开专利公报“特开平5-38331号公报(公开日：1993年2月19日)”

[专利文献2]日本公开专利公报“特开平5-38332号公报(公开日：1993年2月19日)”

[专利文献3]日本公开专利公报“特开2004-223046号公报(公开日：2004年8月12日)”

发明内容

当想要根据所述以往的方法评价血管硬度时，必须采用医院等的设施，并每次测量均需支付费用。另外，由于需要预约装置或设施，因此时间上也必然会受到束缚。因此，目前无法实现任何人都能在任何时候对自己的血管硬度进行评价。

另外，对于如所述专利文献1、2所揭示的技术而言，并未考虑到血管壁的特性而进行测定，因此无法正确评价血管壁硬度。另外，对于如专利文献3所揭示的技术而言，如上所述，血管壁硬度的评价方法尚存在理论上的疑问，且相对于是否已正确地对血管壁硬度进行了评价尚存在较大疑问。

因此，本发明的目的在于获得如下的动脉壁硬度评价系统，该动脉壁硬度评价系统可在普通家庭内，无需专业知识，任何人在任何时候都能容易地评价血管硬度，与以往的类似技术相比，能够以更好的精度评价血管硬度。

为了解决所述问题，本发明的动脉壁硬度评价系统的特征在于，包括：臂带，用于固定于活体的一部分；压力传感器，用于检测所述臂带内部的空气压；臂带压控制单元，基于所述压力传感器的检测值进行控制，将臂带加压或减压至规定值(即，基于压力传感器的检测值来控制臂带的内压)；以及数据处理单元，基于所述压力传感器所检测出的脉搏来计算臂带压脉搏的振幅与血压脉搏的振幅，并基于该脉搏振幅来评价动脉壁硬度。

另外，对于本发明的其他动脉壁硬度评价系统而言，在所述动脉壁硬度评价系统中，推测血管直径与施加于血管壁的内外压力差之间的关系即压径特性曲线，并评价所述动脉壁硬度。另外，根据压力传感器所检测出的脉搏的形状以及振幅来推测，并对于所述动脉壁硬度进行评价。另外，根据检测出的脉搏，推测相对于内外压差而对压径特性曲线进行微分后所得的函数，并评价所述动脉壁硬度。另外，通过对所述经微分的压径特性曲线进行数值积分来推测压径特性曲线，来评价所述动脉壁硬度。另外，确定最佳地拟合于所述推测出的压径特性曲线的函数，使用此时确定的参数的值来评价所述动脉壁硬度。另外，使用反正切函数或S型函数(Sigmoid function)作为所述函数。另外，相对于体动等的突发性变动，通过使用如上所述的方法对动脉壁硬度的评价进行了健壮性处理。

本发明的其他目的、特征、以及优点，可通过以下所示的内容来充分地了解。另外，本发明的优点可通过参照附图的接下来的说明而变得明确。

附图说明

图1是对血管的内外压差进行说明的图。

图2是表示血管的压径特性曲线的例子的图。

图3是表示压径特性曲线根据血管的硬度而发生变化的例子的图。

图4是本发明的系统构成图。

图5是表示臂带压时间序列数据例的图。

图6是相对于时间序列的臂带压，表示通过带通滤波器之后的臂带压脉搏的图。

图7是表示臂带压脉搏时间序列中的一个臂带压脉搏区间的图。

图8是表示将低通滤波器应用于臂带内压时间序列数据之后的臂带压的图。

图9是表示臂带压脉搏反映血管直径的状态的图。图中的(A)以及(B)表示臂带压与血管直径之间的相互关系。

图10是血压脉搏与臂带压脉搏之间的关系的概念图。

图11是表示使用臂带压脉搏来推测血管的压径特性曲线的形态的图。

图12是表示臂带压脉搏振幅的图。

图13是表示臂带压脉搏的振幅与脉压之比，在血管的压径特性曲线的某区间中的平均斜率的推测值的图。

图14是表示求出各脉搏的脉搏管内的压径特性曲线的平均斜率时的状态的图。

图15是表示将任意的内外压差的压径特性曲线的微分值，表示为包含内外压差的全部脉搏区间的平均斜率的平均值的图。

图16是表示从作为已选取的臂带压脉搏的起点的局部最小值至最大值为止的区间的图。

图17是表示使用血压脉搏与臂带压脉搏的相应区间来构成曲线1的形态的图。

图18是表示使各曲线的起点齐集在X轴上来显示相当于所述曲线1的线段的例子的图。

图19是表示求出内外压差为P mmHg时的压径特性曲线的微分值的情况的图。

图20是最拟合于所获得的血管的压径特性曲线的反正切函数的例子。

图21是最拟合于所获得的血管的压径特性曲线的S型反正切函数的例子。

图22是表示本发明的实施方式的图。

具体实施方式

如上所述，本发明的课题在于：使得能够在普通家庭内，无需专业知识，任何人在任何时候都能容易并且精度良好地评价血管硬度。本发明的动脉壁硬度评价系统，包括：臂带，用于固定于活体的一部分；压力传感器，用于检测所述臂带内部的压力；臂带压控制单元，基于所述压力传感器的检测值进行控制，将臂带加压或减压至规定值；以及数据处理单元，基于所述压力传感器所检测出的脉搏来计算臂带压脉搏的振幅与血压脉搏的振幅，并基于该脉搏振幅来评价动脉壁硬度。

<实施例1>

例如，如图1所示，血管的直径取决于从血管内朝向血管外的压力与从血管外施加的压力之差(内外压差)以及血管的材料特性。此处定义为内外压差＝内压-外压。当内外压差为负时，即当外压高于内压时，血管直径变小；相反，当内外压差为正时，血管扩张。因此，若内外压差确定，则血管直径确定，所以可将血管直径表示为内外压差的函数。

血管直径可取的最大值存在极限。因此，若将血管的直径描绘为内外压差的函数，则例如成为如图2所示的S型函数曲线状。以下，将该函数曲线称为“血管的压径特性曲线”。

如上所述的血管的压径特性曲线反映血管壁组织的特性。例如，如图3所示，若构成血管壁的组织硬，则特性曲线的曲线变得缓和，若组织柔软，则曲线变得急锐。因此，在本发明中，通过推测血管的压径特性曲线来评价血管的硬度，而本发明的特征点就在于此。

为了推测所述特性曲线，可考虑采用各种方法，但也可按照如下所述的步骤来适当地进行推测。即在以下所述的方法中，为了推测所述特性曲线，使用臂带来进行测量。使用臂带的测量以往已广泛地被普通家庭所使用，其具有简单、无侵害并且廉价的优点。

图4表示使用臂带的本发明的简易型动脉壁硬度评价系统的功能模块图。如图4所示，在对整个系统进行控制的控制部中包括臂带压控制部，该臂带压控制部根据来自如下所述的压力传感器的信息而产生臂带压的加压或减压的控制信号。基于该臂带压控制部的设定，对送入用以压迫臂带的空气的泵进行控制，从而对固定于活体的一部分且进行加压或减压的臂带的压力进行控制。由压力传感器检测传递至该臂带的脉搏。如上所述，通过该压力传感器来控制臂带压，并且基于压力传感器所检测出的脉搏进行如下所述的处理，例如计算脉搏振幅、评价血管壁硬度等。

当使用所述系统来实际地评价动脉壁硬度时，首先将臂带例如固定于人体的上臂等人体的一部分。然后将泵予以驱动，使臂带的内压逐步升高，并且依次测量臂带的内压。此时的取样频率例如设为1000Hz左右。一面由压力传感器检测实际的压力，一面将空气注入至臂带，加压至稍高于人的最高血压的程度为止。此时的目标压力的参考数值大致为200mHg左右。

达到目标压力之后，排出臂带内的空气，以一定的速度进行减压。减压的速度设为在减压过程中能够记录足以供分析的次数的跳动的速度。实际上，以大致3mmHg/秒左右的减压速度为参考。图5表示记录了如上所述的加压以及减压的动作的臂带内压的时间序列数据。

以下，主要将臂带的收缩压力假想为施加于血管壁的外压。因此，以下将施加于血管壁的内外压差视作血压与臂带压之差。将带通滤波器应用于以所述方式记录的臂带内压时间序列数据，选取脉搏成分之后，例如获得如图6所示的臂带脉搏数据。在这里，通过将频带大致设为0.5Hz～10Hz。以下，将其称为“臂带压脉搏时间序列”。另外，例如将如图7所示的臂带压脉搏时间序列中，从局部最小值至下一个局部最小值为止的区间称为一个臂带压脉搏。因此，臂带压脉搏时间序列涉及多个臂带压脉搏。

将低通滤波器应用于以所述方式记录的臂带内压时间序列数据，例如选取如图8所示的臂带压的基准线。此时，阻断频率设为0.5Hz左右。以下，将其称为“臂带压基准线时间序列”。在本发明中，使用以所述方式选取的脉搏成分中，在臂带的减压过程中所记录的臂带压脉搏，来推测血管的压径特性曲线。

如图9的(A)以及图9(B)所示，臂带压脉搏反映血管直径。当外压固定时，若血压上升，则施加于血管壁的内外压差向正的方向变大，血管直径扩大，血管体积增加。此时，由于臂带的外侧被不易伸缩的素材覆盖，因此，如上所述的血管体积的增加会对臂带加压，结果使臂带内压上升。相反地，血压的下降与血管直径的缩小以及臂带压的下降相关联。

例如，如图10所示，如上所述的臂带压脉搏的大小、形状与内外压差可通过血管的压径特性曲线而建立关系。此时，在不同的外压的影响下，即使是伴随同一血压的变化的脉搏，也会被测量为不同大小的臂带压脉搏。例如，在图10中，外压大时产生的血压脉搏1被测量为臂带压脉搏1。外压小时产生的血压脉搏2被测量为臂带压脉搏2。

此处，只有血压脉搏与臂带压脉搏是可测量的量，内外压差也是已知的。但是，由于血管的压径特性曲线未知，因此，在所述图10中，无法决定各臂带压脉搏的纵轴方向的位置。因此，无法根据血压脉搏以及臂带压脉搏来直接推测血管的压径特性曲线。

因此，在本发明中已提出例如，如图11所示，为了使用臂带压脉搏来推测血管的压径特性曲线，采用以下的步骤。首先，根据臂带压脉搏，推测相对于内外压差来对血管的压径特性曲线进行微分后所得的曲线。以下将该曲线称为微分压径特性曲线。接着，通过对微分压径特性曲线进行数值积分，来推测血管的压径特性曲线。

作为推测如上所述的微分压径特性曲线的方法，可考虑如以下所示的两种方法。

方法1：

首先求出已选取的臂带压脉搏的振幅。例如，如图12所示，将从臂带压脉搏的起点(局部最小值)至最大值点为止的高度设为振幅。以某臂带压脉搏的振幅与脉压(＝收缩压与舒张压之差)之比，作为血管的压径特性曲线的某区间中的平均斜率的推测值。

图13表示此时的例子。某内外压差施加于血管时产生的血压脉搏1，被测量为反映血管的压径特性曲线的臂带压脉搏1。使用臂带压脉搏的振幅与脉压，在压径特性曲线上构成线段1。线段1的斜率，与构成线段1的区间中的压径特性曲线的平均斜率一致。以下，将该区间称为相对于所述脉搏的脉搏区间。各脉搏区间的宽度与脉压一致。同样地，求出各脉搏的脉搏区间内的压径特性曲线的平均斜率。

图14中表示了使各线段的起点齐集在X轴上来显示相当于各脉搏的图13中的线段1的线段。将任意的内外压差P mmHg的压径特性曲线的微分值，定义为包含内外压差P的全部脉搏区间的平均斜率的平均值。

作为例子，在图15中表示求出内外压差为P mmHg时的压径特性曲线的微分值的情况。此处，脉搏区间1、2、3是包含内外压差P的脉搏区间。以斜率1、斜率2、斜率3的平均值，求出压径特性曲线的内外压差P的微分值。使用所述方法，求出相对于各种内外压差的值的血管的压径特性曲线的微分值。由此推测微分压径特性曲线。

方法2：

例如，如图16所示，考虑从作为已选取的臂带压脉搏的起点的局部最小值至最大值为止的区间。该区间对应于从血压脉搏的舒张压至收缩压为止的过程。如图17所示，使用血压脉搏1、臂带压脉搏1的相应区间构成曲线1。可将曲线1视为推测血管的压径特性曲线的一部分的曲线。图18表示使各曲线的起点齐集在X轴上来显示相当于各脉搏的所述图17的曲线1的线段。

利用如下的方法求出任意的内外压差P mmHg的压径特性曲线的微分值。首先，计算由包含内外压差P的全部脉搏区间所构成的曲线的P附近的斜率。接着，计算这些斜率的平均值。将该斜率的平均值设为内外压差P的压径特性曲线的微分值。图19表示求出内外压差为P mmHg时的压径特性曲线的微分值的情况的例子。

在所述例子中，包含内外压差P的脉搏区间为三个区间，在各脉搏区间中构成的曲线为曲线1、曲线2、曲线3。内外压差P的曲线1、曲线2、曲线3的斜率分别为斜率1、斜率2、斜率3。以斜率1、斜率2、斜率3的平均值，求出压径特性曲线的内外压差P的微分值。根据所述方法，同样地求出相对于其他内外压差的值的血管的压径特性曲线的微分值。由此推测微分压径特性曲线。

以所述方式获得微分压径特性曲线之后，计算该微分压径特性曲线的数值积分，求出压径特性曲线。可利用以上的方法推测血管的压径特性曲线。

为了根据如上所述的血管的压径特性曲线来评价血管壁硬度，在本发明中，确定最拟合于推测出的血管的压径特性曲线的函数，使用此时所确定的参数的值来进行评价。作为评价的方法，可考虑如下所述的两种方法。但是，同样可考虑进一步使用各种函数的方法。

方法1：

例如以图20的方式求出最拟合于获得的血管的压径特性曲线的反正切函数。此时所使用的数学式为：

(数学式1)

g(x)＝A·arctan(B·x+C)+D

使用根据该函数的拟合而确定的参数的值来评价动脉硬化度。此时，例如可判断为若B小，则血管壁硬，若B大，则血管壁柔软。

方法2：

方法2：

例如以图21的方式求出最拟合于获得的血管的压径特性曲线的S型函数。

此时所使用的数学式为：

(数学式2)

$g\left(x\right)=\frac{A}{1+\exp (-B\&CenterDot;x+C)}+D$

。使用根据该函数的拟合性而确定的参数的值来评价动脉硬化度。此时，例如可判断为若B小，则血管壁硬，若B大，则血管壁柔软。

本发明中提出的所述动脉壁硬度评价方法，由于以下的三个理由，对于体动等突发性的变动其系统特性稳定并且具有健壮性。其中，第一理由是因为在推测微分压径特性曲线时，综合了多个脉搏信息。另外，第二理由是为了推测压径特性曲线而进行的微分压径特性曲线的数值积分计算，发挥了低通滤波器的作用。此外，第三理由是因为为了评价血管壁硬度而进行的对于压径特性曲线的函数拟合性的计算，有助于除去干扰要素。

如上所述，本发明使用以往在血压测定中得到广泛使用的臂带，在普通家庭中也可例如以图22所示的方式容易地评价动脉壁硬度。

另外，本发明可在普通家庭内，无需专业知识，任何人在任何时候都能能够容易地对血管硬度进行评价，与以往的类似技术相比，可以以更好的精度评价血管硬度。

也就是说，根据本发明，只要与血压测定同样地对缠绕于上臂部的臂带进行加压或减压，便也可在家庭中容易地评价血管硬度。因此，可在任何地方、任何时候由任何人容易地评价上臂动脉硬度，以预防会引发心脏病或脑血管疾病等的动脉硬化，本发明能够提供从预防医学的观点而言重要的技术。

发明的详细说明的项目中的具体实施方式或实施例仅为了使本发明的技术内容变得明确，不应狭隘地解释成仅限定于此种具体例，且可在本发明的精神与上文所揭示的权利要求范围中，进行各种变更而加以实施。

Claims (2)

1.一种动脉壁硬度评价系统，其特征在于包括：

臂带，用于固定于活体的一部分；

压力传感器，用于检测所述臂带内部的压力；

臂带压控制单元，基于所述压力传感器的检测值进行控制，将臂带加压或减压至规定值；以及

数据处理单元，基于所述压力传感器所检测出的脉搏来计算臂带压脉搏的振幅与血压脉搏的振幅，并且基于该脉搏振幅来评价动脉壁硬度，

所述动脉壁硬度的评价，是根据检测出的脉搏，推测相对于内外压差而对压径特性曲线进行微分后所得的函数来进行评价的，所述压径特性曲线表示血管直径与施加于血管壁的内外压力差之间的关系。

2.根据权利要求1所述的动脉壁硬度评价系统，其特征在于：

所述动脉壁硬度的评价，是通过对经微分的压径特性曲线进行数值积分，来推测压径特性曲线并进行评价的。