CN103479343B - 基于振荡式血压计信号的中心动脉压检测系统 - Google Patents

Abstract

一种生物医疗信息处理技术领域的基于振荡式血压计信号的中心动脉压检测系统及方法，该系统包括：信号采集模块、压力波分解模块、相位迁移模块和重构计算模块；将左上臂血压计在高袖带工作压条件下测得的震荡波信号放大获得肱动脉血压波的近似值，并将肱动脉血压波分解为前传、后传两个血压波分量，然后将肱动脉的前传和后传血压波分量进行相位迁移得到锁骨下动脉入口处中心动脉的前传和后传血压波分量；再通过合成中心动脉前传、后传血压波分量来重构中心主动脉血压波，并进行波解析，计算中心动脉的收缩压、舒张压和脉动压。本发明快速无创地估测中心动脉压，并且信号处理过程更充分地考虑患者的个体因素，从而获得更加准确的检测结果。

Description

基于振荡式血压计信号的中心动脉压检测系统

技术领域

本发明涉及的是一种生物医疗信息处理技术领域的系统及方法，具体是一种通过处理振荡式血压计信号来无创估测中心动脉压的系统及方法。 

背景技术

中心动脉压是诊断患者是否患有高血压及其严重程度，以及监测药物治疗效果的金标准，同时也是心血管结构损伤、病变和临床预后的强预测因子，在临床上具有重要的意义。 

然而，中心动脉压不能通过无创方法直接测得。目前在临床上测量中心动脉压的方法主要有直接测量法和间接测量法。直接测量法采用左心导管直接测量升主动脉血压，这种方法测量结果准确，并可提供血压波形的连续记录，但属于创伤性的方法，而且价格昂贵，技术要求较高，不适用于对普通患者的检测和对大量人群的长期随访以及动态监测。间接测量法通常通过分析颈动脉或桡动脉等外周血管的脉搏波来无创地估测中心动脉压，根据具体的分析手段可分为替代法、目测法以及合成法三种方法。替代法用颈动脉压力波近似替代升主动脉压力波，但由于中心动脉与颈动脉间脉波传递现象的存在，估测误差一般较大；目测法通过目测桡动脉压力波的迟发收缩期波形改变来分析中心动脉压，属于半定量法，对中心动脉压的定量化测量价值有限；合成法的基本原理是通过传递函数转换触压式压力探头测得的桡动脉压力波来合成中心动脉压力波，但其潜在缺点是中心动脉压的校准取决于桡动脉压测量的精确程度，同时受压力采集器的工作压力影响较大，并且对检查部位的选择要求十分严格。另外，虽然多数现存方法在基于大量人群的统计学研究中体现出一定的可行性，但对具体受检者个体的测量精度仍不明确。鉴于存在的各种问题，这些测量方法目前在临床上仍没有普及。 

近年来，研究人员提出了一些新的中心动脉压无创测量方法。专利文献US20090287097提出利用振荡法血压计在高工作压状态下(高于肱动脉收缩压)测量上臂肱动脉压力波来估测中心动脉压的方法。但是该技术中仅指出血压计袖带工作压力高于收缩压，未对袖带的具体工作压力有明确的说明，血压计袖带下的上臂肱动脉部分闭锁，造成该处的压力波反射系数为0～1之间的某一数值，引入测量结果的不确定误差较大。此外，在该技术中，上臂肱动脉闭锁处与锁骨下中心动脉间的压力波传播时间采用由人群样本统计得到的平均数，无法真实反映受检者的个体差异。专利文献WO2011138683A2提出了基于肱动脉压力波，运用转换函数估测中心动脉压的构想，但其采用的转换函数结构复杂，而且对中心动脉压力波重构有时间及波形范围等限制，使其准确性和实用性有待验证。此外，部分无创测量中心动脉压的仪器已在小范围临床 研究中得到了初步应用，主要有日本的欧姆龙HEM-9000AI和澳大利亚的SphygmoCor。这两种仪器都是通过分析在外周血管测量的血压及脉搏波来估测中心动脉压，但相关临床研究发现，HEM-9000AI测量的中心动脉收缩压较真实中心动脉收缩压高；相反，SphygmoCor测得的中心动脉收缩压偏低。虽然对数据进一步分析发现两者的测量结果高度相关，但是两种设备的测量结果存在明显差异的原因仍不清楚。另外，HEM-9000AI和SphygmoCor的设计、校准和验证以人群统计学数据为基础，患者个体化测量的精确性和可靠性也有待考证。 

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101513344，公开日2009-08-26，公开一种用于改进无创血压估计的自适应频域滤波，该技术包括用于处理来自多个压力步幅38a-u的示波数据以确定患者血压的系统10。连接到患者14的心率监视器32获得患者的心率。时域到频域转换器54接收示波数据并将示波数据转换到频域。谐波频率计算器68连接到心率监视器32并至少推导出心率基频。滤波器62连接到时域到频域转换器54以及谐波频率计算器68，其产生滤波器频域示波信号。重构计算器70接收已滤波频域示波信号并重构时域示波信号。该技术虽然可以通过改进滤波处理并引入心率信息提高外周动脉血压测量的稳定性和可靠性，但无法利用血压计在外周血管所测示波信息估测中心动脉压。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于振荡式血压计信号的中心动脉压检测系统及方法，通过解析和转换函数对信号进行分析处理，从而快速无创地估测中心动脉压，并且信号处理过程更充分地考虑患者的个体因素，使患者个体化测量的精确性相对于现存方法有了进一步的提高，从而获得相比现有技术更加准确的个体化检测结果。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

本发明涉及一种基于振荡式血压计信号的中心动脉压检测系统，包括：信号采集模块、压力波分解模块、相位迁移模块和重构计算模块，其中：信号采集模块与振荡式血压计相连接并采集由血压计测得的肱动脉血压、袖带振荡波以及中心动脉到血压计袖带前缘的压力波传播时间的数字信号；压力波分解模块与信号采集模块相连接并对袖带振荡波信号进行放大处理得到肱动脉血压波的近似值，并将肱动脉血压波分解为前传和后传两个血压波分量；相位迁移模块与压力波分解模块以及信号采集模块相连接，根据中心动脉到血压计袖带前缘的压力波传播时间的数字信号分别迁移肱动脉前、后传血压波分量的相位，得到中心动脉的前、后传血压波分量；重构计算模块与相位迁移模块和信号采集模块相连，根据肱动脉平均血压和中心动脉的前、后传血压波分量进行重构处理，得到中心动脉血压波，并根据重构的中心动脉血压波计算中心动脉的收缩压、舒张压和脉动压后输出结果。 

所述的肱动脉血压包括：收缩压、舒张压、平均压和脉动压。 

本发明涉及一种基于振荡式血压计信号的中心动脉压检测方法，包括以下步骤： 

1)将上臂血压计在高袖带工作压（肱动脉收缩压40mmHg以上）条件下输出的振荡波放大至肱动脉血压尺度，估测肱动脉血压波； 

2)根据高袖带工作压条件下肱动脉几乎被完全闭锁这一特点，也即袖带下肱动脉的血流量接近于零这一条件，将肱动脉血压波分解为前传、后传两个血压波分量； 

3)通过解析血压计振荡波的波形特征，计算锁骨下动脉入口处中心动脉到袖带前缘下方肱动脉闭锁处的波传播时间，并根据波传递原理，将肱动脉的前传和后传血压波分量进行相位迁移，得到锁骨下动脉入口处中心动脉的前传和后传血压波分量； 

4)通过合成中心动脉前传、后传血压波分量来重构中心主动脉血压波，并进行波解析，计算中心动脉的收缩压、舒张压和脉动压。 

技术效果 

与现有技术相比，本发明的优点在于：1）与现存有创直接测量法比较，测量过程利用无创血压计，操作简单、快速，对测量环境和施测者的技术素质要求低，对受检者不造成任何伤害或不适，易于被受检者接受；2）与现存无创间接测量法比较，所采用的解析方法及转换函数更充分地利用受检者的个体信息，从而进一步提高了个体化测量的精确性和可靠性。 

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。 

图2为实施例流程示意图。 

图3为血压计在高工作压(肱动脉收缩压40mmHg以上)条件下的典型振荡波。 

图4为中心动脉收缩压实际值与估测值的关系（皮尔逊相关系数R=0.994）。 

图5为中心动脉舒张压实际值与估测值的关系（皮尔逊相关系数R=0.998）。 

具体实施方式

当上臂血压计的袖带工作压高于肱动脉收缩压40mmHg以上时，血压计的振荡波及肱动脉血流表现出下述特征：（1）血压计振荡波与袖带前缘处的肱动脉血压波的波形相似；（2）袖带下方的肱动脉几乎被完全闭锁，即通过袖带下肱动脉的血流被阻断；（3）血压计振荡波形上呈现两个收缩期峰值，两个峰值间的时间间隔与中心主动脉到肱动脉闭锁处的波传播时间密切相关。下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

实施例1 

如图1所示，本实施例基于振荡式血压计信号的中心动脉压检测系统，包括：信号采集模块、压力波分解模块、相位迁移模块和重构计算模块，其中： 

信号采集模块与置于受检者左上臂的振荡式血压计相连接并采集由血压计测得的肱动脉血压、袖带振荡波以及中心动脉到血压计袖带前缘的压力波传播时间的数字信号； 

压力波分解模块与信号采集模块相连接并对袖带振荡波信号进行放大处理得到肱动脉血压波的近似值，并将肱动脉血压波分解为前传和后传两个血压波分量； 

相位迁移模块与压力波分解模块以及信号采集模块相连接，根据中心动脉到血压计袖带前缘的压力波传播时间的数字信号分别迁移肱动脉前传血压波和后传血压波的相位，得到中心动脉的前、后传血压波分量； 

重构计算模块与相位迁移模块和信号采集模块相连，根据肱动脉平均血压和中心动脉的前、后传血压波分量进行重构处理，得到中心动脉血压波，并根据重构的中心动脉血压波计算中心动脉的收缩压、舒张压和脉动压后输出结果。 

所述的肱动脉血压包括：收缩压、舒张压、平均压和脉动压。 

如图2所示，本实施例系统通过以下步骤实现检测： 

步骤1：获得受检者左上臂肱动脉的收缩压、舒张压、脉动压和平均压（可使用自动血压计或水银血压计测量）。 

步骤2：如图2所示，在血压计袖带气囊压力达到高于肱动脉收缩压40mmHg以上条件，提取血压计振荡波的数字信号。 

步骤3：根据特征（1），将在步骤2中提取的血压计振荡波按比例放大至与步骤1中获得的肱动脉平均压和脉动压数量级相同，从而估测肱动脉血压波。 

步骤4：将在步骤3中得到的肱动脉血压波分解为前传与后传两个波分量。这里，波的分解针对血压波的脉动部分，首先需要对肱动脉血压波的时变函数进行傅立叶级数分解，然后对每个谐波在频域内按如下公式进行解析。 

${\tilde{P}}_{\mathrm{br},f,n}=\frac{{\tilde{P}}_{\mathrm{br},n}+Z_c{\tilde{Q}}_{\mathrm{br},n}}{2},---\left(1\right)$

${\tilde{P}}_{\mathrm{br},f,n}=\frac{{\tilde{P}}_{\mathrm{br},n}+Z_c{\tilde{Q}}_{\mathrm{br},n}}{2}.---\left(2\right)$

其中：和分别指示肱动脉脉动压和脉动流的第n次谐波，n是第n次谐波的频率相对基础（也即第一个）谐波频率的倍数，通常取值和是的前传和后传波分量；Z_c是肱动脉的特征阻抗。根据特征（2），设公式(1)和(2)可简化为： 

${\tilde{P}}_{\mathrm{br},f,n}=\frac{{\tilde{P}}_{\mathrm{br},n}}{2},---\left(3\right)$

${\tilde{P}}_{\mathrm{br},f,n}=\frac{{\tilde{P}}_{\mathrm{br},n}}{2}.---\left(4\right)$

也就是说，可以被分解为两个等价的前传和后传压力波分量。 

步骤5：基于特征（3），计算在步骤2中得到的血压计振荡波上两个收缩期波峰间的时间差（Δt_p），如图3中所示，Δt_p=t_p2-t_p1，并根据中心动脉与肱动脉闭锁处之间的波传播/反射特征，估测其单程波传播时间(Δt)为： 

Δt≈Δt_p/4                   (5) 

步骤6：利用步骤5中得到的从中心动脉到肱动脉闭锁处的波传播时间(Δt)，对步骤4中得到的肱动脉前、后传血压波分量进行相位迁移，推导左侧锁骨下动脉入口处中心动脉的前、后传血压波分量。其中：中心动脉血压波的推导依据波的传递理论，其数学公式表达如下： 

${\tilde{P}}_{\mathrm{ao},f,n}={\tilde{P}}_{\mathrm{br},f,n}{e}^{{\mathrm{jn\ω}}_0\mathrm{\Δt}},---\left(6\right)$

${\tilde{P}}_{\mathrm{ao},b,n}={\tilde{P}}_{\mathrm{br},b,n}{e}^{-{\mathrm{jn\ω}}_0\mathrm{\Δt}}.---\left(7\right)$

其中：和分别表示中心动脉前、后传血压波分量的第n次谐波；ω₀是基准角速度(=2πf₀)，其中f₀是第一个谐波(心率)的频率。 

步骤7：通过合成在步骤6中得到的中心动脉压的前、后传血压波分量，重构中心主动脉血压波。这里，首先对每个频率的谐波进行合成，得到中心动脉压的第n个谐波

${\tilde{P}}_{\mathrm{ao},n}={\tilde{P}}_{\mathrm{ao},f,n}+{\tilde{P}}_{\mathrm{ao},b,n}.---\left(8\right)$

然后通过傅立叶级数逆变换在时域空间叠加所有谐波，并加上平均血压，得到中心主动脉压的时变函数 

其中：P_ao(t)表示时变中心动脉血压；t为时间（取值0～T，T为心动周期）；是中心动脉的平均血压；是n次谐波的相位角，k表示谐波的最大角频率倍数（通常取值50～100）。这里，我们设从中心动脉到肱动脉闭锁处的血流粘性压力损失可忽略不计，也就是说中心动脉的平均血压与步骤1中测得的肱动脉平均血压相同。 

步骤8：对在步骤7中得到的中心主动脉血压波进行解析，得到中心动脉的收缩压、舒张压和脉动压等指标。 

步骤9：向可视化终端或打印机输出中心动脉的收缩压、舒张压和脉动压等估测结果。 

有效性验证： 

1)计算模型：为了检验本实施例中的中心动脉压估测方法的有效性，我们建立了人体血液循环系统与上臂血压计的多尺度耦合计算模型，该模型不仅可以合理地描述动脉系统内的压力波传播/反射现象、血压计袖带与上臂肱动脉的力学相互作用原理以及血压计振荡波的产生过程等，而且可以模拟多种生理条件，使我们可以检验多种生理条件下中心动脉压的估测值与真实值的相关性，并定量地评价估测误差的变化范围。 

2)计算条件：本方法考虑了与老化和动脉硬化等密切相关的四种心血管特性，分别为中心动脉硬化度、肱动脉硬化度、外周血管总阻抗和心动周期。在模拟计算中，对这些心血管特性对应的模型参数(β_ao:中心动脉硬化度系数，β_br：肱动脉硬化度系数，R_sys：系统血管阻力，T：心动周期)值分别在生理范围内进行阶梯式调整(其变化范围在表格1中给出)。这里，每个参数的值分为四个等级。β_ao，0，β_br，0和R_sys，0作为β_ao，β_br和R_sys的初始值，描述健康年轻成年人的心血管功能状态。通过对不同参数进行组合，共模拟了4⁴=256个生理状态，得到了256组数据。 

表1参数变化范围 

	等级1	等级2	等级3	等级4
					βao／βao，0	1.0	2.0	3.0	4.0
βbr／βbr，0	1.0	1.4	1.8	2.2
					Rsys／Rsys，0	1.0	1.1	1.2	1.3
T(秒)	1.0	0.9	0.8	0.7

3)测量误差评估：在每组模拟计算后，将估测的中心动脉压与真实的中心动脉压在收缩压、舒张压和脉动压方面进行比较，误差分别用E_sys，E_dia和E_pul表示。 

图4表示中心动脉收缩压实际值与估测值的关系，结果表明，两者高度相关（R=0.994）。图5表示中心动脉舒张压实际值与估测值的关系，结果表明，两者高度相关（R=0.998）。 

基于256组模拟对E_sys，E_dia和E_pul进行评估得到的统计学结果为：E_sys，6.58±1.87mmHg(平均值±标准差)；E_dia，-0.22±0.78mmHg；E_pul，6.80±2.06mmHg，所有误差均符合血压测量容差的国际标准。 

Claims (2)

1.一种基于振荡式血压计信号的中心动脉压检测系统，其特征在于，包括：信号采集模块、压力波分解模块、相位迁移模块和重构计算模块，其中：信号采集模块与振荡式血压计相连接并采集由血压计测得的肱动脉血压、袖带振荡波以及中心动脉到血压计袖带前缘的压力波传播时间的数字信号；压力波分解模块与信号采集模块相连接并在袖带处于高工作压条件下对袖带振荡波信号进行放大处理得到肱动脉血压波的近似值，并将肱动脉血压波分解为前传和后传两个血压波分量；相位迁移模块与压力波分解模块以及信号采集模块相连接，根据中心动脉到血压计袖带前缘的压力波传播时间的数字信号分别迁移肱动脉的前传和后传血压波分量的相位，得到中心动脉的前、后传血压波分量；重构计算模块与相位迁移模块和信号采集模块相连，根据肱动脉平均血压和中心动脉的前、后传血压波分量进行重构处理，得到中心动脉血压波，并根据重构的中心动脉血压波计算中心动脉的收缩压、舒张压和脉动压后输出结果； 

所述的肱动脉血压包括：收缩压、舒张压、平均压和脉动压； 

所述的肱动脉血压波分解为前传和后传两个血压波分量通过以下方式得到：对肱动脉血压波的时变函数进行傅立叶级数分解，然后对每个谐波在频域内按如下公式进行解析： 

其中：和分别指示肱动脉脉动压和脉动流的第n次谐波，n是第n次谐波的频率相对基础，即第一个谐波频率的倍数，和是的前传和后传成分；Z_c是肱动脉的特征阻抗； 

所述的袖带处于高工作压是指：肱动脉收缩压40mmHg以上的条件，当则上式进一步去简化为： 

即被分解为两个等价的前传和后传压力波分量； 

所述的中心动脉到血压计袖带前缘的压力波传播时间的数字信号通过以下方式得到：根据血压计振荡波上两个收缩期波峰间的时间差：Δt_p＝t_p2‐t_p1，并根据中心动脉与肱动脉闭锁处之间的波传播/反射特征，估测锁骨下中心动脉到袖带前缘下方肱动脉闭锁处的波传播时间Δt≈Δt_p/4； 

所述的中心动脉的前、后传血压波分量通过以下方式得到：利用锁骨下中心动脉到袖带前缘下方肱动脉闭锁处的波传播时间Δt，对肱动脉前、后传血压波分量进行相位迁移，得到左侧锁骨下动脉入口处中心动脉的前传后传血压波分量分别为 

其中：和分别表示中心动脉前、后传血压波分量的第n次谐波；ω₀是基准角速度，即2πf₀，f₀是第一个谐波的频率，即心率； 

所述的重构的中心动脉血压波通过以下方式得到：通过合成中心动脉的前传和后传血压波分量，重构中心主动脉血压波，具体步骤为： 

首先对每个频率的谐波进行合成，得到中心动脉压的第n个谐波

然后通过傅立叶级数逆变换在时域空间叠加所有谐波，并加上平均血压得到中心主动脉压的时变函数：

其中：P_ao(t)表示时变中心动脉血压；t为时间，取值0～T，T为心动周期；是中心动脉的平均血压，设从中心动脉到肱动脉闭锁处的血流粘性压力损失忽略不计，与肱动脉平均血压相同；是n次谐波的相位角，k表示谐波的最大角频率倍数。 

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的谐波的最大角频率倍数k取值50～100。