CN105877723A - 无创连续血压测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无创连续血压测量装置，包括：信号获取模块，其用于采集经过人体指端吸收后的透射光强度信号；信号预处理模块，其对所述透射光强度信号进行信号预处理，得到血液容积波PPG信号；信号处理模块，其接收所述PPG信号，并对所述PPG信号进行逐拍分割，将每一拍所述PPG信号从时域变换到频域，在变换到频域后的所述PPG信号上选取若干组幅值和相位，将经选取后的若干组幅值和相位传送入预设神经网络中进行计算，得到血压值，并显示在所述信号处理模块自带的显示屏上。本发明解决了脉搏波测量法中信息量不够以及非线性问题导致的血压测量精确度不高的技术问题。

Description

无创连续血压测量装置

技术领域

本发明涉及一种血压测量装置，更具体地说，本发明涉及一种无创连续血压测量装置。

背景技术

高血压能够引发心脏病，主动脉瘤，中风，周边血管疾病，慢性肾病等，具有高死亡风险，今年来其发病率呈持续上升趋势，给国家和个人带来了严重的经济负担。管理高血压行之有效的方法就是持续监控，但是情绪波动，体力活动和睡眠均能够对血压产生影响，有超过50％的病人没有得到有效的管理，因此亟需一种能够无创快速连续测量血压的装置，以避免严重的并发症发生。光电连续血压测量方法成本低，并能够连续测量血压，是适合家庭和个人使用的方法，但是目前市场上存在的光电连续血压测量装置存在一定问题。

光电连续血压测量硬件一般有两种设计方案。一种是脉搏波和心电结合的装置，可以测量逐拍血压，但是需要连接心电模块，成本高，且心电信号和心脏搏动之间存在时间差，精度不够，且硬件成本高。另一种方案只测量脉搏波，如专利号CN103637789B，专利名为血压实时测量装置，需要两个脉搏波感应模块，通过计算时间差来推算血压，但是由于获得的信息量小，无法对信号进行优化处理，因而精度不够。压力传感器装置能够测量连续血压，但需要大力压迫血管，佩戴非常不舒适，不能够长时间使用。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种无创连续血压测量装置，基于单个传感器的测量装置，通过分析逐拍完整波形，解决了脉搏波测量法中信息量不够以及非线性问题导致的血压测量精确度不高的技术问题，提升了无创血压测量的精度，且对血管压迫很小，佩戴舒适。且血压测量装置的硬件成本与现有高档家用血压计持平，体积却仅有拇指大小，是可随身携带的智能血压设备。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种无创连续血压测量装置，包括：

信号获取模块，其用于采集经过人体指端吸收后的透射光强度信号；

信号预处理模块，其对所述透射光强度信号进行信号预处理，得到血液容积波PPG信号；

信号处理模块，其接收所述PPG信号，并对所述PPG信号进行逐拍分割，将每一拍所述PPG信号从时域变换到频域，在变换到频域后的所述PPG信号上选取若干组幅值和相位，将经选取后的若干组幅值和相位传送入预设神经网络中进行计算，得到血压值，并显示在所述信号处理模块自带的显示屏上。

优选的，所述信号获取模块套设在人体指端上，所述信号获取模块上设置有光源激发器和接收所述透射光强度信号的接收传感器，所述接收传感器与所述信号预处理模块连接。

优选的，所述光源激发器上设置有三个不同波长的光源，每个光源轮流通过入射光纤照射在手指上，所述接收传感器配置为均匀排列的光电二极管阵列，所述光电二极管之间的间距在0.5mm～1.3mm，所述光电二极管阵列接收所述透射光强度信号，并输出最大光强点信号作为计算所述PPG信号的信号来源。

优选的，所述信号获取模块上还设置有位置传感器，其用于根据所述信号获取模块佩戴位置的高度变化来对血压进行纠正。

优选的，所述信号预处理模块包括依次连接的采样器、低通滤波器、放大器以及噪声滤波器，所述采样器以500Hz的采样率采集所述光电二极管阵列的输出的原始电子信号。

优选的，所述低通滤波器以11Hz为截止频率对所述原始电子信号进行整形；所述放大器的增益为固定值，根据个人特征自动在若干个备选值之间选取。

优选的，所述PPG信号经过A/D转换模块转换后通过数据传输模块实时传送到所述信号处理模块中，所述数据传输模块为无线传输模块或有线传输模块，所述无线传输模块的传输方式为蓝牙传输、红外传输以及射频传输中的至少一种，所述信号处理模块佩戴在手腕上。

优选的，所述信号处理模块中设置包含有已知高质量血液容积波波形的数据库，所述信号处理模块对进行逐拍分割后的每一拍所述PPG信号进行初步筛选，将每一拍所述PPG信号与所述数据库中的已知血液容积波波形进行匹配，若没有匹配成功或得出的心跳的脉搏周期在0.3s～3s之外，则将该拍所述PPG信号丢弃，进行下一拍所述PPG信号的初步筛选。

优选的，所述信号处理模块对初步筛选后的每一拍所述PPG信号进行有限傅里叶变换，将每一拍所述PPG信号从时域变换到频域，在频域0～10Hz的分量上选取10组幅值和相位值，将该10组幅值和相位值传送到预设的神经网络中进行计算，得出拟合后的血压值，通过拟合后的血压反推判断原始每一拍所述PPG信号的数据质量，若拟合后收缩压高于250mmHg、或低于80mmHg、或舒张压低于20mmHg、或收缩压和舒张压的差异大于20mmHg，则将该拍所述PPG信号对应的计算数据丢弃；若拟合后血压不符合医学常识，则丢弃该时间段的血压信息；最后计算得到有效的平均收缩压和舒张压，并将收缩压和舒张压上传至服务器进行储存。

优选的，所述血压测量装置设置有单次测量和连续测量模式，选择单次测量模式后，则连续对稳定后PPG信号测量30s，所述信号处理模块根据测量值输出血压值；选择连续测量模式后，则连续对稳定后PPG信号进行测量直至用户按停止键，所述信号处理模块根据测量值每10分钟输出一个平均血压值。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明为连续无创血压测量装置，硬件成本与现有高档家用血压计持平，体积却仅有拇指大小，可随身携带，市场潜力巨大；

2、只采用单个位置的传感器，通过高速记录血液容积波完整波形来推算血压，简化了整个测量装置；

3、本发明的测量装置采用至少三个波长的光源，计算血液容积波时考虑血液含水量影响，测量过程更加精确；

4、对PPG信号进行归一化处理，优化了数据处理过程，并在芯片设计上优化滤波器的设置，优化芯片结构；

5、采用有限傅里叶分析的方式提取关键特征，进行逐拍血压计算，同时，采用神经网络算法消除测量的非线性影响，对拟合精度进行大幅提升。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为血压测量装置的结构示意图；

图2为血压测量装置测量模式的示意图；

图3为信号处理过程的流程示意图；

图4为所述信号获取模块的结构示意图；

图5为时域上一拍所述PPG信号的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-5所示，本发明提供一种无创连续血压测量装置，包括：依次连接的信号获取模块、信号预处理模块以及信号处理模块。

其中，信号获取模块，其用于采集经过人体指端吸收后的透射光强度信号，所述信号获取模块套设在人体指端上，所述信号获取模块上设置有光源激发器和接收所述透射光强度信号的接收传感器，所述接收传感器与所述信号预处理模块连接，发明设计的基于单个传感器的测量装置，利用高速指端光电传感器,检测经过人体组织吸收后的反射光强度的不同,描记出血管容积在心动周期内的变化,从得到的脉搏波形中计算出血压。

具体的，所述光源激发器上设置有三个不同波长的稳定光源，波长分别为λ₁,λ₂,λ₃，每个光源单独驱动，其中两个光源可以设置为近红外光源，一个光源设置为红外光源，每个光源轮流通过入射光纤照射在手指上，便于对血红蛋白含量和组织含水量进行测量。光源采用两个以上波长，例如660nm，940nm和1000nm，多光源测量不仅可以对血红蛋白含量进行标定，还可以对水的含量进行测算，对血液的各成分都进行测量，可以准确得出容积波。普通脉搏血氧仪只有一到两个波长，不对水含量进行标定，导致测量精度无法提高。所述接收传感器配置为均匀排列的光电二极管阵列，间距为1mm左右，本实施例中，所述光电二极管之间的间距在0.5mm～1.3mm，所述光电二极管阵列接收所述透射光强度信号，均匀排列的光电二极管阵列用于决定最大光强点max(I₁,I₂,I₃)，并输出最大光强点信号作为计算所述PPG信号的信号来源。

信号预处理模块，其对所述透射光强度信号进行信号预处理，得到血液容积波PPG信号。具体的，所述信号获取模块上还设置有位置传感器，其用于根据所述信号获取模块佩戴位置的高度变化来对血压进行纠正，具体的，一般在测算血压值的过程中，没有考虑到血液搏动加速度的影响，因此会产生非线性特征，通过神经网络训练有效消除其非线性特征，提升血压计算的精确度，同时，位置传感器可获得三轴加速度数据，并用来计算手指与参照物(心脏)的相对高度差，可根据佩戴位置的高度变化来对血压进行相应纠正，以与心脏平齐为基准，手臂抬高时血压减低，落下时血压增加，压强正比于高度。纠正系数可通过与金标准Finometer对比获得。

本实施例中，所述信号预处理模块包括依次连接的采样器、低通滤波器、放大器以及噪声滤波器，所述采样器以500Hz的采样率来采集所述光电二极管阵列输出的原始电子信号，使用高时间采样率，获取逐拍完整不失真的波形，所述低通滤波器与放大器之间还设置有带通滤波器，以消除干扰。

所述低通滤波器以11Hz为截止频率对所述原始电子信号进行整形，保留11Hz以下的完整信息，以便于承载血压特征的频段能够被完整的使用，而信息量不大的高频信号被有效过滤。所述放大器为增益值固定的高速放大器，根据个人特征，包括年龄、BMI、肤色、是否糖尿病等自动在若干个备选值之间选取，测量过程中不允许连续变化。原始信号放大后通过噪声滤波器进行小波降噪，优选Daubechies小波，减小噪声影响，最后得到PPG信号。

信号处理模块，其接收所述PPG信号，具体的，所述PPG信号经过A/D转换模块转换后通过数据传输模块实时传送到所述信号处理模块中，所述数据传输模块为无线传输模块或有线传输模块，所述无线传输模块的传输方式为蓝牙传输、红外传输以及射频传输中的至少一种，所述信号处理模块佩戴在手腕上，所述信号处理模块上配置有储存器和显示屏。信号处理模块接收所述PPG信号后，对所述PPG信号进行逐拍分割，如图5所示，图中阴影跨度为一拍，同时，所述信号处理模块中设置包含有已知高质量血液容积波波形的数据库，所述信号处理模块对进行逐拍分割后的每一拍所述PPG信号进行初步筛选，将每一拍所述PPG信号与所述数据库中的已知血液容积波波形进行匹配，若没有匹配成功或得出的心跳的脉搏周期在0.3s～3s之外，则将该拍所述PPG信号丢弃，进行下一拍所述PPG信号的初步筛选，同时记录坏信号比例。PPG必须符合现有数据库中已知的高质量容积波波形，判定方法为经过已知数据集训练的支持向量机(SVM)。如果丢弃信号过多时，信号处理模块发出报警，提醒用户进行检查，是否装置自身接触不良、或人体活动量太大、或皮肤有皴裂、或指端探头太紧，以排除故障，而后进行重新测量。

挑选PPG的原则为：在逐拍分割时，选取一个脉搏周期，前后延伸一定长度的数据以避免在边界产生断层，如图前后延伸各5％的数据。

所述信号处理模块对初步筛选后的每一拍所述PPG信号进行有限傅里叶变换，也就是将每一拍所述PPG信号从时域变换到频域，在频域0～10Hz的分量上选取10组幅值和相位值，将该10组幅值和相位值传送到预设的神经网络中进行计算，得出拟合后的血压值，通过拟合后的血压反推判断原始每一拍所述PPG信号的数据质量，若拟合后收缩压高于250mmHg、或低于80mmHg、或舒张压低于20mmHg、或收缩压和舒张压的差异大于20mmHg，则将该拍所述PPG信号对应的计算数据丢弃；若拟合后血压不符合医学常识，则丢弃该时间段的血压信息，并通过数据标记的方式告知使用者；最后将筛选合格后每一拍所述PPG信号对应的10组幅值和相位值输入到预设神经网络中进行计算收缩压和舒张压，并将收缩压和舒张压上传至服务器进行储存。将收缩压和舒张压保存在储存器并显示在所述显示屏上，以进行实时检测。

其中，预设神经网络根据已知数据库，如麻省理工大学的MIMIC II数据库中血压和PPG信号，进行训练得知。训练所需原始数据为连续血压BP和血液容积波PPG，输入和输出通过如下方式处理：

对心脏的每一次跳动，寻找舒张压对应的PPG波形定位，前后延伸若干个数据点，然后进行有限傅里叶变换(FFT)，每个相关频率的幅值和相位被记录下来，PPG的相关频率数据作为该次心跳的输入，BP收缩压和舒张压被作为该次心跳的输出。

具体的，选取一个测试人群，采用无创的方式获取血压波形，并以相同的方式取得傅里叶变换的相应分量，同时将PPG和血压的脉搏波形进行对比，获取频域的传递函数，并利用现有传递函数计算中心动脉压；采用神经网络算法对PPG和血压脉搏波的关系进行进一步测算，最终形成血压计算预测模型，输入若干组所述组幅值和相位值，即可测算出对应的收缩压和舒张压。

另一种实施例中，所述血压测量装置设置有单次测量和连续测量模式，选择单次测量模式后，则连续对稳定后PPG信号测量30s，所述信号处理模块根据测量值输出血压值；选择连续测量模式后，则连续对稳定后PPG信号进行测量直至用户按停止键，所述信号处理模块根据测量值每10分钟输出一个平均血压值。用户可以根据需求选取测量模式。

光电容积波测量本身为成熟技术,但是其与血压之间的关系尚不明确。本发明的测量装置基于动力学原理描述光电容积波与血压压力波之间的关系，并据此设计硬件和信号处理方法，实现连续无侵入式血压测量。

系统设计方面，本发明的血压测量装置对PPG信号进行归一化，并在传统的PPG芯片设计上去除了自动调整幅值和自动调整基线的功能，以便于对所有人群具有普适性。

将PPG信号进行归一化处理：

${\mathrm{PPG}}_{norm}=\frac{V-V_{\min }}{V_{\min }}$

其中，V为测量到的血液容积波，V包括V_min和V_pp，V_min为血液容积波的稳定部，V_pp为血液容积波的波动部，将归一化的PPG信号作为计算量，简化了处理过程，提高了计算精度。

具体的，本发明血压测量装置采用的初级血压估算公式基于：

${\mathrm{PPG}}_{\mathrm{scaled}}=k_s\×{\mathrm{PPG}}_{\mathrm{norm}}+V_0\≈k(e^{-\mathrm{\γ}{P}_{\min }}-e^{-\mathrm{\γP}})+V_0$

非线性部分因为机理复杂，涉及血管壁的加速运动，血液的粘滞性等，由神经网络算法统一进行经验性补偿。另一方面，因为血液容积波的波动(AC)仅相当于DC量的百分之几，通常会使用放大器对原始信号进行放大和数值调整，k和V₀分别为增益系数和平移系数，γ为常数，该方法对探测器接触不良引起的数值波动有较好的容忍能力，因此具有抗伪影的特性。

信号处理方法方面，采用有限傅里叶分析的方式提取关键特征，进行血压重建，形成血压计算预测模型，采集若干组所述幅值和相位后，即可计算得出相应的血压值。

由上所述，本发明为连续无创血压测量装置，硬件成本与现有高档家用血压计持平，体积却仅有拇指大小，可随身携带，市场潜力巨大；同时，该测量装置只采用单个位置的传感器，通过高速记录血液容积波完整波形来推算血压，简化了整个测量装置；在激发光源方面，采用至少三个波长的光源，计算血液容积波时考虑血液含水量影响，测量过程更加精确；在信号处理方法对PPG信号进行归一化处理，优化了数据处理过程，采用有限傅里叶分析的方式提取关键特征，进行逐拍血压计算，同时，采用神经网络算法消除测量的非线性影响，对拟合精度进行大幅提升。在硬件改进方面，并在芯片设计上优化滤波器的设置，优化芯片结构。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种无创连续血压测量装置，其特征在于，包括：

信号获取模块，其用于采集经过人体指端吸收后的透射光强度信号；

信号预处理模块，其对所述透射光强度信号进行信号预处理，得到血液容积波PPG信号；

信号处理模块，其接收所述PPG信号，并对所述PPG信号进行逐拍分割，将每一拍所述PPG信号从时域变换到频域，在变换到频域后的所述PPG信号上选取若干组幅值和相位，将经选取后的若干组幅值和相位传送入预设神经网络中进行计算，得到血压值，并显示在所述信号处理模块自带的显示屏上。

2.如权利要求1所述的无创连续血压测量装置，其特征在于，所述信号获取模块套设在人体指端上，所述信号获取模块上设置有光源激发器和接收所述透射光强度信号的接收传感器，所述接收传感器与所述信号预处理模块连接。

3.如权利要求2所述的无创连续血压测量装置，其特征在于，所述光源激发器上设置有三个不同波长的光源，每个光源轮流通过入射光纤照射在手指上，所述接收传感器配置为均匀排列的光电二极管阵列，所述光电二极管之间的间距在0.5mm～1.3mm，所述光电二极管阵列接收所述透射光强度信号，并输出最大光强点信号作为计算所述PPG信号的信号来源。

4.如权利要求3所述的无创连续血压测量装置，其特征在于，所述信号获取模块上还设置有位置传感器，其用于根据所述信号获取模块佩戴位置的高度变化来对血压进行纠正。

5.如权利要求4所述的无创连续血压测量装置，其特征在于，所述信号预处理模块包括依次连接的采样器、低通滤波器、放大器以及噪声滤波器，所述采样器以500Hz的采样率采集所述光电二极管阵列的输出的原始电子信号。

6.如权利要求5所述的无创连续血压测量装置，其特征在于，所述低通滤波器以11Hz为截止频率对所述原始电子信号进行整形；所述放大器的增益为固定值，根据个人特征自动在若干个备选值之间选取。

7.如权利要求6所述的无创连续血压测量装置，其特征在于，所述PPG信号经过A/D转换模块转换后通过数据传输模块实时传送到所述信号处理模块中，所述数据传输模块为无线传输模块或有线传输模块，所述无线传输模块的传输方式为蓝牙传输、红外传输以及射频传输中的至少一种，所述信号处理模块佩戴在手腕上。

8.如权利要求7所述的无创连续血压测量装置，其特征在于，所述信号处理模块中设置包含有已知高质量血液容积波波形的数据库，所述信号处理模块对进行逐拍分割后的每一拍所述PPG信号进行初步筛选，将每一拍所述PPG信号与所述数据库中的已知血液容积波波形进行匹配，若没有匹配成功或得出的心跳的脉搏周期在0.3s～3s之外，则将该拍所述PPG信号丢弃，进行下一拍所述PPG信号的初步筛选。

9.如权利要求8所述的无创连续血压测量装置，其特征在于，所述信号处理模块对初步筛选后的每一拍所述PPG信号进行有限傅里叶变换，将每一拍所述PPG信号从时域变换到频域，在频域0～10Hz的分量上选取10组幅值和相位值，将该10组幅值和相位值传送到预设的神经网络中进行计算，得出拟合后的血压值，通过拟合后的血压反推判断原始每一拍所述PPG信号的数据质量，若拟合后收缩压高于250mmHg、或低于80mmHg、或舒张压低于20mmHg、或收缩压和舒张压的差异大于20mmHg，则将该拍所述PPG信号对应的计算数据丢弃；若拟合后血压不符合医学常识，则丢弃该时间段的血压信息；最后计算得到有效的平均收缩压和舒张压，并将收缩压和舒张压上传至服务器进行储存。

10.如权利要求1所述的无创连续血压测量装置，其特征在于，所述血压测量装置设置有单次测量和连续测量模式，选择单次测量模式后，则连续对稳定后PPG信号测量30s，所述信号处理模块根据测量值输出血压值；选择连续测量模式后，则连续对稳定后PPG信号进行测量直至用户按停止键，所述信号处理模块根据测量值每10分钟输出一个平均血压值。