CN107411778A - 一种末梢血管血流调节功能的无创检测系统 - Google Patents

一种末梢血管血流调节功能的无创检测系统 Download PDF

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Abstract

一种末梢血管血流调节功能的无创检测系统，包括：数据采集模块、滤波模块、特征点/区间识别模块、数据分析模块和血流调节功能评估模块。在袖带加压单侧上臂阻断肱动脉血流前后连续测量袖带下游前臂或手部皮肤血流量信号，对血流量信号进行滤波处理后识别袖带压迫前的稳定血流区间和袖带压迫解除后的充血区间，计算充血区间与稳定血流区间平均血流量的比值得到量化评价末梢血管血流调节功能的指标。操作全程无创，测量时间短，并且通过对血流量时历曲线的特征分析识别出受末梢血管缺血性反应主导的血流变化区间，能够有效排除上游动脉内皮功能对末梢血流信号的影响，实现对人体末梢血管血流调节功能的针对性评估，具有很好的应用前景。

Description

一种末梢血管血流调节功能的无创检测系统
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术和信息处理技术领域，特别涉及一种利用人工缺血性生理试验分析臂部组织缺血前后皮肤血流量的动态变化来评价末梢血管血流调节功能的检测系统。
背景技术
末梢血管是人体最远端的血管，是调节组织/器官血液灌注的主要机构，其在变生理条件下的血流调节功能是反映血液循环系统健康状况的主要指标之一。研究表明，末梢血管血流调节功能退化是预测冠心病、脑卒中等心血管疾病以及糖尿病并发症风险的重要指征，对其进行日常监测有助于及时了解患者疾病的进展情况，并通过指导干预治疗延缓上述疾病的发生。无创检测由于具有安全及使用方便等优点，已成为血管功能检测技术的重点发展方向。
目前在临床上广泛应用的无创检测方法是通过超声测量肱动脉血流介导的血管舒张功能(flow mediated dilation,FMD)。其基本原理是：首先利用袖带加压阻断肱动脉血流5分钟引起前臂组织缺血反应，在袖带压力释放瞬间引起血流加速使血流作用于肱动脉内皮细胞的剪应力增加，促进血管舒张剂NO的释放，从而引起血管内径增大，最后通过测量血流阻断前后肱动脉管径的变化率来评估肱动脉内皮细胞的功能。该方法的有效性已得到大量临床研究的支持，但测量结果易受到环境因素、受检者生理因素(心理状态、神经活动、刺激物的摄入等)及施检者操作经验的影响。尤其是，该方法主要测量肱动脉(外周动脉)的内皮功能，对更远端末梢血管的血流调节功能缺乏有效的检测能力。
外周动脉张力测定法(peripheral artery tonometry,PAT)是近年来逐渐得到临床应用的另一种血管功能无创检测方法。上述方法通过测量肱动脉阻断前后的指端脉搏波振幅变化来评价血管内皮功能。该方法利用袖带压迫单侧上臂5分钟诱发缺血反应，使用光学体积描记法(photoplethysmography,PPG)连续测量指端脉搏波的振幅，并计算缺血前后特定时间范围内脉搏波振幅平均值的比值来评估血管内皮功能。与FMD比较，PAT具有易操作、低成本的优点。然而，从技术角度分析，PPG测量的指端脉搏波振幅虽然一定程度上反映血流灌注情况，但测量指标的物理意义尚不清晰，研究表明血压波动、末梢血管顺应性和静脉血流状态均不同程度地影响脉搏波振幅与实际血流量的关系，造成利用该方法得到的血管内皮功能评估结果受多种因素的影响，具有不确定性。
除了已得到临床应用的FMD和PAD，文献中有其他无创检测方法尚处于理论验证或研发阶段，包括指尖热检测、指尖脉搏容积测定、静脉闭塞体积描记术等。指尖热检测方法(Digital thermal monitoring,DTM)通过测量肱动脉阻断前后指尖的温度变化评价血管内皮功能；指尖脉搏容积测定法(digital volume pulse,DVP)基于动脉血管的充血灌流性反应原理，结合混沌技术和非线性解析技术来分析末梢循环信息以评估血管内皮功能；静脉闭塞体积描记术通过测量应用血管活性药物前后前臂膨胀程度的变化来评估血管内皮功能。这些方法或技术的共同特点是通过分析肤表温度、脉搏波或前臂膨胀度等生理指标随血流条件改变的变化规律来间接评估末梢血管的血流调节功能。
经检索发现，研究人员已根据对上述技术的发明、融合或改良提出了专利申请。中国专利CN105433985A(公开日2016-03-30)提供一种基于FMD的血管内皮功能评估检测系统及方法，利用加压袖带对左右手臂的肱动脉进行加压，阻断其血液流动，同时采用血容积脉搏波探测器分别采集左右指尖的血容积脉搏波，根据肱动脉加压阻断前后左右指尖血容积脉搏波面积的变化来计算血管内皮功能指数。中国专利CN104027097A(公开日2014-09-10)提出了一种血管功能无创检测方法及装置，利用对肱动脉进行阻断再开放过程中手指指端温度、血氧及脉搏波信号变化的测量，结合临床试验采集的数据，通过信号处理和统计分析建立血管功能的评估公式。中国专利CN103561639A(公开日2014-02-05)公开了一种评估血管内皮功能的方法，通过监测阻断和释放受试者上肢血流造成的反应性充血引起的上肢皮肤组织细胞的NADH荧光信号强度随时间的变化函数来评估血管内皮功能。
分析现有检测方法的技术特点，肱动脉血流阻断前后的充血反应及相关生理信号变化是评估血管内皮功能的主要依据。然而，在生理学上，肱动脉血流阻断、再释放后不仅引起肱动脉内皮细胞分泌的NO量在短时间内突然增加，在血流阻断期间也会引起末梢血管发生缺血性反应。肱动脉NO分泌量的增加主要由袖带压迫释放后动脉内血流加速引起的壁面剪应力升高所造成，主要引起肱动脉的管径扩张，NO也会被输运至远端引起末梢血管舒张；而末梢血管的缺血性反应主要表现为血管舒张，引起末梢血管的粘性阻抗降低以提高末梢组织的血流灌注能力。因此，本质上讲，上臂缺血试验引起的血管反应涉及上游较大的动脉和末梢微血管两部分，对血管功能的评价应区别对待。FMD是可以针对性地检测肱动脉(即上游较大的动脉)内皮功能的有效方法，而在末梢部(如指端或肤表)监测的生理信号(包括脉搏波振幅、肤表温度、血氧等)受上游动脉和末梢微血管血流调节功能的共同影响，将检测结果定义为内皮功能指标在概念上不清晰，如何区分肱动脉内皮功能和末梢血管血流调节功能仍是亟待解决的问题。另一方面，虽然末梢脉搏波振幅、肤表温度、血氧等与血液的灌注状态存在关联性，但不是血流量的直接测量参数，易受外部环境因素以及自律神经活动、呼吸、新陈代谢等生理因素的影响，造成潜在的测量误差。
发明内容
针对现存检测技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用人工缺血性生理试验无创测量人体末梢血管血流调节功能的检测系统。具体是在使用袖带压迫上臂组织造成缺血前后连续测量前臂皮肤血流量的动态变化，进一步通过对血流信号的滤波处理和特征模式识别，提取与末梢血管的功能状态密切相关的信息区间，通过对缺血前后血流量变化的量化评价得到可以指示末梢血管血流调节功能的特异性指标。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于上臂缺血试验和皮肤血流测量评估末梢血管血流调节功能的系统，具体包含五个模块：数据采集模块、滤波模块、特征点/区间识别模块、数据分析模块和血流调节功能评估模块。其中，数据采集模块由袖带、皮肤血流测量仪和信号采集软件构成，用以持续采集袖带压迫前、压迫中及压迫解除后的高频皮肤血流量信号；滤波模块与数据采集模块相连接，对上述血流量信号进行滤波处理，以消除信号的高频波动和噪声，构建血流量的时历曲线；特征点/区间识别模块与滤波模块相连，根据血流量时历曲线识别出袖带压迫前的血流稳定区间记为R区间和袖带压迫解除后血流量第一峰值点(P1)和第一拐点(S1)，并将P1和S1所夹区间设定为充血区间记为H区间；数据分析模块与特征点/区间识别模块相连，根据特征点/区间的识别结果，计算袖带压迫前静息血流稳定期即R区间的平均血流量(QR)以及袖带压迫解除后充血区间即H区间的平均血流量(QH)；血流调节功能评估模块与数据分析模块相连，根据QH和QR计算末梢血管血流调节功能的评价指标，即F(F＝QH/QR)，并将F与同年龄层健康人群的统计数据即基准值范围对比以判断末梢血管血流调节功能所处状态。
本发明涉及一种基于上臂缺血试验和皮肤血流测量评估末梢血管血流调节功能的系统，具体是通过如下五个步骤来实现的。
步骤1：在受试者单侧上臂处绑上袖带，通过调节袖带压力压迫上臂肱动脉开展缺血试验，利用数据采集模块连续测量并保存缺血试验前后袖带绑缚侧前臂如手腕内侧桡动脉处或指端的皮肤血流量信号。
步骤2：将皮肤血流量信号输入滤波模块，对测量信号进行平滑和降噪处理，构建皮肤血流量在缺血试验前后的时历曲线。
步骤3：将血流量时历曲线导入特征点/区间识别模块，识别袖带加压前皮肤血流量处于稳定状态的区间记为R区间，同时识别袖带压力释放后皮肤血流量的第一峰值点(P1)和第一拐点(S1)，将两点所夹区间设定为充血区间记为H区间。
步骤4：根据识别的袖带加压前的R区间和袖带压力释放后的H区间，利用时间平均法计算两区间内的平均血流量(分别表示为QR和QH)。
步骤5：根据在步骤4得到的QR和QH计算末梢血管血流调节功能的评价指标，即F(F＝QH/QR)，并将其与同年龄层健康人群的统计数据(即基准值范围)对比，根据对比结果评价末梢血管的血流调节功能是否正常，并向可视化终端或打印机输出评价结果。
相比现有技术,本发明具有如下有益效果:
1.对皮肤血流量的直接测量可以有效降低使用脉搏波振幅、肤表温度或血氧饱和度等信号间接反映血流量所带来的不确定误差，提高评估末梢血管血流调节功能的可靠性。
2.袖带压迫释放后血流量曲线上的第一拐点(S1)是由上游较大的动脉释放的NO被输运至下游组织后引起末梢血管二次舒张造成的，计算第一峰值点(P1)与第一拐点(S1)所夹区间血流量的平均值来评价袖带释放后的血流状态可以有效摒除上游动脉内皮功能的影响，提高末梢血管血流调节功能评估的针对性和特异性，从而克服现存类似方法无法区别上游动脉内皮功能和末梢血管血流调节功能这一缺陷。
附图说明
图1为本发明末梢血管血流调节功能的无创检测系统的结构框图。
图2为本发明末梢血管血流调节功能的无创检测系统的流程框图。
图3袖带绑缚和皮肤血流量测量示意图。
图4滤波前的血流量时历曲线。
图5滤波后的血流量时历曲线。
图6特征点/区间识别图。
图7末梢血管血流调节功能评估结果的人群差异。
具体实施方式
在袖带压迫上臂并释放的整个数据采集过程中，受试者前臂的皮肤血流量变化表现出下述特征：
(1)袖带加压前的皮肤血流量趋于稳定，稳定值与受试者的个体生理状态(如性别、年龄、体重、血压等)有关；
(2)袖带压迫阶段，袖带下方肱动脉几乎被完全闭锁，表现为皮肤血流量接近零；
(3)袖带压力快速释放后的血流恢复阶段，经滤波处理后的血流量时历曲线上首先出现第一个峰值，在峰值后的血流减速段出现第一个拐点，拐点处出现血流量小幅上升后血流量进一步下降，直至在100-150秒左右进入血流稳定期；
(4)袖带压力释放后皮肤血流量的上升幅度与受试对象末梢血管的血流调节功能密切相关；
(5)袖带压力释放后血流量时历曲线上出现的第一个拐点是由上游动脉分泌的NO被输运至末稍组织引起末梢血管二次舒张造成的，第一峰值至第一个拐点间的血流量受袖带压迫期间末梢血管的舒张状态主导。
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
实施例
如图1所示，本发明所涉及的末梢血管血流调节功能评估系统由五个模块组成，本实施例基于该系统实施，其实施流程如图2所示，具体的操作流程如下：
1)受试者进入数据采集室后首先配合操作者完成人口学信息记录(包括姓名、性别、年龄、身高、体重和动脉血压等)，操作者在受试者静坐休息10分钟后，如图3所示，在其单侧(左右任意)上臂处绑上袖带，将激光多普勒探针(数据采集频率可设为50Hz～200Hz)固定于袖带所在上臂对应的桡动脉或指端肤表处，并将激光多普勒探针导线与安装有信号记录软件的电脑相连，首先在不施加袖带压力条件下采集皮肤血流量信号，待观察到持续稳定的血流信号约1分钟后对袖带进行快速加压，直至观测到皮肤血流信号接近零后停止加压，维持袖带加压状态3分钟，之后快速释放袖带压力，待观察到皮肤血流的测量信号稳定后停止信号采集。上述过程采集的皮肤血流量信号如图4所示。
2)如图5所示，将上臂缺血试验过程中采集的皮肤血流量信号导入滤波模块，使用Vondrak滤波法对信号进行平滑和降噪处理，构建皮肤血流量在整个试验过程中的时历曲线(横坐标为时间，纵坐标为血流量)。
3)如图6所示，将血流量时历曲线导入特征点/区间识别模块，对袖带加压前皮肤血流量数据以5秒为间隔进行分割并求其平均值，将连续5个平均值的变化量小于20％的时间区间定义为稳定血流区间(记为R区间)，进一步求解时历曲线的一次时间微分，识别袖带压力释放后皮肤血流量的第一峰值点(P1)和第一拐点(S1)，将两点所夹区间设定为充血区间(记为H区间)。
4)将血流量时历曲线和识别的R、H区间信息导入数据分析模块，根据各时刻对应的血流量数据，利用时间平均法计算袖带加压前R区间的平均血流量(QR)和袖带压力释放后H区间的平均血流量(QH)。
5)将数据分析模块得到的QR和QH导入血流调节功能评估模块，计算末梢血管血流调节功能指标，即F(F＝QH/QR)，并根据受试者的人口学信息将评价结果与同年龄层健康人群的统计数据(即基准值范围)对比，根据对比结果评价末梢血管的血流调节功能，若F低于基准值下限，表示末梢血管血流调节功能低下，值越低代表血流调节功能越低下，若在基准值范围内或高于基准值上限值，则表示血流调节功能正常，最后向可视化终端或打印机输出末梢血管血流调节功能的评价结果。
有效性验证
为了检验本实施例中末梢血管血流调节功能评估系统的有效性，在三甲医院内分泌科和体检中心募集受试对象开展临床试验，具体包括确诊糖尿病的住院患者和未诊断出有心血管疾病和糖尿病的健康人。通过比较不同受试对象组利用同一评估系统得到的结果，可以解释并验证本发明实际应用的有效性。
1)临床试验样本：共采集到有效样本54例，其中糖尿病组患者18例(y＝70.5±9.8岁)、健康老年人对照组18例(y＝68.4±9.1岁)，健康年轻人组18例(y＝32.1±10.4岁)，糖尿病组与健康老年人对照组的平均年龄大致相当，性别比例均衡，无统计学差异。
2)临床试验结果：对临床试验样本的每一例数据进行上述实施例中涉及的所有实施步骤，得到检测结果，即末梢血管血流调节功能指标F，并对每组受试者的评价指标进行统计学分析和组间对照(组间差异分析采用多重比较法)，得到每组受试者检测结果的平均值、标准差以及组间差异性的统计分析结果(如图7所示)。根据试验结果，糖尿病组的F值显著低于健康老年组结果(1.9±0.7vs2.9±0.5)，差异具有统计学意义(P<0.001)，符合高血糖症损害末梢血管功能这一医学共识；而健康老年组的F值显著低于健康年轻人组结果(2.9±0.5vs3.8±0.7)，差异具有统计学意义(P<0.001)，符合人体末梢血管功能随着年龄增加而退化这一基本生理规律。上述结果初步验证了本发明评估人体末梢血管血流调节功能的有效性，在检测末梢血管血流调节功能方面具有一定的临床应用价值。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种末梢血管血流调节功能的无创检测系统，其特征在于，包括：数据采集模块、滤波模块、特征点/区间识别模块、数据分析模块和血流调节功能评估模块；
所述数据采集模块由袖带、皮肤血流测量仪和信号采集软件构成，用以持续采集袖带压迫前、压迫中及压迫后的末梢皮肤血流量信号；
所述滤波模块与数据采集模块相连接，用以对上述血流量信号进行滤波处理以消除高频随机波动和噪声并保留血流量的基本时变特征；
所述特征点/区间识别模块与滤波模块相连，根据滤波后的末梢血流量时历曲线，识别袖带加压前的血流稳定区间和袖带压迫解除后的充血区间即袖带压迫解除后血流量曲线上的第一峰值点和第一拐点所夹区间；
所述数据分析模块与特征点/区间识别模块相连，根据上述特征点/区间的识别结果，计算袖带压迫前血流稳定期的平均血流量和袖带压迫解除后充血区间的平均血流量，血流调节功能评估模块与数据分析模块相连，计算袖带压迫解除后充血区间平均血流量与袖带压迫前平均血流量的比值，将该比值设定为末梢血管血流调节功能的评价指标，将评价指标与同年龄层健康人群的统计数据即基准值范围对比以判断末梢血管血流调节功能的状态，并向可视化终端或打印机输出评估结果。
2.根据权利要求1所述的末梢血管血流调节功能的无创检测系统，其特征在于，所述滤波模块的滤波法采用Vondrak滤波法。
3.根据权利要求1所述的末梢血管血流调节功能的无创检测系统，其特征在于，所述血流调节功能评估模块，计算袖带压迫解除后充血区间平均血流量与袖带压迫前平均血流量的比值即QH/QR，F＝QH/QR为末梢血管血流调节功能的评价指标。
4.一种末梢血管血流调节功能的无创检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)采集皮肤血流量信号，首先记录受试者的人口学信息，在受试者充分休息后在单侧上臂绑上袖带，在袖带下游前臂部或手部肤表固定血流测量仪并通过数据导线将其与安装有信号记录软件的电脑相连，首先在不施加袖带压力条件下采集皮肤血流量信号，待观察到持续稳定的血流测量信号1分钟以上后快速增加袖带压力压迫上臂组织，直至观测到皮肤血流信号接近零后停止袖带加压，维持袖带加压状态数分钟，之后快速释放袖带压力，待观察到皮肤血流的测量信号稳定后停止信号采集；
(2)滤波处理，对测量的血流量信号进行滤波处理，去除高频随机波动和噪声，构建血流量时历曲线；
(3)识别特征点和特征区间，根据滤波后的血流量时历曲线，识别袖带加压前的稳定血流区间记为R区间，同时识别袖带压力释放后血流量的第一峰值点P1和第一拐点S1，将两点所夹区间设定为充血区间记为H区间；
(4)计算平均血流量，利用时间平均法计算袖带压迫前稳定血流区间即R区间的平均血流量QR和袖带压迫解除后充血区间即H区间的平均血流量QH；
(5)评估血流调节功能，计算袖带压迫解除后充血区间平均血流量与袖带压迫前平均血流量的比值即QH/QR，F＝QH/QR为末梢血管血流调节功能的评价指标，进一步结合受试者的人口学信息，将评价指标与同年龄层健康人群的统计数据即基准值范围比较，判断末梢血管血流调节功能是正常还是低下，并将评估结果输出至可视化终端或打印机。
5.根据权利要求4所述的末梢血管血流调节功能的无创检测方法，其特征是，在所述步骤(1)中受试者的人口学信息具体包括性别、年龄、身高、体重和动脉血压；所述加压袖带绑缚位置可任选左侧上臂或右侧上臂；所述皮肤血流测量仪包括激光多普勒血流测量仪或具有皮肤血流测量功能的仪器或装置；所述皮肤血流测量仪固定于袖带绑缚侧前臂、腕部、手部或指端可稳定测量皮肤血流量的肤表位置；所述上臂血流阻断后袖带加压状态的维持时间可为3～5分钟，所有受试者的加压维持时间一致。
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