CN108236458A - 基于双外周血压重建肱动脉血压的方法 - Google Patents

基于双外周血压重建肱动脉血压的方法 Download PDF

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刘嘉
张攀登
邱全利
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    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7235—Details of waveform analysis

Abstract

本发明实施例公开了一种基于双外周血压重建肱动脉血压的方法，所述方法包括：同步测量随时间变化的指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形；利用所述指动脉的血压波形和所述桡动脉的血压波形计算所述指动脉的反射系数；利用所述指动脉的反射系数分解所述指动脉的血压波形得到所述指动脉的血压测量位置的前进波和反射波；利用所述指动脉的血压测量位置的前进波和反射波计算肱动脉的血压波形。通过上述方式，不需要向动脉内插入导管即可以获得连续的肱动脉血压波形。

Description

基于双外周血压重建肱动脉血压的方法
技术领域
本发明实施例涉及生物医学工程领域，特别是涉及一种基于双外周血压重建肱动脉血压的方法。
背景技术
正常的血压是血液循环流动的前提，血压在多种因素调节下保持正常，从而提供各组织器官以足够的血量，以维持正常的新陈代谢。血压过低过高(低血压、高血压)都会造成严重后果。在人体中测量血压通常是测量肱动脉血压，目前常用的间接测量法通常只能获得个别测量值，例如收缩压、舒张压。为了更准确并获得连续记录，在特殊心血管功能检查或动物实验中通常采用直接测量法，即用一种特殊的小型血压传感器，将传感器部分直接装在动脉导管的顶端，使用时可随导管直接插入动脉血管内，记录出各段血管的血压，也可插人心室记录室内血压。直接测量法虽然很准确，但是必须向动脉内插入导管，需要无菌操作，不便于日常多次反复检查。
发明内容
本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种基于双外周血压重建肱动脉血压的方法，不需要向动脉内插入导管即可以获得连续肱动脉血压。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种基于双外周血压重建肱动脉血压的方法，包括：同步测量随时间变化的指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形；利用指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形计算指动脉的反射系数；利用指动脉的反射系数分解指动脉的血压波形得到指动脉的血压测量位置的前进波和反射波；利用指动脉的血压测量位置的前进波和反射波计算肱动脉的血压波形。
其中，利用指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形计算指动脉的反射系数的步骤包括：利用指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形的相位差获得血流在桡动脉的血压测量位置与指动脉的血压测量位置之间的传播时间；通过如下公式计算指动脉的反射系数：
PR(t)-PF(t+t1)＝ΓF(t)*[PF(t-t1)-PR(t)]；
其中，*为卷积运算，PR(t)为桡动脉在t时刻的血压，PF(t-t1)和PF(t+t1)分别为指动脉在t+t1和t-t1时刻的血压，ΓF(t)为指动脉在t时刻的反射系数，t1为血流在桡动脉的血压测量位置与指动脉的血压测量位置之间的传播时间。
其中，通过上述公式计算指动脉的反射系数的步骤包括：基于上述公式利用递推最小二乘自适应滤波方法计算指动脉的反射系数。
其中，利用指动脉的反射系数分解指动脉的血压波形得到指动脉的血压测量位置的前进波和反射波的步骤包括：通过如下公式分解出指动脉的血压测量位置的前进波：
PF(t)＝pFf(t)+ΓF(t)*pFf(t)；
其中，*为卷积运算，PF(t)为指动脉在t时刻的血压，pFf(t)为指动脉的血压测量位置的前进波在t时刻的压力，ΓF(t)为指动脉在t时刻的反射系数；
通过如下公式计算指动脉的血压测量位置的反射波：
pFb(t)＝ΓF(t)*pFf(t)；
其中，*为卷积运算，pFb(t)为指动脉的血压测量位置的反射波在t时刻的值，pFf(t)为指动脉的血压测量位置的前进波在t时刻的值，ΓF(t)为指动脉在t时刻的反射系数。
其中，利用指动脉的血压测量位置的前进波和反射波计算肱动脉的血压波形的步骤包括：获得血流从肱动脉到桡动脉的血压测量位置的传播时间；利用如下公式计算肱动脉的血压波形：
PB(t)＝pFf(t+t1+t2)+pFb(t-t1-t2)；
其中，PB(t)为肱动脉在t时刻的血压，pFf(t+t1+t2)为指动脉的血压测量位置的前进波在t+t1+t2时刻的值，pFb(t-t1-t2)为指动脉的血压测量位置的反射波在t-t1-t2时刻的值，t1为血流在桡动脉的血压测量位置与指动脉的血压测量位置之间的传播时间，t2为血流从肱动脉到桡动脉的血压测量位置的传播时间。
其中，获得血流从肱动脉到桡动脉的血压测量位置的传播时间的步骤包括：通过以下公式计算血流从肱动脉到桡动脉的血压测量位置的传播时间：
其中，t2为血流从肱动脉到桡动脉的血压测量位置的传播时间，t1为血流在桡动脉的血压测量位置与指动脉的血压测量位置之间的传播时间，L2为肱动脉到桡动脉的血压测量位置之间的血管长度，L1为桡动脉的血压测量位置与指动脉的血压测量位置之间的血管长度。
本发明实施例的有益效果是：在本发明实施例的方法中，通过同步测量随时间变化的指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形，计算出指动脉的反射系数，分解指动脉的血压波形得到指动脉的血压测量位置的前进波和反射波，最终计算出肱动脉的血压波形，由于指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形可以采用无创方式测量，利用指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形最终可以计算出肱动脉的血压波形，从而不需要向动脉内插入导管即可以获得连续的肱动脉血压波形。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的基于双外周血压重建肱动脉血压的方法的流程图；
图2是图1所示的方法所采用的单一动脉血管模型的示意图；
图3是根据本发明第二实施例的基于双外周血压重建肱动脉血压的方法的流程图；
图4是图3所示的方法所采用的自适应系统辨识方法的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明第一实施例的基于双外周血压重建肱动脉血压的方法的流程图。如图1所示，本发明第一实施例的基于双外周血压重建肱动脉血压的方法包括：
步骤S11：同步测量随时间变化的指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形；
具体地，基于血液动力学的基本原理，首先建立单一动脉血管模型20，如图2所示，假设肱动脉2013到外周动脉血管具有纯弹性无损的特性，并且时域独立的信号可以写成傅里叶序列，血管201各位置的平稳血流和平均血压相等，其特征阻抗以ZF表示。在血管末端，与之连接的是一个Windkessel模型202，用以描述远端血管子系统特性，该子系统可由一个等效特征阻抗Z(ω)表示。在血管末端，由于阻抗不匹配，动脉系统存在反射现象，从心脏流向外周动脉的血流定义为前进波，而各处外周血管反射部分的叠加，由外周动脉流向心脏的血流定义为反射波。其中，前进波和反射波均为压力波，实际测得的血压波形是由前进波和反射波叠加而成的。
在一个应用例中，基于如图2所示的单一动脉血管模型20，在手指部位2011和手腕部位2012设置测量装置，同步测量随时间变化的指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形，其中，指动脉的血压波形测量方法可以采用容积恒定法，桡动脉的血压波形测量方法可以采用张力法。当然，在其他应用例中，指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形也可以采用其他测量方法，此处不做具体限定。
步骤S12：利用指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形计算指动脉的反射系数；
其中，步骤S12进一步包括：
步骤S121：利用指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形的相位差获得血流在桡动脉的血压测量位置与指动脉的血压测量位置之间的传播时间；
具体地，在一个应用例中，如图2所示，在桡动脉的血压测量位置2012与指动脉的血压测量位置2011中均设置有测量装置，例如光电阵列，通过该测量装置可以获得同步的随时间变化的指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形。通过同步测量获得的指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形，例如两路光电容积脉搏波信号，取同一周期内两路信号主波峰点间的时延，即可以得到血流在桡动脉的血压测量位置2012与指动脉的血压测量位置2011之间的传播时间。
步骤S122：通过如下公式计算指动脉的反射系数：
PR(t)-PF(t+t1)＝ΓF(t)*[PF(t-t1)-PR(t)]；
其中，*为卷积运算，PR(t)为桡动脉在t时刻的血压，PF(t-t1)和PF(t+t1)分别为指动脉在t+t1和t-t1时刻的血压，ΓF(t)为指动脉在t时刻的反射系数，t1为血流在桡动脉的血压测量位置与指动脉的血压测量位置之间的传播时间。
具体地，基于图2所示的单一动脉血管模型，血流从肱动脉2013到指动脉的血压测量位置2011之间的血管201中流动到远端血管202时，在血管201末端，由于阻抗不匹配，血流存在反射现象，从而出现该指动脉的反射系数。为了利用上述公式计算该反射系数ΓF(t)，由时域卷积原理：
将PR(t)-PF(t+t1)定义为y(t)，将PF(t-t1)-PR(t)定义为x(t)，将ΓF(t)定义为h(t)，并且利用傅里叶变化的性质：
可以将上述公式从时域变换到频域，在频域利用下述公式可以方便的计算出H(ω)：
再通过傅里叶变化的性质将计算出的H(ω)变换到时域，则可以得到指动脉的反射系数ΓF(t)。
当然，在其他实施例中也可以采用其他方法获得指动脉的反射系数，此处不做具体限定。
步骤S13：利用指动脉的反射系数分解指动脉的血压波形得到指动脉的血压测量位置的前进波和反射波；
其中，步骤S13进一步包括：
步骤S131：通过如下公式分解出指动脉的血压测量位置的前进波：
PF(t)＝pFf(t)+ΓF(t)*pFf(t)；
其中，*为卷积运算，PF(t)为指动脉在t时刻的血压，pFf(t)为指动脉的血压测量位置的前进波在t时刻的值，ΓF(t)为指动脉在t时刻的反射系数；
具体地，可以将上述公式变换为：
PF(t)＝[δ(t)+ΓF(t)]*pFf(t)；
利用时域卷积原理和傅里叶变化性质，可以计算出指动脉的血压测量位置的前进波pFf(t)，具体计算方法可以参考步骤S122，此处不再重复。
步骤S132：通过如下公式计算指动脉的血压测量位置的反射波：
pFb(t)＝ΓF(t)*pFf(t)；
其中，*为卷积运算，pFb(t)为指动脉的血压测量位置的反射波在t时刻的值，pFf(t)为指动脉的血压测量位置的前进波在t时刻的值，ΓF(t)为指动脉在t时刻的反射系数。
具体地，根据卷积计算公式：
将上述卷积计算公式中的y(t)、x(t)和h(t)分别替换为pFb(t)、pFf(t)和ΓF(t)，则可以计算出指动脉的血压测量位置的反射波pFb(t)。
步骤S14：利用指动脉的血压测量位置的前进波和反射波计算肱动脉的血压波形。
其中，步骤S14进一步包括：
步骤S141：获得血流从肱动脉到桡动脉的血压测量位置的传播时间；
进一步地，步骤S141具体包括：
步骤S1411：通过以下公式计算血流从肱动脉到桡动脉的血压测量位置的传播时间：
其中，t2为血流从肱动脉到桡动脉的血压测量位置的传播时间，t1为血流在桡动脉的血压测量位置与指动脉的血压测量位置之间的传播时间，L2为肱动脉到桡动脉的血压测量位置之间的血管长度，L1为桡动脉的血压测量位置与指动脉的血压测量位置之间的血管长度。
具体地，基于图2所示的单一动脉血管模型，血管201中各位置的血流速度相等，因此，血流从肱动脉2013到桡动脉的血压测量位置2012的传播时间t2和血流在桡动脉的血压测量位置2012与指动脉的血压测量位置2011之间的传播时间t1的比值等于肱动脉2013到桡动脉的血压测量位置2012之间的血管长度L2和桡动脉的血压测量位置2012与指动脉的血压测量位置2011之间的血管长度L1的比值，即
其中，可以通过人体解剖学获得桡动脉的血压测量位置2012之间的血管长度L2和桡动脉的血压测量位置2012与指动脉的血压测量位置2011之间的血管长度L1的值或者其比值，此处不做具体限定。因此，通过上述公式可以计算出血流从肱动脉2013到桡动脉的血压测量位置2012的传播时间t2。当然，在其他实施例中，也可以用其他方法获得血流从肱动脉2013到桡动脉的血压测量位置2012的传播时间t2，此处不做具体限定。
步骤S142：利用如下公式计算肱动脉的血压波形：
PB(t)＝pFf(t+t1+t2)+pFb(t-t1-t2)；
其中，PB(t)为肱动脉在t时刻的血压，pFf(t+t1+t2)为指动脉的血压测量位置的前进波在t+t1+t2时刻的值，pFb(t-t1-t2)为指动脉的血压测量位置的反射波在t-t1-t2时刻的值，t1为血流在桡动脉的血压测量位置与指动脉的血压测量位置之间的传播时间，t2为血流从肱动脉到桡动脉的血压测量位置的传播时间。
具体地，基于图2所示的单一动脉血管模型，血管201中指动脉的血压测量位置2011测得的前进波是由肱动脉2013的前进波经过t1+t2时间传播得到的，而肱动脉2013的反射波则是由指动脉的血压测量位置2011测得的反射波经过t1+t2时间传播得到的，由此可以通过指动脉的血压测量位置2011的前进波和反射波获得肱动脉2013的前进波和反射波，并且由于实际测得的血压波形是由前进波和反射波叠加而成的，因此利用上述公式将指动脉的血压测量位置2011的前进波和反射波变换后的得到的肱动脉2013的前进波和反射波相加，即可得到肱动脉的血压波形。
通过上述实施例，基于单一动脉血管模型，利用指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形两个外周血压波形，，计算出指动脉的反射系数，分解指动脉的血压波形得到指动脉的血压测量位置的前进波和反射波，最终计算出肱动脉的血压波形。由于指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形可以采用无创方式测量，利用指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形最终可以计算出肱动脉的血压波形，从而不需要向动脉内插入导管即可以获得连续的肱动脉血压波形，而且其中采用的血流传播时间、反射系数等个性化参数使得该方法具备更好的个体化适应性。
请参阅图3，图3是根据本发明第二实施例的基于双外周血压重建肱动脉血压的方法的流程图，是在本发明第一实施例的基础上，步骤S13进一步包括：
步骤S133：利用递推最小二乘自适应滤波方法计算指动脉的反射系数。
其中，递推最小二乘自适应滤波方法是一种自适应系统辨识方法，相对其它自适应滤波方法，递推最小二乘自适应滤波方法的收敛时间快，且系统基于有限脉冲响应滤波器，保证系统的稳定性，因此能较好地跟踪生理变化过程。由于指动脉的血管直径小，指动脉的反射系统容易受到血管平滑肌的影响，使其变异性增加，此处采用递推最小二乘自适应滤波方法跟踪指动脉的反射系数的变化过程。
具体地，如图4所示，基于如下公式：
PR(t)-PF(t+t1)＝ΓF(t)*[PF(t-t1)-PR(t)]；
将PR(t)-PF(t+t1)定义为y(t)，将PF(t-t1)-PR(t)定义为x(t)，而且，实际应用中，采集到的信号本质上是离散时间序列。因此，此处将连续的时域信号进行离散后处理，在离散时域中，上述公式的输入输出关系变化为：
y(n)＝ΓF(n)*x(n)；
基于递推最小二乘自适应滤波方法，可以将上述公式重新写成如下代价函数公式：
其中，J为代价函数值，为估计的脉冲响应序列，即估计的指动脉的反射系数，λ为遗忘因子。
为了得到最小的代价函数值，在初始化时，在输入信号x(n)和输出信号y(n)中预采集N个数据，其中N的值可以视具体情况而定，此处不做具体限定；通过预采集数据由标准最小二乘法确定初始参数C(0)为预采集数据输入信号的逆自相关矩阵；
递推计算中，对每一时刻的n，估计卡尔曼增益向量：
更新自适应滤波器的系数：
更新逆自相关矩阵：
其中，I为单位矩阵。
如图4所示，将初始系统参数作为递推最小二乘自适应滤波器的初始值，遗忘因子决定自适应算法的跟踪速度，即自适应滤波器的系数逆自相关矩阵C(n)的更新速度；输入信号x(n)通过自适应滤波器的系数估计后会得到一个预测值预测值和实际测量值y(n)之间存在误差e(n)；通过分析误差e(n)可以优化该自适应滤波器。若误差均值较大，说明滤波器遗忘过快，系统参数在真实值周围以较大幅度震荡；若误差收敛时间较慢，说明遗忘较慢，系统参数应加快更新；其中，优化该自适应滤波器的方法可视具体情况而定，此处不做具体限定。
此外，该方法采用的有限脉冲响应滤波器的阶数也可采用误差分析进行选择，通过阶数-误差分析，可以找到使平均误差收敛的最小阶数。这样可在保证阶数准确性的同时不增加滤波器的冗余信息，减少不必要的计算量。
本实施例可以与本发明第一实施例相结合。通过本实施例，通过递推最小二乘自适应滤波方法可以跟踪指动脉的反射系数的变化过程，从而减少血管平滑肌对指动脉的反射系数的影响，最终提高肱动脉血压波形计算的准确性。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于双外周血压重建肱动脉血压的方法，其特征在于，所述方法包括：
同步测量随时间变化的指动脉的血压波形和桡动脉的血压波形；
利用所述指动脉的血压波形和所述桡动脉的血压波形计算所述指动脉的反射系数；
利用所述指动脉的反射系数分解所述指动脉的血压波形得到所述指动脉的血压测量位置的前进波和反射波；
利用所述指动脉的血压测量位置的前进波和反射波计算肱动脉的血压。
2.根据权利要求1中的方法，其特征在于，所述利用所述指动脉的血压波形和所述桡动脉的血压波形计算所述指动脉的反射系数的步骤包括：
利用所述指动脉的血压波形和所述桡动脉的血压波形的相位差获得血流在所述桡动脉的血压测量位置与所述指动脉的血压测量位置之间的传播时间；
通过如下公式计算所述指动脉的反射系数：
PR(t)-PF(t+t1)＝ΓF(t)*[PF(t-t1)-PR(t)]；
其中，*为卷积运算，PR(t)为所述桡动脉在t时刻的血压，PF(t-t1)和PF(t+t1)分别为所述指动脉在t+t1和t-t1时刻的血压，ΓF(t)为所述指动脉在t时刻的反射系数，t1为血流在所述桡动脉的血压测量位置与所述指动脉的血压测量位置之间的传播时间。
3.根据权利要求2中的方法，其特征在于，所述通过如下公式计算所述指动脉的反射系数的步骤包括：
基于上述公式利用递推最小二乘自适应滤波方法计算所述指动脉的反射系数。
4.根据权利要求1中的方法，其特征在于，所述利用所述指动脉的反射系数分解所述指动脉的血压波形得到所述指动脉的血压测量位置的前进波和反射波的步骤包括：
通过如下公式分解出所述指动脉的血压测量位置的前进波：
PF(t)＝pFf(t)+ΓF(t)*pFf(t)；
其中，*为卷积运算，PF(t)为所述指动脉在t时刻的血压，pFf(t)为所述指动脉的血压测量位置的前进波在t时刻的值，ΓF(t)为所述指动脉在t时刻的反射系数；
通过如下公式计算所述指动脉的血压测量位置的反射波：
pFb(t)＝ΓF(t)*pFf(t)；
其中，*为卷积运算，pFb(t)为所述指动脉的血压测量位置的反射波在t时刻的值，pFf(t)为所述指动脉的血压测量位置的前进波在t时刻的值，ΓF(t)为所述指动脉在t时刻的反射系数。
5.根据权利要求1中的方法，其特征在于，所述利用所述指动脉的血压测量位置的前进波和反射波计算肱动脉的血压波形的步骤包括：
获得血流从所述肱动脉到所述桡动脉的血压测量位置的传播时间；
利用如下公式计算所述肱动脉的血压波形：
PB(t)＝pFf(t+t1+t2)+pFb(t-t1-t2)；
其中，PB(t)为所述肱动脉在t时刻的血压，pFf(t+t1+t2)为所述指动脉的血压测量位置的前进波在t+t1+t2时刻的值，pFb(t-t1-t2)为所述指动脉的血压测量位置的反射波在t-t1-t2时刻的值，t1为血流在所述桡动脉的血压测量位置与所述指动脉的血压测量位置之间的传播时间，t2为血流从所述肱动脉到所述桡动脉的血压测量位置的传播时间。
6.根据权利要求5中的方法，其特征在于，所述获得血流从所述肱动脉到所述桡动脉的血压测量位置的传播时间的步骤包括：
通过以下公式计算血流从所述肱动脉到所述桡动脉的血压测量位置的传播时间：
其中，t2为血流从所述肱动脉到所述桡动脉的血压测量位置的传播时间，t1为血流在所述桡动脉的血压测量位置与所述指动脉的血压测量位置之间的传播时间，L2为所述肱动脉到所述桡动脉的血压测量位置之间的血管长度，L1为所述桡动脉的血压测量位置与所述指动脉的血压测量位置之间的血管长度。
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