CN109363655A

CN109363655A - 基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置及方法

Info

Publication number: CN109363655A
Application number: CN201811541889.9A
Authority: CN
Inventors: 姚强; 王亚刚; 王凯
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2019-02-22

Abstract

本发明提供了一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置，具有这样的特征，包括：血压信号采集模块，具有袖带、与袖带连接的分支器、通过分支器与袖带连接的充气泵、通过分支器与袖带连接的定速排气阀、通过分支器与袖带连接的电磁排气阀以及通过分支器与袖带连接的压力传感器；控制模块，具有主控芯片、与主控芯片和电磁排气阀连接的第一驱动电路、与主控芯片和充气泵连接的第二驱动电路、与主控芯片和压力传感器连接的信号调理电路以及与主控芯片连接的蜂鸣器；液晶显示屏；蓝牙；以及电源。本发明还提供了一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置的血压测量方法，用于对收缩压与舒张压进行测量。

Description

基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种血压测量装置及方法，具体涉及一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置及方法。

背景技术

示波法的测量血压原理与柯氏音法相似，它是随着电子技术的飞速发展诞生的产物，基于微控制器的快速血压测量，同传统的柯氏音法一样，也是通过加压和减压来控制血管的关闭和打开，与其不同的是关闭和打开的动作是由微控制器经过一系列算法自动完成，从而获得血压的高压、低压以及心率等参数。示波法的测量过程中，首先对袖带充气来阻断上臂动脉血流，当压力加到一定值时停止充气泵的加压过程。这时候人体的脉搏波缓慢的呈现，然后缓慢的打开放气阀从而得到幅值变化明显的脉搏波，随着压力的逐渐减小，脉搏波上升到一个最大值后,脉搏波又逐渐呈现变小的趋势，直到脉搏波达到一个比较平稳的状态，随及打开快速放气阀实现快速放气过程从而结束测量，利用示波法进行血压测量原理如图1所示，MBP为平均压，SBP为收缩压，DBP为舒张压，Um为振荡波的最大幅值。示波法测血压的关键技术包含以下几点：对袖带压力的采集以及信号调理；振荡波信号去噪；振荡波峰值点的提取和去除干扰峰值点；振荡波包络线的选取；平均压、收缩压以及舒张压的计算。由于示波法进行的血压测量结果相比其他测量方法抗干扰性好、测量的重复性和准确性较好，因此使用示波法来进行血压测量得到了广泛的市场应用。

国内外研究专家一直致力于特别是示波法提升血压计的测量精度作不懈的努力。Deng Chen等人以示波法测量技术基础，以STM32作为主控芯片、压力传感器、充气泵、液晶显示屏和袖套构成的一套高性能的无创血压测量设备。脉搏波的包络线采用高斯拟合曲线，它的最大改进之处就是采用了极大似然估计法去估算高斯拟合参数，以此提高血压计的计算精度。采用极大似然估计法需要多次迭代计算，即使使用快速递归算法，和高斯拟合相比它的时间复杂度大的多，而且脉搏波的峰值点包络线是非对称的，采用的高斯拟合曲线是对称曲线，所以采用这种方法获取的血压值误差还是偏大的；Jiankun Liu等人认为传统的幅度系数法：即收缩压和舒张压的比例系数固定不变这种方法不可取，进而提出了一种考虑多因素如血管弹性、袖带气体体积和脉搏波建立计算模型，该方法也是以示波法测量过程为基础，确定出模型中的未知参数，最后计算出血压模型中的收缩压和舒张压。经过计算机建模仿真得知该方法的计算准确度要高于传统的幅度系数法，但是该方案在实际使用的各类误差并没有被充分考虑，仅仅是理想状态下的估算，所以实际效果如何还有待进一步验证；Hung-Wen Diao等人认为目前为止市面上的电子血压计大多是基于示波法的测量原理，但是血压测量值并不是十分理想，当脉搏波噪声比较小，峰值点明显容易提取的时候，测量结果相对可靠点，当脉搏波波形比较复杂、干扰大和峰值点不明显不易提取的时候测量结果往往不可靠达不到理想效果，其中的一个很重要的原因就是采用的幅度系数不够准确，因为脉搏波包络线的特征对于幅度系数有较大的影响，所以文章提出采用直接序列比较、数据挖掘等方法应用于脉搏波特征序列提取中，然后再对脉搏波分类，采样这种方法就可以让血压测量系统根据不同的脉搏波特征选取不同的幅度系数，从而提升血压测量精度，但是该文献仅仅是提出了这种方法，并没有将这种方法应用于实践；Min Chen等人同样是在示波法测血压的基础之上，对测量方法加以升级改进，他们提出在袖带加压的过程中估计血压的平均压和心率值，首先判断被测量者的生理情况，例如是否患有心率不齐，其次在袖带放气减压的过程中计算身体的收缩压和舒张压，运用了移动窗口中值滤波法从袖带的压力信号中分离出脉搏波信号，然后对脉搏波峰值点进行高斯曲线拟合，最后计算出血压值，从测量的结果来看，测量准确度基本有效，但是若将心率不齐因素加进去，测量误差就会比较大。同样的原因，因为高斯曲线是对称曲线，对于患有心率不齐等异常的测量者，高斯曲线拟合脉搏波峰值点的效果比较差；Kurt Barbe等人认为基于示波法的电子血压计很多值得商榷的地方，首先每个厂家采用的血压计算方法都不完全一样，此外这些血压在理想情况测量结果都令人满意，但是一旦应用在病理情况下其测量结果就不尽如人意了。临床上有创血压法测得的动脉脉搏波频谱和心脏谐波的频谱具有很相似的特点，基于这一特点文章提出了结合心脏基础频率和谐波的方法计算收缩压和舒张压。在一定程度上该算法提高了血压测量精度，但是心脏基础频率和谐波都是基于传感器获取的脉搏波提取得到的，计算过程比较复杂，而且文章没有提供复杂条件下的对比分析，测量血压的有效性和实用性还有待进一步验证。Soojeong Lee等人认为传统的幅度系数法即采用固定的收缩压和舒张压比列系数不是不完善的，因为该比例系数也是通过实验获取的是一个经验获取值，不具有理论说服性也就无法保证具有科学有效性，所以该文章提出了采用高斯混合回归算法来确定血压比例系数，从而在确定收缩压和舒张压数值。提出的这种方法实际上只是为确定比例系数提供了一种理论层面的途径，其实际过程还是需要通过传感器获取的脉搏波中提取特征参数。所以，脉搏波峰值点包络线的精确性依然最终血压测量精度的关键性因素。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置。

本发明提供了一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置，具有这样的特征，包括：血压信号采集模块，具有袖带、与袖带连接的分支器、通过分支器与袖带连接的用于对袖带进行充气加压的充气泵、通过分支器与袖带连接的用于对袖带进行均匀放气的定速排气阀、通过分支器与袖带连接的用于对袖带进行快速放气的电磁排气阀以及通过分支器与袖带连接的通过采集袖带的压力值来产生压力信号的压力传感器；控制模块，具有用于智能控制与数据处理的主控芯片、与主控芯片和电磁排气阀连接的用于对电磁排气阀进行控制的第一驱动电路、与主控芯片和充气泵连接的用于对充气泵进行控制的第二驱动电路、与主控芯片和压力传感器连接的用于对压力信号进行信号调理的信号调理电路以及与主控芯片连接的用于发出警报声来提醒测量结束的蜂鸣器；液晶显示屏，与主控芯片连接，用于显示测量得到的血压数据；蓝牙，与主控芯片连接，用于将血压数据发送至手机终端；以及电源，与血压信号采集模块、控制模块、液晶显示屏以及蓝牙电性连接，用于提供稳定的直流电源来使得各个部件进行工作，其中，分支器与袖带、充气泵、定速排气阀、电磁排气阀以及压力传感器之间通过橡胶管连接。

本发明还提供了一种采用基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置的血压测量方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，通过压力传感器采集袖带的压力值来得到压力信号，并通过信号调理电路对压力信号进行信号调理来得到振荡波信号；

步骤2，对振荡波信号进行去噪，得到去噪后的振荡波信号，并对去噪后的振荡波信号进行滤波处理得到振荡波曲线，提取振荡波曲线中的峰值点并对峰值点中的干扰点进行处理；

步骤3，根据如下公式：

从振荡波曲线的起点到终点对n个峰值点的波峰值进行累加；

步骤4，根据如下公式：

λ_i＝y_iΔx/s (3)，

计算从振荡波信号曲线的起点到第k个峰值点的累加和，当E_k＝0.5时，峰值点对应线段的终点即为振荡波曲线的包络线的最大值点，该最大值点对应的静压力即为平均压；

步骤5：通过测得的平均压来确定收缩压与舒张压的幅度系数，从而计算得到收缩压与舒张压，

其中，公式(1)和公式(2)中，Δ_x为相邻的峰值点之间的间距，y_i为第i个峰值点的波峰值。

在本发明提供的一种采用基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置的血压测量方法中，还具有这样的特征：其中，步骤2中还包括以下子步骤：步骤2-1，对去噪后的振荡波信号进行5点平滑滤波来得到振荡波曲线，再利用差分法找出振荡波曲线的最大斜率值的所在位置，相邻的两个最大斜率值之间的最大值处即为振荡波的峰值点的所在位置；

步骤2-2，对于第i个峰值点，当横坐标与纵坐标同时满足0.8y_i-1≤y_i≤1.2y_i-1与0.8(x_i-1-x_i-2)≤x_i-x_i-1≤1.2(x_i-1-x_i-2)时，保留第i个峰值点，当只有纵坐标满足0.8y_i-1≤y_i≤1.2y_i-1时，根据公式x_i＝(x_i-1+x_i+1)/2来对第i个峰值点的横坐标进行修正，当只有横坐标满足0.8(x_i-1-x_i-2)≤x_i-x_i-1≤1.2(x_i-1-x_i-2)时，根据公式y_i＝(y_i-1+y_i+1)/2来对第i个峰值点的纵坐标进行修正，当横坐标与纵坐标均不满足0.8y_i-1≤y_i≤1.2y_i-1与0.8(x_i-1-x_i-2)≤x_i-x_i-1≤1.2(x_i-1-x_i-2)时，剔除第i个峰值点。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置，因此装置操作简便，血压测量精度高，所以，能够快速准确的对使用者的血压数据进行测量；因为设置有蓝牙能与手机终端进行通信，所以，能够实现血压数据的无线传输，便于使用者进行数据监控。另外，本发明还提供了一种血压测量方法，结合了拐点法和幅度系数法来对干扰点进行排除，并在幅度系数规定的范围类查找拐点，从而使得测得的收缩压和舒张压更准确，并且由于系数差分比值法不需要进行振荡波包络线拟合，因此简化了运算，同时克服了传统系数差分对平均压附近的突变点误判的缺陷。因此，本发明的一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置及方法，能够便捷的对血压进行测量，并且能够保证血压测量数据的精确稳定。

附图说明

图1是本发明的背景技术中的示波法血压测量原理图；

图2是本发明的实施例中的一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置的系统框架图；

图3是本发明的实施例中的袖带的实物图；

图4是本发明的实施例中的气泵的实物图；

图5是本发明的实施例中的定速排气阀的实物图；

图6是本发明的实施例中的电磁排气阀的实物图；

图7是本发明的实施例中的压力传感器的实物图；

图8是本发明的实施例中的主控芯片的实物图；

图9是本发明的实施例中的实现蓝牙功能的电路板实物图；

图10是本发明的实施例中的一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置的蓝牙功能示意图；

图11是本发明的实施例中的去噪滤波处理后的振荡波信号的曲线示意图；

图12是本发明的实施例中的累积分布函数计算平均压时的函数曲线示意图；

图13是本发明的实施例中高斯函数的函数曲线示意图；

图14是本发明的实施例中高斯累积分布函数的函数曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

图2是本发明的实施例中的一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置的系统框架图。

如图2所示，本实施例的一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置100，包括血压信号采集模块10、控制模块20、液晶显示屏30、蓝牙40以及电源50。

图3是本发明的实施例中的袖带的实物图，图4是本发明的实施例中的气泵的实物图，图5是本发明的实施例中的定速排气阀的实物图，图6是本发明的实施例中的电磁排气阀的实物图，图7是本发明的实施例中的压力传感器的实物图，图8是本发明的实施例中的主控芯片的实物图，图9是本发明的实施例中的实现蓝牙功能的电路板实物图。

如图3至图9所示，血压信号采集模块10，具有袖带11、与袖带11连接的分支器12、通过分支器12与袖带11连接的用于对袖带11进行充气加压的充气泵13、通过分支器12与袖带11连接的用于对袖带11进行均匀放气的定速排气阀14、通过分支器12与袖带11连接的用于对袖带11进行快速放气的电磁排气阀15以及通过分支器12与袖带11连接的通过采集袖带11的压力值来产生压力信号的压力传感器16。

控制模块20，具有用于智能控制与数据处理的主控芯片21、与主控芯片21和电磁排气阀15连接的用于对电磁排气阀15进行控制的第一驱动电路22、与主控芯片21和充气泵13连接的用于对充气泵13进行控制的第二驱动电路23、与主控芯片21和压力传感器16连接的用于对压力信号进行信号调理的信号调理电路24以及与主控芯片21连接的用于发出警报声来提醒测量结束的蜂鸣器25。

液晶显示屏30，与主控芯片21连接，用于显示测量得到的血压数据。

蓝牙40，与主控芯片21连接，用于将血压数据发送至手机终端。

图10是本发明的实施例中的一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置的蓝牙功能示意图。

如图10所示，手机终端与血压测量装置之间通过蓝牙40进行相互通信。

电源50，与血压信号采集模块10、控制模块20、液晶显示屏30以及蓝牙40电性连接，用于提供稳定的直流电源来使得各个部件进行工作。

分支器12与袖带11、充气泵13、定速排气阀14、电磁排气阀15以及压力传感器16之间通过橡胶管连接。

本实施例还提供了一种采用基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置100的血压测量方法，包括以下步骤：

步骤1，通过压力传感器16采集袖带11的压力值来得到压力信号，并通过信号调理电路24对压力信号进行信号调理来得到振荡波信号。

步骤2，对振荡波信号进行去噪，得到去噪后的振荡波信号，并对去噪后的振荡波信号进行滤波处理得到振荡波曲线，提取振荡波曲线中的峰值点并对峰值点中的干扰点进行处理，处理后的剩余峰值点的连线形成。

图11是本发明的实施例中的去噪滤波处理后的振荡波信号的曲线示意图。

如图11所示，振荡波曲线中能够提取出多个峰值点。

步骤2中还包括以下子步骤：步骤2-1，对去噪后的振荡波信号进行5点平滑滤波来得到振荡波曲线，再利用差分法找出振荡波曲线的最大斜率值的所在位置，相邻的两个最大斜率值之间的最大值处即为振荡波的峰值点的所在位置。

步骤3，根据如下公式：

从振荡波曲线的起点到终点对n个峰值点的波峰值进行累加。

步骤4，根据如下公式：

λ_i＝y_iΔx/s (3)，

计算从振荡波信号曲线的起点到第k个峰值点的累加和，当E_k＝0.5时，峰值点对应线段的终点即为振荡波曲线的包络线的最大值点，该最大值点对应的静压力即为平均压。

图12是本发明的实施例中的累积分布函数计算平均压时的函数曲线示意图。

如图12所示，利用累积分布函数法计算平均压的计算准确度和算法耗时与采样间隔有关，采样越多定位精度越高但算法耗时越多，反之采样越少算法耗时约少但定位精度越低，与高斯拟合算法相比，省略去了拟合运算，计算量大大减小了，由于累积分布函数法采用了累加方法，因此具有一定抗噪性能。

图13是本发明的实施例中高斯函数的函数曲线示意图，图14是本发明的实施例中高斯累积分布函数的函数曲线示意图。

如图13和图14所示，本实施例的估算平均压的原理如下：根据高斯曲线拟合的血压测量方法可以了解到，振荡波峰值点采用高斯曲线拟合最为合理，高斯拟合曲线最大值点对应的静压力为血压平均压，如果将高斯函数看作是密度函数，那么高斯密度函数的累积分布函数为

当高斯累积分布函数值为0.5时对应的位置与高斯密度函数的极值点位置是同一位置，即当高斯累积分布函数值为0.5时，高斯密度函数取得最大值，此时对应的静压力即为血压平均压。

步骤5：通过测得的平均压来确定收缩压与舒张压的幅度系数，从而计算得到收缩压与舒张压，平均压与收缩压的比例系数关系如表1所示，平均压与舒张压的比例系数关系如表2所示。

表1平均压与收缩压的比例系数关系表

表2平均压与舒张压的比例系数关系表

平均压区间(mmHg)	比例系数K<sub>d</sub>
		>180	0.75
(140,180]	0.82
		(120,140]	0.85
(60,120]	0.78
		(50,60]	0.60
≤50	0.50

采用本实施例中的一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置进行性能测试的过程如下：

挑选14名身心健康的志愿者，其中青年志愿者和老年者愿者各7名，对14名志愿者分别采用本实施例的血压测量装置和水银血压计测量其收缩压和舒张压，并记录结果，来对测量准确度进行测试，测量结果如表3所示，

表3本实施例的血压测量装置和水银血压计的关于测量准确度的测量数据对比表

再挑选其中的任意1名志愿者采集血压10次，并记录其结果，来对重复精度进行测试，测量结果如表4所示，

表4本实施例的血压测量装置和水银血压计的关于重复精度的测量数据对比表

根据表3可知，本实施例的血压测量装置测量的收缩压的绝对误差平均值为4.86mmHg，绝对误差的标准差为1.88mmHg，舒张压的绝对误差平均值为3.43mmHg，绝对误差的标准差为1.29mmHg，水银血压计测量的血压值被公认为金标准，由此可知本实施例的血压测量装置测得血压的绝对误差小于8mmHg，标准差小于5mmHg，符合美国AAMI国际标准，血压测量误差小于等于5mmHg的比例大于77％，血压测量误差小于等于10mmHg的比例大于90％，血压测量误差小于等于15mmHg的比例大于95％，接近英国BHS(A)标准。

根据表4可知，本实施例的血压测量装置在重复精度方面的性能优于水银血压计，因为水银血压计受测量者的主观因素影响，所以较电子血压计波动较大。

综上所述，本实施例的血压测量装置能够有效的保证测量准确度和重复精度。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置，因此装置操作简便，血压测量精度高，所以，能够快速准确的对使用者的血压数据进行测量；因为设置有蓝牙能与手机终端进行通信，所以，能够实现血压数据的无线传输，便于使用者进行数据监控。另外，本实施例还提供了一种血压测量方法，结合了拐点法和幅度系数法来对干扰点进行排除，并在幅度系数规定的范围类查找拐点，从而使得测得的收缩压和舒张压更准确，并且由于系数差分比值法不需要进行振荡波包络线拟合，因此简化了运算，同时克服了传统系数差分对平均压附近的突变点误判的缺陷。因此，本实施例的一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置及方法，能够便捷的对血压进行测量，并且能够保证血压测量数据的精确稳定。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置，其特征在于，包括：

血压信号采集模块，具有袖带、与所述袖带连接的分支器、通过所述分支器与所述袖带连接的用于对所述袖带进行充气加压的充气泵、通过所述分支器与所述袖带连接的用于对所述袖带进行均匀放气的定速排气阀、通过所述分支器与所述袖带连接的用于对所述袖带进行快速放气的电磁排气阀以及通过所述分支器与所述袖带连接的通过采集所述袖带的压力值来产生压力信号的压力传感器；

控制模块，具有用于智能控制与数据处理的主控芯片、与所述主控芯片和所述电磁排气阀连接的用于对所述电磁排气阀进行控制的第一驱动电路、与所述主控芯片和所述充气泵连接的用于对所述充气泵进行控制的第二驱动电路、与所述主控芯片和所述压力传感器连接的用于对所述所述压力信号进行信号调理的信号调理电路以及与所述主控芯片连接的用于发出警报声来提醒测量结束的蜂鸣器；

液晶显示屏，与所述主控芯片连接，用于显示测量得到的血压数据；

蓝牙，与所述主控芯片连接，用于将所述血压数据发送至手机终端；以及

电源，与所述血压信号采集模块、所述控制模块、所述液晶显示屏以及所述蓝牙电性连接，用于提供稳定的直流电源来使得各个部件进行工作，

其中，所述分支器与所述袖带、所述充气泵、所述定速排气阀、所述电磁排气阀以及所述压力传感器之间通过橡胶管连接。

2.一种采用如权利要求1所述的基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置的血压测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过所述压力传感器采集所述袖带的所述压力值来得到所述压力信号，并通过所述信号调理电路对所述压力信号进行信号调理来得到振荡波信号；

步骤2，对所述振荡波信号进行去噪，得到去噪后的所述振荡波信号，并对去噪后的所述振荡波信号进行滤波处理得到振荡波曲线，提取所述振荡波曲线中的峰值点并对所述峰值点中的干扰点进行处理；

步骤3，根据如下公式：

从所述振荡波曲线的起点到终点对n个所述峰值点的波峰值进行累加；

步骤4，根据如下公式：

λ_i＝y_iΔx/s (3)，

计算从所述振荡波信号曲线的所述起点到第k个所述峰值点的累加和，当E_k＝0.5时，所述峰值点对应线段的终点即为所述振荡波曲线的包络线的最大值点，该最大值点对应的静压力即为平均压；

步骤5：通过测得的所述平均压来确定收缩压与舒张压的幅度系数，从而计算得到所述收缩压与所述舒张压，

其中，公式(1)和公式(2)中，Δ_x为相邻的所述峰值点之间的间距，y_i为所述第i个所述峰值点的波峰值。

3.根据权利要求1所述的一种基于示波法和累积分布函数估算的血压测量装置，其特征在于：

其中，所述步骤2中还包括以下子步骤：

步骤2-1，对去噪后的所述振荡波信号进行5点平滑滤波来得到所述振荡波曲线，再利用差分法找出所述振荡波曲线的最大斜率值的所在位置，相邻的两个所述最大斜率值之间的最大值处即为振荡波的所述峰值点的所在位置；

步骤2-2，对于第i个所述峰值点，当横坐标与纵坐标同时满足0.8y_i-1≤y_i≤1.2y_i-1与0.8(x_i-1-x_i-2)≤x_i-x_i-1≤1.2(x_i-1-x_i-2)时，保留所述第i个所述峰值点，当只有所述纵坐标满足0.8y_i-1≤y_i≤1.2y_i-1时，根据公式x_i＝(x_i-1+x_i+1)/2来对所述第i个所述峰值点的所述横坐标进行修正，当只有所述横坐标满足0.8(x_i-1-x_i-2)≤x_i-x_i-1≤1.2(x_i-1-x_i-2)时，根据公式y_i＝(y_i-1+y_i+1)/2来对所述第i个所述峰值点的所述纵坐标进行修正，当横坐标与纵坐标均不满足0.8y_i-1≤y_i≤1.2y_i-1与0.8(x_i-1-x_i-2)≤x_i-x_i-1≤1.2(x_i-1-x_i-2)时，剔除所述第i个所述峰值点。