CN109480802B - 一种基于波形分析技术的血压参数估计系统及方法 - Google Patents

一种基于波形分析技术的血压参数估计系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于波形分析技术的血压参数估计系统和方法，包括血压参数估计系统获取受试者肱动脉血压和脉搏波信号以及待测量部位的脉搏波信号；采用血压估计系统的数据处理模块对输入数据处理，系统的输出模块输出待测量部位的舒张压、收缩压、脉压以及肱动脉到测量部位的脉搏波传导时间；所述的肱动脉脉搏波信号和待测量部位的脉搏波信号为同义时刻采集的一组脉搏波信号。本发明旨在准确的估计脉搏波传导时间，同时实现无创测量人体不同部位血压，尤其是不容易直接测量血压部位的动脉血压。

Description

一种基于波形分析技术的血压参数估计系统及方法
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域，具体涉及一种基于波形分析的血压参数估计系统及方法。
背景技术
心血管疾病是造成世界范围内致残和过早死亡的主要原因，据世界心脏联盟统计，全世界范围内每死亡3人中，就有1人的死因是心血管病症。在我国，近年来随着居民生活水平的不断提高，饮食结构的不断变化，加上自然环境的恶化，中老年人心血管疾病的患病率、发病率和死亡率都呈逐年上升的趋势。早期发现心脏和血管机能的改变，并且通过加强对生活方式的干预和适当的药物治疗能够减少心血管疾病对人类生命和健康的危害。
动脉弹性减退是多种心血管危险因素对血管壁早期损害的综合反映，它不仅是血管病变早期具有特异性和敏感性的标志，而且是一种高危因素，参与心血管疾病的发生和发展。脉搏波传导速度(pulse wave velocity,PWV)测定是目前常用的无创动脉弹性功能检测指标之一，有研究表明，通过测量动脉系统中不同部位的PWV，可评估不同动脉血管节段的弹性，对于进一步了解心血管疾病病理生理基础具有重要的临床意义。
计算PWV的关键之一是脉搏波传导时间(pulse transit time,PTT)。目前常用估算PTT的方法有舒张期极小值法、切线相交法、一阶导数极大值法和二阶导数极大值法。这类方法共同特点是通过确定近端脉搏波波形和远端脉搏波波形上的特征点，通过特征点的位置确定PTT。但是由于脉搏波在人体血管内传播过程中波形会发生改变，特征点也会因此而改变，最终影响计算PTT和PWV的精度。
血压是人体非常重要的一个生理参数，它反映了人体心脏与血管的健康状况，也是临床上作为疾病诊断和治疗效果评价的重要参考指标之一。目前常用的无创血压测量方法有柯氏音听诊法和示波法，这两种方法只使用与易于绑扎充气袖带部位的动脉(如肱动脉和踝动脉)，对于其他动脉如劲动脉和股动脉则不适用这种无创的血压测量方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于波形分析的血压参数估计系统及方法，以准确的估计脉搏波传导时间，同时实现无创测量人体不同部位，尤其是不容易直接测量血压部位的动脉血压。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于波形分析的血压参数估计系统，以准确的估计脉搏波传导时间，同时实现无创测量人体不同部位，尤其是不容易直接测量血压部位的动脉血压。该系统包括：血压测量装置、两个脉搏波采集装置、波形分析装置和结果输出装置；
所述血压测量装置，用于获取受试者肱动脉收缩压Bsbp和肱动脉舒张压Bdbp；
所述两个脉搏波采集装置，用于同时采集受试者肱动脉脉搏波信号和待测量部位的脉搏波信号；
所述波形分析装置，通过波形分析技术，对采集的肱动脉血压、肱动脉脉搏波信号以及待测部位的动脉脉搏波信号分析处理；
所述结果输出装置，用于输出待测部位动脉的血压参数；
所述波形分析装置是通过对采集的动脉脉搏波信号BS和待测部位动脉脉搏波信号CS波形分析处理，具体包括以下步骤：
步骤(1)选定肱动脉脉搏波信号BS上升阶段斜率最大值点，记作bMaxPoint；选定肱动脉脉搏波信号BS舒张期极小值点，记作bMinPoint；选取待测部位动脉脉搏波信号CS上升阶段斜率最大值点，记作cMaxPoint；选定待测部位动脉脉搏波信号CS舒张期极小值点，记作cMinPoint；以位于bMaxPoint和bMinPoint之间的波形作为肱动脉待匹配压力波形Bpr；以位于cMaxPoint和cMinPoint之间的波形作为待测量部位的待匹配动脉压力波形Cpr；
步骤(2)对所属的压力波形Bpr和Cpr作如下归一化处理：
2a.将脉搏波信号BS和CS映射[0,100]区间，此时两个待匹配的压力波形分别记为Bpr(t)和Cpr(t)
2b.将压力波形Cpr乘以一个拉伸系数E(k)＝(1+k/10)，得到第k次拉伸后的压力波形Cprk(t)＝Cpr(t)×(1+k/10)，k为不小于0的整数；
2c.根据点bMinPoint、cMinPoint、bMaxPoint、cMaxPoint的位置，采用如下的原则确定压力波形Bpr和Cpr的有效匹配区域，分别记做为SBprk、SCprk：
比较点bMinPoint和点cMinPoint处的幅值大小：若bMinPoint处幅值>cMinPoint处幅值，则以bMinPoint作为肱动脉待匹配压力波形的起点，记做bStartPoint，以bMinPoint处的幅值为标尺，确定压力波形Cprk(t)对应该幅值的点作为待测量部位待匹配的动脉压力波形的起点，记作cStartPoint；
若bMinPoint处幅值≤cMinPoint处幅值，则以cMinPoint作为待测量部位待匹配的压力波形的起点，记做cStartPoint，以cMinPoint处的幅值为标尺，确定压力波形Bpr(t)对应该幅值的点作为待匹配肱动脉动脉压力波形的起点，记作bStartPoint；
比较点bMaxPoint和点cMaxPoint处的幅值大小：若bMaxPoint处幅值≤cMaxPoint处幅值，则以bMaxPoint作为肱动脉待匹配压力波形的终点，记做bEndPoint，以bMaxPoint处的幅值为标尺，确定压力波形Cprk(t)对应该幅值的点作为待测量部位待匹配的动脉压力波形的终点，记作cEndPoint；
若bMaxPoint处幅值>cMaxPoint处幅值，则以cMaxPoint作为待测量部位待匹配的压力波形的终点，记做cEndPoint，以cMaxPoint处的幅值为标尺，确定压力波形Bpr(t)对应该幅值的点作为待匹配肱动脉动脉压力波形的终点，记作bEndPoint；
2d.通过平行移动肱动脉压力波形SBprk，使得bStartPoint、bEndPoint、cStartPoint、cEndPoint四个点构成与两个动脉压力波形构成的区域面积SAD最小，此时对肱动脉压力波形SBprk移动的时间长度即为第k次对压力波形Cpr拉升后获得的脉搏波传导时间PPT(k)，并记录肱动脉压力波形SBprk各采样点与压力波形SCprk相应采样点的幅值差的绝对值SAD(k)以及拉伸系数E(k)；
2e.如果出现SAD(k)<SAD(k-1)时则停止对压力波形Cpr拉伸，肱动脉到待测量部位的脉搏波传导时间为PTT＝PPT(k)。
步骤(3)根据上一步获得脉搏波波形拉伸系数和脉搏波传导时间计算待测量部位动脉血压脉压差Cpp＝(Bsbp-Bdbp)×E(k)，待测量部位动脉舒张压Cdbp＝Bdbp-λ×PPT(k)，待测量部位动脉收缩压Csbp＝Cdbp+Cpp。
所述血压参数包括舒张压、收缩压、脉压以及肱动脉到测量部位的脉搏波传导时间。
一种基于波形分析技术的血压参数估计方法，包括以下步骤：
步骤(1)利用血压装置测量受试者的肱动脉血压；
步骤(2)采用两个脉搏波采集装置同时采集受试者肱动脉脉搏波信号和待测量部位的脉搏波信号；
步骤(3)对采集肱动脉脉搏波信号和待测量部位的脉搏波信号进行匹配波形分析计算出待测量部位的舒张压、收缩压、脉压以及肱动脉到测量部位的脉搏波传导时间。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过采集的肱动脉脉搏波波形信号和待测量部位动脉脉搏波形信号上各选取一段区域波形，通过波形匹配技术获得脉搏波传导时间，提高了PWV的测量精度，同时与传统的单个特征点确定PTT方法相比具有更强的抗噪能力；
(2)本发明在波形分析过程中，通过对待测量部位的脉搏波逐步拉伸，然后再于待匹配的肱动脉压力波形匹配分析，无需对待测量部位的动脉压力波形标定，而且可以利用波形匹配分析获得的PTT值和拉伸系数估计待测量部位的动脉血压参数，实现无创测量人体不同部位，尤其是不容易直接测量血压部位的动脉血压。
附图说明
图1为本发明实施例中的基于波形分析技术的血压参数估计系统；
图2为本发明实施例中基于波形分析技术的血压参数估计方法；
图3为本发明实施例中基于波形分析技术的血压参数估计系统中波形分析装置实施示例。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。
本发明一种基于波形分析的血压参数估计系统，如图1所示包括：血压测量装置101、肱动脉脉搏波采集装置102、待测量部位的动脉脉搏波采集装置103、波形分析装置201和结果输出装置301；
血压测量装置101，用于获取受试者肱动脉收缩压Bsbp和肱动脉舒张压Bdbp；
两个脉搏波采集装置102和103，分别用于同时采集受试者肱动脉脉搏波信号和待测量部位的脉搏波信号；
波形分析装置201，通过波形分析技术，对采集的肱动脉血压、肱动脉脉搏波信号以及待测部位的动脉脉搏波信号分析处理；
结果输出装置301，用于输出待测部位动脉的血压参数，包括舒张压、收缩压、脉压以及肱动脉到测量部位的脉搏波传导时间；
波形分析装置201是通过对采集的动脉脉搏波信号BS和待测部位动脉脉搏波信号CS波形分析处理，具体包括以下步骤：
(1)选定肱动脉脉搏波信号BS上升阶段斜率最大值点，记作bMaxPoint；选定肱动脉脉搏波信号BS舒张期极小值点，记作bMinPoint；选取待测部位动脉脉搏波信号CS上升阶段斜率最大值点，记作cMaxPoint；选定待测部位动脉脉搏波信号CS舒张期极小值点，记作cMinPoint；以位于bMaxPoint和bMinPoint之间的波形作为肱动脉待匹配压力波形Bpr；以位于cMaxPoint和cMinPoint之间的波形作为待测量部位待匹配动脉压力波形Cpr。
(2)对所属的压力波形Bpr和Cpr作如下归一化处理：
2a.将脉搏波信号BS和CS映射[0,100]区间，此时两个待匹配的压力波形分别记为Bpr(t)和Cpr(t)，如图3(a)所示；
2b.将压力波形Cpr乘以一个拉伸系数E(k)＝(1+k/10)，得到第k次拉伸后的压力波形Cprk(t)＝Cpr(t)×(1+k/10)，k为不小于0的整数；
2c.根据点bMinPoint、cMinPoint、bMaxPoint、cMaxPoint的位置，采用如下的原则确定压力波形Bpr和Cpr的有效匹配区域，分别记做为SBprk、SCprk：
比较点bMinPoint和点cMinPoint处的幅值大小：若bMinPoint处幅值>cMinPoint处幅值，则以bMinPoint作为肱动脉待匹配压力波形的起点，记做bStartPoint，以bMinPoint处的幅值为标尺，确定压力波形Cprk(t)对应该幅值的点作为待测量部位待匹配的动脉压力波形的起点，记作cStartPoint；
若bMinPoint处幅值≤cMinPoint处幅值，则以cMinPoint作为待测量部位待匹配的压力波形的起点，记做cStartPoint，以cMinPoint处的幅值为标尺，确定压力波形Bpr(t)对应该幅值的点作为待匹配肱动脉动脉压力波形的起点，记作bStartPoint；
比较点bMaxPoint和点cMaxPoint处的幅值大小：若bMaxPoint处幅值≤cMaxPoint处幅值，则以bMaxPoint作为肱动脉待匹配压力波形的终点，记做bEndPoint，以bMaxPoint处的幅值为标尺，确定压力波形Cprk(t)对应该幅值的点作为待测量部位待匹配的动脉压力波形的终点，记作cEndPoint；
若bMaxPoint处幅值>cMaxPoint处幅值，则以cMaxPoint作为待测量部位待匹配的压力波形的终点，记做cEndPoint，以cMaxPoint处的幅值为标尺，确定压力波形Bpr(t)对应该幅值的点作为待匹配肱动脉动脉压力波形的终点，记作bEndPoint；
2d.如图3(b)所示，通过平行移动肱动脉压力波形SBprk，使得bStartPoint、bEndPoint、cStartPoint、cEndPoint四个点构成与两个动脉压力波形构成的区域面积SAD最小，此时对肱动脉压力波形SBpr移动的时间长度即为第k次对压力波形Cpr拉升后获得的脉搏波传导时间PPT(k)，并记录肱动脉压力波形SBprk各采样点与压力波形SCprk相应采样点的幅值差的绝对值SAD(k)以及拉伸系数E(k)；
2e.如果出现SAD(k)<SAD(k-1)时则停止对压力波形Cpr拉伸，肱动脉到待测量部位的脉搏波传导时间为PTT＝PPT(k)。
(3)根据上一步获得脉搏波波形拉伸系数和脉搏波传导时间计算待测量部位动脉血压脉压差Cpp＝(Bsbp-Bdbp)×E(k)，待测量部位动脉舒张压Cdbp＝Bdbp-λ×PPT(k)，待测量部位动脉收缩压Csbp＝Cdbp+Cpp。
总之，本发明通过波形匹配技术获得脉搏波传导时间，提高了PWV的测量精度，同时实现无创测量人体不同部位，尤其是不容易直接测量血压部位的动脉血压。
以上所述仅为本发明的一个实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同和替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于波形分析技术的血压参数估计系统，其特征在于，包括：
血压测量装置，用于获取受试者肱动脉收缩压Bsbp和肱动脉舒张压Bdbp；
两个脉搏波采集装置，用于同时采集受试者肱动脉脉搏波信号和待测量部位的脉搏波信号；
波形分析装置，通过波形分析技术，对采集的肱动脉血压、肱动脉脉搏波信号以及待测部位的动脉脉搏波信号分析处理；
结果输出装置，用于输出待测部位动脉的血压参数；
所述波形分析装置是通过对采集的动脉脉搏波信号BS和待测部位动脉脉搏波信号CS波形分析处理，具体包括以下步骤：
步骤(1)选定肱动脉脉搏波信号BS上升阶段斜率最大值点，记作bMaxPoint；选定肱动脉脉搏波信号BS舒张期极小值点，记作bMinPoint；选取待测部位动脉脉搏波信号CS上升阶段斜率最大值点，记作cMaxPoint；选定待测部位动脉脉搏波信号CS舒张期极小值点，记作cMinPoint；以位于bMaxPoint和bMinPoint之间的波形作为肱动脉待匹配压力波形Bpr；以位于cMaxPoint和cMinPoint之间的波形作为待测量部位待匹配动脉压力波形Cpr；
步骤(2)对所属的压力波形Bpr和Cpr作如下归一化处理：
2a.将脉搏波信号BS和CS映射[0,100]区间，此时两个待匹配的压力波形分别记为Bpr(t)和Cpr(t)；
2b.将压力波形Cpr乘以一个拉伸系数E(k)＝(1+k/10)，得到第k次拉伸后的压力波形Cprk(t)＝Cpr(t)×(1+k/10)，k为不小于0的整数；
2c.根据点bMinPoint、cMinPoint、bMaxPoint、cMaxPoint的位置确定压力波形Bpr和Cpr的有效匹配区域，分别记做为SBprk、SCprk，并将最终选定用于匹配波形分析的肱动脉压力波形起始点和终点分别记为bStartPoint、bEndPoint，用于匹配波形分析的待测量部位动脉压力波形的起始点和终点记为cStartPoint、cEndPoint；
2d.通过平行移动肱动脉压力波形SBprk，使得bStartPoint、bEndPoint、cStartPoint、cEndPoint四个点构成与两个动脉压力波形构成的区域面积SAD最小，此时对肱动脉压力波形SBprk移动的时间长度即为第k次对压力波形Cpr拉伸后获得的脉搏波传导时间PPT(k)，并记录肱动脉压力波形SBprk各采样点与压力波形SCprk相应采样点的幅值差的绝对值SAD(k)以及拉伸系数E(k)；
2e.如果出现SAD(k)<SAD(k-1)时则停止对压力波形Cpr拉伸，肱动脉到待测量部位的脉搏波传导时间为PTT＝PPT(k)；
步骤(3)根据上一步获得脉搏波波形拉伸系数和脉搏波传导时间计算待测量部位动脉血压脉压差Cpp＝(Bsbp-Bdbp)×E(k)，待测量部位动脉舒张压Cdbp＝Bdbp-λ×PPT(k)，待测量部位动脉收缩压Csbp＝Cdbp+Cpp。
2.根据权利要求1所述的一种基于波形分析技术的血压参数估计系统，其特征在于：所述血压参数包括舒张压、收缩压、脉压以及肱动脉到测量部位的脉搏波传导时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于波形分析技术的血压参数估计系统，其特征在于：所述的步骤2c中采用如下的原则确定压力波形Bpr和Cpr的有效匹配区域：
4a.比较点bMinPoint和点cMinPoint处的幅值大小：
若bMinPoint处幅值>cMinPoint处幅值，则以bMinPoint作为肱动脉待匹配压力波形的起点，记做bStartPoint，以bMinPoint处的幅值为标尺，确定压力波形Cprk(t)对应该幅值的点作为待测量部位待匹配的动脉压力波形的起点，记作cStartPoint；
若bMinPoint处幅值≤cMinPoint处幅值，则以cMinPoint作为待测量部位待匹配的压力波形的起点，记做cStartPoint，以cMinPoint处的幅值为标尺，确定压力波形Bpr(t)对应该幅值的点作为待匹配肱动脉动脉压力波形的起点，记作bStartPoint；
4b.比较点bMaxPoint和点cMaxPoint处的幅值大小：
若bMaxPoint处幅值≤cMaxPoint处幅值，则以bMaxPoint作为肱动脉待匹配压力波形的终点，记做bEndPoint，以bMaxPoint处的幅值为标尺，确定压力波形Cprk(t)对应该幅值的点作为待测量部位待匹配的动脉压力波形的终点，记作cEndPoint；
若bMaxPoint处幅值>cMaxPoint处幅值，则以cMaxPoint作为待测量部位待匹配的压力波形的终点，记做cEndPoint，以cMaxPoint处的幅值为标尺，确定压力波形Bpr(t)对应该幅值的点作为待匹配肱动脉动脉压力波形的终点，记作bEndPoint。
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Validation of a novel and existing algorithms for the estimation of pulse transit time: advancing the accuracy in pulse wave velocity measurement;Vardoulis, O;《AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY-HEART AND CIRCULATORY PHYSIOLOGY》;20130630;第H1558-H1567页 *
基于单个颈动脉压力波形获取主动脉脉搏波速度的可行性研究;马祖长;《北京生物医学工程》;20160421;第198-202页 *

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