CN109602399A - 测量脉搏波的传感器阵列设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种测量脉搏波的传感器阵列设备，传感器阵列的结构设计使得放置于动脉血管上的传感器阵列中有3‑5个传感器感应到被测动脉血管中的血压信号。其中的脉搏波信号处理和构建方法，利用传感器阵列中相邻传感器之间的相关性，最大限度地压低噪声；利用传感器阵列中传感器与动脉血管位置的差异性，最大限度地增强脉搏波信号。本发明准确测量脉搏波信号，对于心血管和高血压疾病的预防和康复具有重要意义和应用前景。

Description

测量脉搏波的传感器阵列设备

技术领域

本申请属于医学检测技术领域，特别是涉及一种微型、穿戴式测量脉搏波信号的传感器阵列方法和设备。

背景技术

心血管病是人类第一大杀手。欧美有20%的人群患有心血管病，中国有2.9亿心血管病患者，2.7亿高血压患者。心血管病以及相关的代谢疾病的预防、诊断和康复都离不开心血管系统功能的评估以及血压的监测。心血管系统状态很大程度表现在血液在血管中的流动参数，也就是脉搏波参数上。因此，精确测量脉搏波就显得非常重要。特别是在心血管及相关的代谢疾病的预防和康复方面，有其显著的意义。

精确测量脉搏波的技术一直受到广泛关注。现有无创连续血压测量方法，张力测定法，也称扁平法。就是使用复杂的装置来从动脉血管外部测量内部压力。容积补偿法的基本原理是通过预置的参考压力使动脉处于去负荷状态，采用伺服系统补偿因动脉内压的变化引起的动脉容积变化，使袖套内压等于动脉内压。类似方法还有美国专利《Method andapparatus for fabricating a pressure-wave sensor with a leveling supportelement》，专利号6,331,161，和《Optical vital sign detection method andmeasurement device》，专利号8,360,985。所不同的是，他们分别使用压电传感器和光学传感器。使用光学方法的还有中国专利《光电容积脉搏波传感器装置和方法》，申请号：CN201580001728.9。上述方法的缺点是，动脉血管比较难以定位。即使开始定位准确，但稍许运动，传感器与动脉之间产生位移，测量马上不准。这导致了目前市面上的无创连续血压计无法达到稳定测量，也无法推广。

要达到稳定测量脉搏波参数，需要采用阵列传感器。中国专利《脉搏波阵列式传感器采集系统及方法》，申请号：201511021510.8。采集若干压电薄膜传感器组成阵列，并使用袖带方式加压测量，可以保证采集到寸、关、尺三个位置的信息，有效解决目前脉搏传感器难以定位、难以定标浮、中、沉的问题。然而，这里没有涉及阵列传感器的阵列结构设计和信号处理问题。

由于上述现有技术中存在不同缺点，医疗和健康需要能够准确定位、精确测量动脉，特别是桡动脉，脉搏波信号的装置和信号处理方法。

发明内容

为了解决现有脉搏波测量中因动脉血管定位困难，传感器与动脉血管容易产生位移等问题，本发明的目的是提供一种测量脉搏波的传感器阵列设备，以合理的传感器阵列结构设计解决动脉血管的定位和位移问题，以传感器阵列中传感器输出的相关性和差异性，去除噪声，增强和构建脉搏波信号。解决了脉搏波测量中的稳定性问题，特别是因运动导致的测量信号不稳定问题。

在本发明的一个方面，提供了一种测量脉搏波的传感器阵列设备，包括：一个根据被测动脉血管尺寸设计的传感器阵列，使用紧固装置放置于被测者动脉之上，用于感应所述被测者的脉搏波信号；脉搏波信号处理模块，运行于测量脉搏波的传感器阵列设备的微处理器中，包括前置放大单元，滤波和预处理单元，和脉搏波构建单元，对由脉搏波传感器阵列感应的信号进行去噪声处理，利用传感器阵列中传感器之间的相关性，以及相对于动脉血管的位置差异性，最大限度地压低噪声，最大限度地增强脉搏波信号。

优选地，所述的测量脉搏波的传感器阵列设备，其中所述传感器阵列包括按照星形结构排列的一组脉搏波传感器，在被测动脉血管的直径约为2.8mm的情况下，取传感器直径为2.5mm，传感器间距为1mm，当被测动脉血管直径变化后，传感器尺寸和间距相应变化。

优选地，所述的测量脉搏波的传感器阵列设备，其中所述传感器阵列的结构和被测动脉血管的尺寸，保证了脉搏波传感器中有3-5个传感器位于动脉血管之上，感应到动脉血管壁的血压信号，2-4个传感器单元不在动脉血管之上，不能直接感应动脉血管中的血压信号。

优选地，所述的测量脉搏波的传感器阵列设备，其中所述传感器阵列中的传感器选用压电传感器，压阻传感器，压容传感器，霍尔效应传感器中的一种。

优选地，所述的测量脉搏波的传感器阵列设备，其中所述脉搏波信号处理模块中的滤波和预处理单元，包括工频干扰陷波器和带通滤波器，以滤除工频干扰和其它噪声。

优选地，所述的测量脉搏波的传感器阵列设备，其中所述脉搏波信号处理模块中的脉搏波构建单元，由于传感器阵列中相邻传感器之间的相关性，以及噪声的随机性，相邻传感器感应到的噪声信号是相关的，相邻两个传感器信号以相减的方法来去除噪声。

优选地，所述的测量脉搏波的传感器阵列设备，其中所述脉搏波信号处理模块中的脉搏波构建单元，由于传感器阵列中各传感器与被测动脉血管的位置之差异，将所有位于动脉血管之上的传感器信号，在与之相邻的不在动脉血管之上的传感器信号相减去噪之后，相加来增强和构建被测动脉血管的脉搏波信号。

附图说明

为了更好地理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：

图1是描述本发明实施例的测量脉搏波的传感器阵列设备组成框图；

图2是描述本发明实施例的脉搏波传感器阵列结构示意图；

图3 是描述本发明实施例的脉搏波传感器与动脉血管作用示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

根据本发明的一些实施例，测量脉搏波的传感器阵列设备包括传感器阵列100和脉搏波信号处理模块200，采集人体脉搏波信号，去除其中噪声，并由多个传感器感应到的脉搏波信号输出构建脉搏波信号。

虽然脉搏波传感器阵列中的传感器排列可以采取矩阵排列等多种方式，图2是描述本发明实施例的脉搏波传感器阵列结构示意图。图中由7个传感器120组成星形阵列，测量动脉血管110。

人体桡动脉的直径有性别和个体的差异，约从1.5mm到4mm，平均2.8mm。为此，取单个传感器直径为2.5mm，两个传感器之间的间隙为1mm。这样的设计，当将传感器阵列置于动脉血管之上时，会有3-5个传感器在动脉血管上面，感应到动脉血管壁血压信号。

脉搏波传感器取压电传感器、压阻传感器、压容传感器和霍尔效应传感器中的一种。这几种传感器各有优缺点。霍尔效应传感器可以很好地感应压力变化。压电传感器只能感应静态压力。压阻传感器具有高精度感应静态压力和压力变化的特性，但受温度影响较大。

图1是描述本发明实施例的测量脉搏波的传感器阵列设备构成示意图，其中脉搏波信号处理模块200接受从脉搏波传感器阵列100来的传感器信号，通过前置放大单元210对信号放大约20倍。放大后的信号送往滤波和预处理单元220，去除噪声。最后，脉搏波构建单元230根据传感器阵列工作原理，使用各传感器来的信号，构建脉搏波信号。

脉搏波信号频率较低，是微弱信号，且干扰较多。经过前置放大后，需要去除噪声。噪声主要来自以下几个方面：元器件噪声，工频50Hz干扰，外界电磁干扰，被测者运动或抖动产生的噪声。我们用陷波器来去除工频50Hz干扰，用带通滤波器来去除通带外噪声：低截止频率取0.1Hz以去除基线漂移，高截止频率取27Hz以去除高频噪声。为了进一步去除噪声，特别是通带内的噪声，我们使用噪声的随机特性，以及传感器阵列中各传感器对噪声的相关性，和对动脉血管的空间差异性，以相邻两传感器信号之差来去除噪声。

图3是描述本发明实施例的脉搏波传感器与动脉血管作用示意图。图中圆形是动脉血管110的截面图，假设血压P沿半径方向指向血管壁。传感器120与动脉血管的接触点J不是血管的正上方。这样，传感器感应到的压力Ps = AP sinθ。这里A是传感器增益，θ是过接触点J的半径与水平线的夹角。由此得传感器感应到的信号 Si = Psi + n。其中n为噪声。相邻传感器由于材料和制造工艺的一致性，放置位置临近，其噪声项非常相关、近似相等。因此可以用相减的方法来去除噪声项。

考虑到桡动脉血管的直径在1.5mm到4mm的范围之内。我们传感器的直径是2.5mm，间隙为1mm。因此，将传感器阵列正确放置，都有3-5个传感器位于动脉血管之上，感应到动脉血管壁的血压信号。同时，也有2-4个传感器不在动脉血管之上，感应不到动脉血管壁血压信号。为了去除噪声，增强脉搏波信号，采用如下信号处理步骤：

1、对每一传感器信号，做前置放大和滤波处理；

2、对每一传感器信号，检测其中脉搏波信号，用“有”和“无”标记该传感器信号通道；

3、对每一标记为“有”的传感器信号通道，选择一相邻的标记为“无”的传感器信号通道，将两个通道信号相减。去除噪声n，留下血压信号Psi。

4、将所有经过去噪声处理的、标记为“有”的传感器信号通道的血压信号相加，获得构建的脉搏波信号。

由上述脉搏波传感器阵列100所感应输出的动脉血管壁血压信号，经过微处理器200中放大、滤波、构建之后，噪声得到了最大限度的压制，脉搏波信号得到了最大限度的增强。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种测量脉搏波的传感器阵列设备，包括：

一个根据被测动脉血管尺寸设计的传感器阵列，使用紧固装置放置于被测者动脉之上，用于感应所述被测者的脉搏波信号；

脉搏波信号处理模块，运行于测量脉搏波的传感器阵列设备的微处理器中，包括前置放大单元，滤波和预处理单元，和脉搏波构建单元，对由脉搏波传感器阵列感应的信号进行去噪声处理，利用传感器阵列中传感器之间的相关性，以及相对于动脉血管的位置差异性，最大限度地压低噪声，最大限度地增强脉搏波信号。

2.根据权利要求1所述的测量脉搏波的传感器阵列设备，其中所述传感器阵列包括按照星形结构排列的一组脉搏波传感器，在被测动脉血管的直径约为2.8mm的情况下，取传感器直径为2.5mm，传感器间距为1mm，当被测动脉血管直径变化后，传感器尺寸和间距相应变化。

3.根据权利要求2所述的测量脉搏波的传感器阵列设备，其中所述传感器阵列的结构和被测动脉血管的尺寸，保证了脉搏波传感器中有3-5个传感器位于动脉血管之上，感应到动脉血管壁的血压信号，2-4个传感器单元不在动脉血管之上，不能直接感应动脉血管中的血压信号。

4.根据权利要求1所述的测量脉搏波的传感器阵列设备，其中所述传感器阵列中的传感器选用压电传感器，压阻传感器，压容传感器，霍尔效应传感器中的一种。

5.根据权利要求1所述的测量脉搏波的传感器阵列设备，其中所述脉搏波信号处理模块中的滤波和预处理单元，包括工频干扰陷波器和带通滤波器，以滤除工频干扰和其它噪声。

6.根据权利要求1所述的测量脉搏波的传感器阵列设备，其中所述脉搏波信号处理模块中的脉搏波构建单元，由于传感器阵列中相邻传感器之间的相关性，以及噪声的随机性，相邻传感器感应到的噪声信号是相关的，相邻两个传感器信号以相减的方法来去除噪声。

7.根据权利要求1所述的测量脉搏波的传感器阵列设备，其中所述脉搏波信号处理模块中的脉搏波构建单元，由于传感器阵列中各传感器与被测动脉血管的位置之差异，将所有位于动脉血管之上的传感器信号，在与之相邻的不在动脉血管之上的传感器信号相减去噪之后，相加来增强和构建被测动脉血管的脉搏波信号。