CN109793507A - 一种基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置，其特征在于，所述装置包括电连接的信号采集单元和通讯与计算单元，其中，信号采集单元设有光电脉搏波采集模块和压力信号采集模块，通讯与计算单元设有主控制器和与主控制器连接USB串口通信模块，USB串口通信模块与显示模块连接，所述光电脉搏波采集模块包括顺序连接的反射式光电脉搏波传感器和脉搏波信号预处理模块，所述压力信号采集模块包括顺序连接的压力信号传感器和压力信号已处理模块，脉搏波信号预处理模块与压力信号已处理模块的输出均连接主控制器。这种装置需输入信号少，输入信号与血压水平间的关系稳定易于操作、低成本。这种方法操作简单、容易掌握，实用性好。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体是一种基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置及测量方法。
背景技术
血压是人体健康评价的重要生理指标之一。近些年来随着我国经济的快速发展，人们的饮食结构和作息方式发生了变化，我国的高血压患者人数在不断上升，由高血压引起的各种并发症已经成为常见的疾病。现阶段，我国患心血管病的人数以及由此造成的死亡人数仍然处在不断增长阶段。人体血压测量在临床疾病诊断和家庭智能健康监测中正变得越来越迫切。当前市场上成熟的血压测量设备主要有采用袖套式水银或电子血压计。但是，不管是基于柯氏音法的水银血压计还是基于示波法的电子血压计，在测量时都需要使用袖套并对前臂加压，这种测量方式操作不便捷，而且仪器对使用条件有一定的要求。如袖套的佩戴松紧的差异，坐姿的差异，运动的影响等这些都将影响到最终的测量结果。因此，在当前严峻的心血管疾病治疗与控制形势下，袖套式血压测量方式受到了一定程度的限制。目前，随着个人健康设备需求的不断增长，越来越多的健康信息检测或评估装置正被研究和开发。光电容积脉搏波蕴含了丰富的心血管系统状态信息，并且其具有低成本，方便获取等特点，因此，它被越来越多的研究者关注并研究，一系列的研究正被深入开展。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置及测量方法。这种装置需输入信号少，输入信号与血压水平间的关系稳定易于操作、低成本。这种方法操作简单、容易掌握，实用性好。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置，所述装置包括电连接的信号采集单元和通讯与计算单元，其中，信号采集单元设有光电脉搏波采集模块和压力信号采集模块，通讯与计算单元设有主控制器和与主控制器连接USB串口通信模块，USB串口通信模块与显示模块连接，所述光电脉搏波采集模块包括顺序连接的反射式光电脉搏波传感器和脉搏波信号预处理模块，所述压力信号采集模块包括顺序连接的压力信号传感器和压力信号已处理模块，脉搏波信号预处理模块与压力信号已处理模块的输出均连接主控制器。
所述光电反射式光电脉搏波传感器设有波长525nm的绿光发光管和光电接收管，用于获得检测对象手指指端动脉处光电容积脉搏波原始微弱信号，其输出端连接脉搏波信号预处理模。
所述脉搏波信号预处理模块设有单向连接的两级放大电路、带通滤波电路和对脉搏波信号的采集电路。
所述压力信号已处理模块设有带通滤波电路和对压力信号的采集电路。
所述USB串口通讯模块用于与显示模块的通讯。
所述显示模块可实时显示接收的光电容积脉搏波信号与压力信号，并能对光电容积脉搏波信号进行0.15Hz-10Hz带通滤波处理，能够建立光电容积脉搏波信号、施加压力与血压之间的模型关系，最终计算、显示出人体的血压值。
使用上述基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置的测量方法，所述方法包括如下步骤：
1)获得测量对象的原始光电容积脉搏波信号：反射式光电脉搏波传感器检测测量对象手指指端动脉处脉搏搏动信号；
2)脉搏搏动信号处理：信号预处理模块对步骤1)获取的脉搏搏动信号预处理，后获得较纯净的光电容积脉搏波信号，并送入主控制器，在主控制器内进行A/D转换，经过数字滤波后确定原始光电脉搏波波形；
3)获得压力信号:压力信号传感器检测测量过程中手指对反射式光电脉搏波传感器施加的压力；
4)压力信号处理：压力信号已处理模块对步骤3)获取的压力信号进行预处理，经数字滤波后确定原始压力信号波形，并送入主控制器；
5)信号处理和传送：主控制器将处理后的光电容积脉搏波信号和压力信号，经USB串口通讯模块发送至显示模块上；
6)显示模块接收数据，显示波形、建立光电容积脉搏波信号、施加压力与血压之间的模型关系，最后计算出人体的血压值，在显示模块上通过计算识别出受力后的光电脉搏波幅度波形信号的波峰点与峰值点对应的压力值，根据波峰值与压力值的关系选择双高斯拟合算法进行数据拟合。然后得到光电容积脉搏波信号、施加压力与血压之间的模型关系，最后得到基于手指压力示波的无袖套测量血压方法的计算公式，将光电脉搏波波形，压力信号波形及双高斯拟合后的波形及计算出的血压值显示在显示模块上。
这种装置需输入信号少，输入信号与血压水平间的关系稳定易于操作、低成本。这种方法操作简单、容易掌握，实用性好。
附图说明
图1为实施例的结构示意图；
图2为实施例装置的工作流程图示意图；
图3-1为实施例中滤波处理后的脉搏波信号波形示意图；
图3-2为实施例中脉搏波波形信号的波峰点提取点示意图；
图3-3为实施例中压力信号波形中与脉搏波形信号的波峰点对应的压力值示意图；
图4为实施例中双高斯模型拟合示意图；
图5为实施例中收缩压和舒张压与电子血压计测得的收缩压和舒张压的相关系数示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，一种基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置，所述装置包括电连接的信号采集单元1和通讯与计算单元2，其中，信号采集单元1设有光电脉搏波采集模块3和压力信号采集模块4，通讯与计算单元2设有主控制器9和与主控制器9连接USB串口通信模块10，USB串口通信模块10与显示模块11连接，所述光电脉搏波采集模块3包括顺序连接的反射式光电脉搏波传感器5和脉搏波信号预处理模块6，所述压力信号采集模块4包括顺序连接的压力信号传感器7和压力信号已处理模块8，脉搏波信号预处理模块6与压力信号已处理模块8的输出均连接主控制器9。
本例主控制器9采用STM32F103ZET6芯片，使用其内置的的2通道ADC分别组成脉搏波信号的采集电路和压力信号的采集电路。
本例光电反射式光电脉搏波传感器5采用型号为：Pulse Sensor，该传感器设有525nm的绿光发光管和光电接收管，用于获得检测对象手指指端动脉处光电容积脉搏波原始微弱信号，其输出端连接脉搏波信号预处理模6。
所述脉搏波信号预处理模块6设有单向连接的两级放大电路、带通滤波电路，本例电路选择的芯片为LM324。
所述压力信号已处理模块8设有带通滤波电路，本例压力传感器的型号为：RFP-603，带通滤波电路使用的芯片为LM324。
所述USB串口通讯模块10用于与显示模块的通讯，该模块选择的芯片为CH340G。
所述显示模块11可实时显示接收的光电容积脉搏波信号与压力信号，并能对光电容积脉搏波信号进行0.15Hz-10Hz带通滤波处理，能够建立光电容积脉搏波信号、施加压力与血压之间的模型关系，最终计算、显示出人体的血压值。
参照图2，使用上述基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置的测量方法，所述方法包括如下步骤：
1)获得测量对象的原始光电容积脉搏波信号：反射式光电脉搏波传感器5检测测量对象手指指端动脉处脉搏搏动信号；
2)脉搏搏动信号处理：信号预处理模块对步骤1)获取的脉搏搏动信号预处理，后获得较纯净的光电容积脉搏波信号，并送入主控制器9，在主控制器内进行A/D转换，经过数字滤波后确定原始光电脉搏波波形；
3)获得压力信号:压力信号传感器7检测测量过程中手指对反射式光电脉搏波传感器5施加的压力；
4)压力信号处理：压力信号已处理模块8对步骤3)获取的压力信号进行预处理，经数字滤波后确定原始压力信号波形，并送入主控制器9；
5)信号处理和传送：主控制器9将处理后的光电容积脉搏波信号和压力信号，经USB串口通讯模块10发送至显示模块11上；
6)显示模块11接收数据，显示波形、建立光电容积脉搏波信号、施加压力与血压之间的模型关系，最后计算出人体的血压值，在显示模块上通过计算识别出受力后的光电脉搏波幅度波形信号的波峰点与峰值点对应的压力值，根据波峰值与压力值的关系选择双高斯拟合算法进行数据拟合。然后得到光电容积脉搏波信号、施加压力与血压之间的模型关系，最后得到基于手指压力示波的无袖套测量血压方法的计算公式，将光电脉搏波波形，压力信号波形及双高斯拟合后的波形及计算出的血压值显示在显示模块上。
当本例装置工作时,按照如下步骤进行：
1.测量对象手指指端平放在反射式光电脉搏波传感器5上，测量开始时，测量对象手指缓慢而均匀地向反射式光电脉搏波传感器5施加压力，反射式光电脉搏波传感器5发出波长为525nm的绿光照射到测量对象手指指端动脉处，通过光电接收管接受其反射光。由于手指指端动脉血管中血液会随着心脏每次搏动而发生规律性变化，因此可以通过光电接收管来反映这种周期性的变化，同时手指缓慢施加的压力将挤压该处动脉血管，造成血管体积的变化，血管体积的变化将造成血管周期性变化的幅度发生变化。光电接收管把周期性的变化转变为电信号的变化，得到光电容积脉搏波信号，即是原始微弱光电容积脉搏波信号；
2.通过脉搏波信号预处理模块6对原始微弱光电容积脉搏波信号进行适当的放大，滤波和去噪。获得较纯净的光电容积脉搏波信号；
3.压力信号传感器7固定在反射式光电脉搏波传感器5的正下方，以此来获取检测测量过程中手指对反射式光电脉搏波传感器5施加的原始压力信号，压力信号已处理模块8对原始压力信号进行带通滤波处理，滤除高频和低频干扰，获取较纯净的压力信号；
4.将上述光电容积脉搏波信号和压力信号号接入主控制器9，通过其内置的ADC对压力号和光电脉搏波信号进行A/D转换，得到压力数字信号与光电脉搏波数字信号，两路数字信号经USB串口通讯模块10发送至显示模块11上；
5.显示模块11收到数据后，实时显示两路信号的波形图并且对数据进行处理，然后对数据进行拟合，得到血压计算算法模型与血压计算公式，其处理流程主要包括以下几个步骤：
a.对光电脉搏波数据进行数字滤波，得到比较纯净的脉搏波波形，如图3-1所示；
b.计算得到图3-1中的波形信号的波峰点，得到峰值点脉搏波波，如图3-2所示；
c.对压力信号波形数据进行数字滤波，找出与图3-2中脉搏波峰值点对应的压
力值，得到压力信号峰值点波形，如图3-3所示；
d.采用双高斯拟合算法进行数据拟合，得到光电容积脉搏波信号、施加压力与
血压之间的模型关系，得到拟合图形，如图4所示；
6.基于手指压力示波的无袖套测量血压方法的计算公式可通过以下推导过程获得：
选择2个平均值不同、幅度不同、标准差不同的高斯函数之和作为模型，表达式如下：
SP＝3MBP-2DP
其中a1和a2为高斯函数的幅度，σ1和σ2为标准差，μ1和μ2分别为两个高斯函数的平均值，这6个参数通过非线性最小二乘法来拟合计算，ξ为测量系统在开始之前手指放置产生的压力，
MBP为平均血压值：Mean Blood Pressure；
SBP为收缩压：Systolic Blood Pressure；
DBP为舒张压：Diastolic Blood Pressure。
图5和表1显示了本例装置测量的二十四例受试者的血压数据与这二十四受试者使用电子血压计测量的血压数据的相关分析，其中收缩压的相关性为0.841，标准差为6.78mmHg；舒张压的相关性为0.809，标准差为4.91mmHg。
表1收缩压和舒张压的相关性分析
Claims (5)
1.一种基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置，其特征在于，所述装置包括电连接的信号采集单元和通讯与计算单元，其中，信号采集单元设有光电脉搏波采集模块和压力信号采集模块，通讯与计算单元设有主控制器和与主控制器连接USB串口通信模块，USB串口通信模块与显示模块连接，所述光电脉搏波采集模块包括顺序连接的反射式光电脉搏波传感器和脉搏波信号预处理模块，所述压力信号采集模块包括顺序连接的压力信号传感器和压力信号已处理模块，脉搏波信号预处理模块与压力信号已处理模块的输出均连接主控制器。
2.根据权利要求1所述的基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置，其特征在于，所述光电反射式光电脉搏波传感器设有525nm的绿光发光管和光电接收管，用于获得检测对象手指指端动脉处光电容积脉搏波原始微弱信号，其输出端连接脉搏波信号预处理模。
3.根据权利要求1所述的基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置，其特征在于，所述脉搏波信号预处理模块设有单向连接的两级放大电路、带通滤波电路和对脉搏波信号的采集电路。
4.根据权利要求1所述的基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置，其特征在于，所述压力信号已处理模块设有带通滤波电路和对压力信号的采集电路。
5.使用权1-权4任意一项所述基于手指压力示波法的无袖套血压测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1）获得测量对象的原始光电容积脉搏波信号：反射式光电脉搏波传感器检测测量对象手指指端动脉处脉搏搏动信号；
2）脉搏搏动信号处理：信号预处理模块对步骤1）获取的脉搏搏动信号预处理，后获得较纯净的光电容积脉搏波信号，并送入主控制器；
3）获得压力信号:压力信号传感器检测测量过程中手指对反射式光电脉搏波传感器施加的压力；
4） 压力信号处理：压力信号已处理模块对步骤3）获取的压力信号进行预处理，并送入主控制器；
5） 信号处理和传送：主控制器将处理后的光电容积脉搏波信号和压力信号，经USB串口通讯模块发送至显示模块上；
6）显示模块接收数据，显示波形、建立光电容积脉搏波信号、施加压力与血压之间的模型关系，最后计算出人体的血压值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190524 |