CN110179494B - 基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量装置，其包括两个加速度传感器以及由信号前端放大电路、加速度矢量合成模块、自适应噪声抵消器、波形显示模块、音频外放接口和存储模块构成的信息处理与交互单元；第一加速度传感器输入端胶接在人体动静脉造瘘手术部位用于采集包括有效的动静脉瘘震颤信号和噪声信号在内的动静脉瘘信号；第二加速度传感器输入端胶接在距离第一加速度传感器15‑20mm非主血管处用于采集噪声信号；第一加速度传感器和第二加速度传感器的输出端分别经信号前端放大电路和加速度矢量合成模块与自适应噪声抵消器的主通道和参考通道连接，自适应噪声抵消器输出端分别与波形显示模块、音频外放接口和存储模块连接。

Description

基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量装置及测量方法。

背景技术

动静脉内瘘是外科手术之一，主要用于血液透析治疗，血液透析是急慢性肾功能衰竭患者肾脏替代治疗方式之一，利用半透膜原理，通过扩散、对流体内各种有害以及多余的代谢废物和过多的电解质移出体外，达到净化血液、纠正水电解质及酸碱平衡的目的。动静脉内瘘术是一种血管吻合的小手术，通常选用前臂靠近手腕部位作为手术对象，将动脉和邻近的静脉作缝合，使吻合后的静脉中流动着动脉血，形成一个动静脉内瘘。动静脉瘘是终末期肾病患者透析的重要血管通路，瘘评估是确定血管能否进行透析的必要前提。

传统动静脉瘘物理检查采用听诊器来获取震颤信号。听诊器通过前端膜腔将震动信号通过空气介质传导到塞入耳朵的听诊端。检查时，需对动静脉瘘震颤信号建模，真正有效的动静脉瘘震颤信号为X，人体自有震颤或者运动产生的震动信号为N_L，直接测量动静脉瘘位置处的信号为S，则信号间满足：

S＝X+N_L (1)

在式(1)中，S包含声波S_a和次声波S_ia成分：

S＝S_a+S_ia (2)。

医学上采用血管造影和多普勒超声仪对瘘状态进行影像评估。其中，血管造影利用计算机处理数字化的影像信息，将造影剂引入靶血管内，消除骨骼和软组织影像，使血管清晰显示的技术，它能够准确的检测出瘘的状态，然而，血管造影需要在血管中注入造影剂，属于有创检查。；多普勒超成检测又称B超，检测动静脉瘘可得到血流速度、管径等指标，当多普勒超声检测用的超声探头与血管角度不一致时会造成测量误差；；利用听诊器原理收集瘘的声学特性，将听诊器的一端放置于内瘘区域，另一端利用声学传感器将传递的血流声转换成电信号，再将信号进行放大再进行收集；然而，该种方式经过空气介质传播，并以声学方法传递给医生，忽略了震颤信号中包含的次声波成分，听诊器测量方式虽成本低，但对医师的要求仍很高且对于对所听到的信息主要来自医师的主观判断无法实现量化；此外，传统的听诊器可能不能够完全吻合动静脉瘘表面，听诊头内空气介质的衰减和阻断作用，以及人听音频带的限制，使得频率在20Hz以下的次声波信号不能有效的展示给医生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计合理，结构简单，可测量因血液流过动静脉造瘘后引起的声波和次声波信号，并以可视化波形和声学听诊结合的方式进行展示的基于加速度测量原理的动静脉内瘘震颤测量装置，同时提供一种设计合理，操作简便，能够提取出有效的动静脉瘘震颤信号的基于加速度测量原理的动静脉内瘘震颤测量方法。

为实现上述第一个目的，本发明采用以下技术方案：

基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量装置，其包括信息处理与交互单元、第一加速度传感器和第二加速度传感器，所述信息处理与交互单元具有信号前端放大电路、加速度矢量合成模块、自适应噪声抵消器、波形显示模块、音频外放接口和存储模块；

所述第一加速度传感器的输入端通过胶贴胶接在人体手臂动静脉造瘘手术部位皮肤上，用于采集包括有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)和人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_L'(n)在内的动静脉瘘信号S'(n)；

所述第二加速度传感器的输入端通过胶贴胶接在距离第一加速度传感器15-20mm非主血管处皮肤上，用于采集人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_NL'(n)；

所述第一加速度传感器和第二加速度传感器的输出端分别经信号前端放大电路和加速度矢量合成模块与自适应噪声抵消器的主通道和参考通道信号连接，自适应噪声抵消器的输出端分别与波形显示模块、音频外放接口和存储模块信号连接。

作为优选，所述信息处理与交互单元为计算机、一体机或者手机。

作为优选，所述波形显示模块为波形显示器。

作为优选，所述音频外放接口为提供声音外放通道，可扬声器或者耳机进行声音展示。

作为优选，所述存储模块为存储器。

作为优选，所述第一加速度传感器和第二加速度传感器均为三轴加速度传感器。

作为优选，所述胶贴为一次性医用双面胶带。

为实现上述第二个目的，本发明采用以下技术方案：

基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量方法，其包括以下步骤：

1)将第一加速度传感器的输入端胶接在人体动静脉造瘘手术部位皮肤上，采集包括有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)和人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_L'(n)在内的动静脉瘘信号S'(n)；

2)将第二加速度传感器的输入端胶接在距离第一加速度传感器15-20mm非主血管处皮肤上，采集人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_NL'(n)；

3)动静脉瘘信号S'(n)和噪声信号N_NL'(n)分别按比例进行信号放大后，分别根据平行四边形法则进行加速度矢量合成；

4)进行加速度矢量合成后的动静脉瘘信号S'(n)和噪声信号N_NL'(n)分别输入到自适应噪声抵消器的主通道和参考通道，通过自适应噪声抵消器的自适应调整，滤除噪音信号，提取出有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)；

5)对提取出有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)进行波形显示、声音听诊和波形及声音存储。

作为优选，步骤3)中进行加速度矢量合成时，分别用a,b,c表示加速度传感器采集到的X，Y，Z三轴的数据，并用d表示合成后的数据，合成公式如下：

作为优选，步骤4)中自适应噪声抵消器滤除噪音信号的方法为：将加速度矢量合成后的动静脉瘘信号S'(n)和噪声信号N_NL'(n)分别输入到自适应噪声抵消器的主通道和参考通道，主通道包含内瘘震颤信号X'(n)和人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_L'(n)，采用最小均方LMS误差准则对收集的信号进行滤波处理；

由于，LMS包含以下三个过程：

e(n)＝d(n)-y(n) (5)

ω_i(n+1)＝ω_i(n)+2μe(n)u(n-i),0＜i＜M-1 (6)

其中，u(n)表示自适应滤波器的输入；

y(n)表示自适应滤波器的输出；

d(n)表示期待响应信号；

e(n)表示滤波器输出y(n)相对于d(n)的误差；

ω_i(n)表示滤波器权重系；

μ表示步长因子(收敛因子数)；

M表示滤波器阶数；

LMS算法收敛的充分条件是：

其中，λ_max为自相关矩阵R的最大特征值；

在LMS算法中用两个时间常数描述自适应过程的收敛速度和效率：

反应加权向量每个分量的过渡过程；

其中，描述自适应的学习过程的时间常数，λ_i是R的特征值；

因此，采用最小均方LMS误差准则计算如下：

d(n)＝S'(n)＝X'(n)+N_L'(n) (10)

得到：

e(n)＝d(n)-y(n)＝X'(n)+N_L'(n)-N_NL'(n) (11)

均方差：

其中，内瘘信号源X与噪声N_L不相关；

由于，第一加速度传感器和第二加速度传感器的测量位置不同，所以

N_NL'(n)≠N_L'(n) (13)

由式(12)可得，要想输出稳定的内瘘震颤信号，方差ξ需要达到最小值，应令E{[N_L'(n)-N_NL'(n)]²}→0，即通过调节自适应滤波器的权重系数ω(n)，使得ω(n)→ω^*(n)，此时方差ξ最小，N_NL将十分接近N_L，取系统的误差信号作为输出信号，输出信号为仅含X的内瘘震颤的高信噪比信号，即得到有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)。

本发明采用以上技术方案，能够辅助医生通过可视化与声学听诊结合实现血液透析患者进行动静脉造瘘状态评估。在测量的过程中为了能够克服人体震颤信号，采集高信噪比的动静脉内瘘震颤信号X'(n)，装置设计两个加速度传感器，使用时，通过一次性医用双面胶带将第一加速度传感器胶接在人体动静脉造瘘手术部位皮肤上，直接采集血液流经内瘘产生的次声波和声波信号，内瘘震颤信号通过固-固耦合转化为加速度传感电路按X，Y，Z轴方向输出信号，可获得包括有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)和人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_L'(n)在内的动静脉瘘信号S'(n)，并将第二加速度传感器胶接在距离第一加速度传感器15-20mm非主血管处皮肤上，以便在内瘘小于20mm无主血管的平坦皮肤区域同步测量身体自有的震颤信号，获得人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_NL'(n)，从而使其能够根据加速度震动测量原理对人体震动信号直接进行数字量化，避免信号因空气介质传导而导致频率低于20Hz的次声波丢失，实现了包含声波和次声波频段内动静脉瘘震颤信号的收集；同时，在诸如计算机、一体机或手机等信息处理与交互单元内，设计了自适应抵消器用于剔除身体自有的震颤信号，确保仅收集内瘘震颤信号，以降低人体自身震颤噪声的影响，提升测量信号的信噪比和抗运动噪声干扰能力，以便其通过扬声器/耳机听诊和震颤信号图形可视化的方式进行信号展示。

附图说明

现结合附图对本发明作进一步阐述：

图1为本发明基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量装置的结构示意图；

图2为本发明基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量方法的流程示意图；

图3为本发明LMS算法迭代过程示意图；

图4为本发明自适应噪声抵消器原理示意图。

具体实施方式

如图1-4之一所示，本发明基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量装置，其包括信息处理与交互单元1、第一加速度传感器2和第二加速度传感器3，所述信息处理与交互单元1具有信号前端放大电路、加速度矢量合成模块、自适应噪声抵消器、波形显示模块11、音频外放接口12和存储模块；

所述第一加速度传感器2的输入端通过胶贴胶接在人体手臂动静脉造瘘手术部位4皮肤上，用于采集包括有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)和人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_L'(n)在内的动静脉瘘信号S'(n)；

所述第二加速度传感器3的输入端通过胶贴胶接在距离第一加速度传感器15-20mm非主血管处皮肤上，用于采集人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_NL'(n)；

所述第一加速度传感器2和第二加速度传感器3的输出端分别经信号前端放大电路和加速度矢量合成模块与自适应噪声抵消器的主通道和参考通道信号连接，自适应噪声抵消器的输出端分别与波形显示模块11、音频外放接口12和存储模块信号连接。

作为优选，所述信息处理与交互单元1为计算机、一体机或者手机。

作为优选，所述波形显示模块11为波形显示器。

作为优选，所述音频外放接口12为提供声音外放通道，通过扬声器或者耳机进行声音展示。

作为优选，所述存储模块为存储器。

作为优选，所述第一加速度传感器2和第二加速度传感器3均为三轴加速度传感器。

作为优选，所述胶贴为一次性医用双面胶带。

本发明提出了一种测量动静脉内瘘震颤信号的测量装置，辅助医生通过可视化的声学听诊方法实现血液透析患者进行动静脉造瘘状态评估。装置贴合皮肤可测量血液流过动静脉造瘘后引起的声波和次声波信号，并以可视化波形和声学听诊结合的方式进行展示。

为实现上述第二个目的，本发明采用以下技术方案：

如图2所示，本发明基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量方法，其包括以下步骤：

1)将第一加速度传感器2的输入端胶接在人体动静脉造瘘手术部位皮肤上，采集包括有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)和人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_L'(n)在内的动静脉瘘信号S'(n)；

2)将第二加速度传感器3的输入端胶接在距离第一加速度传感器15-20mm非主血管处皮肤上，采集人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_NL'(n)；

3)动静脉瘘信号S'(n)和噪声信号N_NL'(n)分别按比例进行信号放大后，分别根据平行四边形法则进行加速度矢量合成；

4)进行加速度矢量合成后的动静脉瘘信号S'(n)和噪声信号N_NL'(n)分别输入到自适应噪声抵消器的主通道和参考通道，通过自适应噪声抵消器的自适应调整，滤除噪音信号，提取出有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)；

5)对提取出有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)进行波形显示、声音听诊和波形及声音存储。

作为优选，前端放大是将传感器采集的小信号按一定比例进行放大，两个传感器采集的信号按照相同的比例因子进行放大。

作为优选，步骤3)中进行加速度矢量合成时，分别用a,b,c表示加速度传感器采集到的X，Y，Z三轴的数据，并用d表示合成后的数据，合成公式如下：

本发明第一加速度传感器2采集的动静脉瘘信号S'(n)包含有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)和人体自有震颤或者运动产生的震动信号为N_L'(n)，第二加速度传感器3采集的身体震颤信号或运动产生的震动信号N_NL'(n)，由于两个传感器不是在同一个位置测量，因此，N_NL'(n)≠N_L'(n)，但是二者都是由于人体自有震颤或者运动产生的，信号间高相关，其主要差异为幅度和相位不同。为使医生获取到有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)，本发明设计了基于LMS自适应抵消器用于滤除动静脉瘘位置信号中包含的身体震颤信号或运动产生的震动信号N_L'(n)。

如图3所示，步骤4)中自适应噪声抵消器滤除噪音信号的方法为：将加速度矢量合成后的动静脉瘘信号S'(n)和噪声信号N_NL'(n)分别输入到自适应噪声抵消器的主通道和参考通道，主通道包含内瘘震颤信号X'(n)和人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_L'(n)，采用最小均方LMS误差准则对收集的信号进行滤波处理；

由于，LMS算法迭代过程包含以下三个：

e(n)＝d(n)-y(n) (5)

ω_i(n+1)＝ω_i(n)+2μe(n)u(n-i),0＜i＜M-1 (6)

其中，u(n)表示自适应滤波器的输入；

y(n)表示自适应滤波器的输出；

d(n)表示期待响应信号；

e(n)表示滤波器输出y(n)相对于d(n)的误差；

ω_i(n)表示滤波器权重系；

μ表示步长因子(收敛因子数)；

M表示滤波器阶数；

LMS算法收敛的充分条件是：

其中，λ_max为自相关矩阵R的最大特征值；

在LMS算法中用两个时间常数描述自适应过程的收敛速度和效率：

反应加权向量每个分量的过渡过程；

其中，描述自适应的学习过程的时间常数，λ_i是R的特征值；

因此，采用最小均方LMS误差准则计算如下：

d(n)＝S'(n)＝X'(n)+N_L'(n) (10)

得到：

e(n)＝d(n)-y(n)＝X'(n)+N_L'(n)-N_NL'(n) (11)

均方差：

其中，内瘘信号源X’(n)与噪声N_L'(n)不相关；

由于，第一加速度传感器2和第二加速度传感器3的测量位置不同，所以

N_NL'(n)≠N_L'(n) (13)

由式(12)可得，要想输出稳定的内瘘震颤信号，方差ξ需要达到最小值，应令E{[N_L'(n)-N_NL'(n)]²}→0，即通过调节自适应滤波器的权重系数ω(n)，使得ω(n)→ω^*(n)，此时方差ξ最小，N_NL将十分接近N_L，取系统的误差信号作为输出信号，输出信号为仅含X的内瘘震颤的高信噪比信号，即得到有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)。

本发明采用以上技术方案，能够辅助医生通过可视化与声学听诊结合实现血液透析患者进行动静脉造瘘状态评估，使用时，通过一次性医用双面胶带将第一加速度传感器2胶接在人体动静脉造瘘手术部位皮肤上，直接采集血液流经内瘘产生的次声波和声波信号，内瘘震颤信号通过固-固耦合转化为加速度传感电路按X，Y，Z轴方向输出信号，可获得包括有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)和人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_L'(n)在内的动静脉瘘信号S'(n)，并将第二加速度传感器3胶接在距离第一加速度传感器15-20mm非主血管处皮肤上，以便在内瘘小于20mm无主血管的平坦皮肤区域同步测量身体自有的震颤信号，获得人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_NL'(n)，从而使其能够根据加速度震动测量原理对人体震动信号直接进行数字量化，避免信号因空气介质传导而导致频率低于20Hz的次声波丢失，实现了包含声波和次声波频段内动静脉瘘震颤信号的收集；同时，在诸如计算机、一体机或手机等信息处理与交互单元1内，设计了自适应抵消器用于剔除身体自有的震颤信号，确保仅收集内瘘震颤信号，以降低人体自身震颤噪声的影响，提升测量信号的信噪比，以便其通过扬声器/耳机听诊和震颤信号图形可视化的方式进行信号展示。

以上描述不应对本发明的保护范围有任何限定。

Claims (8)

1.基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量方法，采用的基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量包括信息处理与交互单元、第一加速度传感器和第二加速度传感器，所述信息处理与交互单元具有信号前端放大电路、加速度矢量合成模块、自适应噪声抵消器、波形显示模块、音频外放接口和存储模块；

所述第一加速度传感器的输入端通过胶贴胶接在人体手臂动静脉造瘘手术部位皮肤上，用于采集包括有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)和人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_L'(n)在内的动静脉瘘信号S'(n)；

所述第二加速度传感器的输入端通过胶贴胶接在距离第一加速度传感器15-20mm非主血管处皮肤上，用于采集人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_NL'(n)；

所述第一加速度传感器和第二加速度传感器的输出端分别经信号前端放大电路和加速度矢量合成模块与自适应噪声抵消器的主通道和参考通道信号连接，自适应噪声抵消器的输出端分别与波形显示模块、音频外放接口和存储模块信号连接；其特征在于：方法包括以下步骤：

1)将第一加速度传感器的输入端胶接在人体动静脉造瘘手术部位皮肤上，采集包括有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)和人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_L'(n)在内的动静脉瘘信号S'(n)；

2)将第二加速度传感器的输入端胶接在距离第一加速度传感器15-20mm非主血管处皮肤上，采集人体自有震颤或运动产生的噪声信号N_NL'(n)；

3)动静脉瘘信号S'(n)和噪声信号N_NL'(n)分别按比例进行信号放大后，分别根据平行四边形法则进行加速度矢量合成；

4)进行加速度矢量合成后的动静脉瘘信号S'(n)和噪声信号N_NL'(n)分别输入到自适应噪声抵消器的主通道和参考通道，通过自适应噪声抵消器滤除噪音信号，提取出有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)；具体地，步骤4)中自适应噪声抵消器滤除噪音信号的方法为：将加速度矢量合成后的动静脉瘘信号S'(n)和噪声信号N_NL'(n)分别输入到自适应噪声抵消器的主通道和参考通道，主通道包含内瘘震颤信号X'(n)和人体自有震颤或运动产生的噪声信号N′_L(n)，采用最小均方LMS误差准则对收集的信号进行滤波处理；

由于，LMS包含以下三个过程：

e(n)＝d(n)-y(n) (5)

ω_i(n+1)＝ω_i(n)+2μe(n)u(n-i),0＜i＜M-1 (6)

其中，u(n)表示自适应滤波器的输入；

y(n)表示自适应滤波器的输出；

d(n)表示期待响应信号；

e(n)表示滤波器输出y(n)相对于d(n)的误差；

ω_i(n)表示滤波器权重系；

μ表示步长因子，即收敛因子数；

M表示滤波器阶数；

LMS算法收敛的充分条件是：

其中，λ_max为自相关矩阵R的最大特征值；

在LMS算法中用两个时间常数描述自适应过程的收敛速度和效率：

反应加权向量每个分量的过渡过程；

其中，描述自适应的学习过程的时间常数，λ_i是R的特征值；

因此，采用最小均方LMS误差准则计算如下：

d(n)＝S'(n)＝X'(n)+N_L'(n) (10)

得到：

e(n)＝d(n)-y(n)＝X'(n)+N_L'(n)-N_NL'(n) (11)

均方差：

其中，内瘘信号源X’(n)与噪声N′_L(n)不相关；

由于，第一加速度传感器和第二加速度传感器的测量位置不同，所以

N_NL'(n)≠N′_L(n) (13)

由式(12)可得，要想输出稳定的内瘘震颤信号，方差ξ需要达到最小值，应令E{[N_L'(n)-N_NL'(n)]²}→0，即通过调节自适应滤波器的权重系数ω(n)，使得ω(n)→ω^*(n)，此时方差ξ最小，N_NL将十分接近N_L，取系统的误差信号作为输出信号，输出信号为仅含X的内瘘震颤的高信噪比信号，即得到有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)；

5)对提取出有效的动静脉瘘震颤信号X'(n)进行波形显示、音频外放和波形及声音存储。

2.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量方法，其特征在于：所述信息处理与交互单元为计算机、一体机或者手机。

3.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量方法，其特征在于：所述波形显示模块为波形显示器。

4.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量方法，其特征在于：所述音频外放接口为提供声音外放通道，通过扬声器或者耳机进行声音展示。

5.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量方法，其特征在于：所述存储模块为存储器。

6.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量方法，其特征在于：所述第一加速度传感器和第二加速度传感器均为三轴加速度传感器。

7.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量方法，其特征在于：所述胶贴为一次性医用双面胶带。

8.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的动静脉内瘘震颤测量方法，其特征在于：步骤3)中进行加速度矢量合成时，分别用a,b,c表示加速度传感器采集到的X，Y，Z三轴的数据，并用d表示合成后的数据，合成公式如下：

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