CN112263230B - 基于桡动脉生物传感器技术的血压动态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于桡动脉生物传感器技术的血压动态监测系统及方法，包括主处理器，手表以及置于手表内的生物传感器，所述生物传感器包括内嵌于表带内的桡动脉生物传感器，用于测量桡动脉脉搏波波形，内嵌于手表底部的不锈钢电极，用于与手腕接触，测量手的心电图ECG曲线，置于表壳处的不锈钢电极，配合测量时的手指头触碰，测量另一只手的心电图ECG曲线，通过上述同步抓取的脉搏波波形数据和ECG信号，利用脉搏波传递时间(PWTT)原理动态计算得出血压值。本发明通过内置于手表表带的生物传感器对腕部桡动脉进行动态测量，抓取桡动脉脉搏波，并配合同步测量的双手ECG信号对血压值进行高精度计算。

Description

基于桡动脉生物传感器技术的血压动态监测系统及方法

技术领域

本发明涉及智能硬件及健康类可穿戴设备领域，尤其涉及一种通过作用于人体腕部桡动脉的生物传感器对血压实施连续变化监测的系统及方法。

背景技术

随着电子技术的高速发展以及人们对健康关注程度的提高，越来越多的智能硬件设备和可穿戴设备都迫切需要解决随时随地就人体生理参数进行测量或动态监测的刚性需求。

当前市面上已有光学方法就腕部毛细血管通过PPG原理(光电容积脉搏波)测量简易脉搏波，通过计算脉率来简易推测血压值。该方法的基本原理决定了血压的高精度无法准确推算，因为脉率与血压值并不一一对应。而毛细血管所测得脉搏波在时间上和血液动力学原理上与血压所对应的心血管参数关联性较弱。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于橈動脈生物传感器技术的血压动态监测系统及方法，通过自主触发的单次测量，或自定义的系统主动测量，实现对个体血压值的动态监测。解决高血压人群实时监测血压的需求，或满足关注血压波动人群的需求。让用户更方便的了解自己全天各时段的血压情况。本发明侧重于人体血压的高精度动态监测实现，解决此前光学简易测量所不具备的高精度需求问题。本发明采用的方法是通过内置于手表表带的生物传感器对腕部桡动脉进行动态测量，抓取桡动脉脉搏波，并配合同步测量的双手ECG信号对血压值进行高精度计算。

本发明要达到的上述目的是通过以下技术方案来实现：

一种基于桡动脉生物传感器技术的血压动态监测系统，包括主处理器、手表以及置于手表内的生物传感器，所述生物传感器包括内嵌于表带内的桡动脉生物传感器，用于测量桡动脉脉搏波波形，内嵌于手表底部的不锈钢电极，用于与手腕接触，测量手的心电图ECG曲线，置于表壳处的不锈钢电极，配合测量时的手指头触碰，测量另一只手的心电图ECG曲线。

所述主处理器为Cortex-M4内核的超低功耗系列，运行FRTOS操作系统。

系统支持单次测量功能，能够从手表按键发起一次测量，测量结果值显示在LCD上，同时也支持多次定时测量功能，当设定的测量时刻到达，手表马达震动提醒做好测量姿态准备。

一种基于桡动脉生物传感器技术的血压动态监测方法，通过上述的基于桡动脉生物传感器技术的血压动态监测系统来实现，包括步骤如下：

步骤1：通过置于表带内的生物传感器测量桡动脉脉搏波波形；

步骤2：通过置于手表底部的不锈钢电极实现与佩戴手表的手腕ECG电极的接触；

步骤3：通过置于上表壳处的不锈钢电极，并配合测量时的手指头触碰，实现另一只手ECG电极的接触；

步骤4：通过所述不锈钢电极同步抓取ECG信号；

步骤5：通过上述同步抓取的脉搏波波形数据和ECG信号，利用脉搏波传递时间(PWTT)原理动态计算得出血压值。

骤1包括内容如下：

当通过操作手表按键触发测量时，主处理器按下列顺序控制桡动脉脉搏波测量运作：

步骤1.1：控制系统电源对置于表带内的桡动脉生物传感器供电；

步骤1.2：操控IIC通讯接口控制桡动脉生物传感器测量。

更为具体的：主处理器和桡动脉生物传感器通过IIC串行通信口实现数据的双向传输，并通过GPIO接口实现桡动脉生物传感器的电源控制和双向数据唤醒功能；

上电后，主处理器通过IIC接口对桡动脉生物传感器进行配置，让其工作在低功耗，且具有唤醒功能的状态；

当系统接收到测试启动命令式时，主处理器通过GPIO接口和IIC接口启动桡动脉生物传感器测量模式并获取数据；

主处理器会依据信号质量确定本次测量时长，若一定时间内不能获得足够的优良数据，则宣告本次测量失败，测量过程中，当收集到的优良数据满足计算要求时，系统直接终止测量，并在做好相关退出模式设置后关闭桡动脉生物传感器电源，以降低系统功耗。

步骤4包括内容如下：

当通过操作手表按键触发测量时，主处理器按下列顺序控制ECG测量：

步骤4.1：控制系统电源给ECG测量系统供电；

步骤4.2：操控一个SPI通讯接口控制ECG测量并抓取测量数据。

更为具体的：当系统接收到测试启动命令式时，主处理器通过GPIO接口和SPI接口启动ECG传感器测量模式并获取数据；

主处理器会依据信号质量确定本次测量时长，若一定时间内不能获得足够的优良数据，则宣告本次测量失败，测量过程中，当收集到的优良数据满足计算要求时，系统直接终止测量，并通过SPI接口做好相关退出模式设置后关闭ECG传感器电源，以降低系统功耗。

步骤5中利用脉搏波传递时间(PWTT)原理动态计算得出血压值的方法具体如下：

根据麻省理工学院MIMIC数据库及动脉血压与脉搏波传播时间的关系研究，脉搏波传输时间与动脉血压存在负相关关系，在一定时间范围内可通过脉搏波传输时间计算平均动脉压，均方根误差小于5mmHg。本发明使用线性回归方法分段求得脉搏波传输时间和平均动脉压之间的线性方程，并与实际血压比较评价该分段线性方程误差，进行修正。另一个影响线性方程准确性的参数是人体的几何形态，也就是从心脏到手腕部回路的物理长度。本发明通过在手表设置参数中输入人体身高和体重参数来确定该物理回路长度，并作为线性方程的输入参数之一。实际测量过程中，通过同步抓取的脉搏波波形和ECG信号，经过信号处理获得这两个波形间的PWTT值。线性方程根据该PWTT值和上述物理回路长度计算出血压值。

本发明利用桡动脉脉搏波和ECG信号实现血压动态监测的原理简述如下：

脉搏波传递的速度与血压是直接相关的，血压高时，脉搏波传递快，反之则慢。而脉搏传递时间(PWTT)可以通过心电信号ECG与脉搏波信号获得，再加上常规的一些身体参数(如身高，体重)可得出脉搏波传递速度，进而演算出血压值。

脉搏波是心脏的搏动(振动)沿动脉血管和血流向外周传播而形成的，好比是水面的波纹。脉搏波随着血管中的血液循环，在不同的位置(主动脉、动脉或毛细血管)略有不同。因为脉搏波与血流存在的特殊关联性，血液压强可以通过脉搏波间接测得，不同于“听”“看”相结合的柯式音血压测量法，利用脉搏波测量血压不存在主观误差，更不存在医生听力、视力不足产生的错误，准确性值得信赖。

脉搏波探测方法替代柯氏音法，采用多点测量替代单点测量，并利用收缩压和舒张压点附近各点之间的内在联系和变化规律，采用逼近和拟合的计算方法，计算出真正的收缩压和舒张压值，实现不连续事件的连续测量，即可以测出心脏两跳之间的血压值。所有测量过程无需人工干预，避免了主观引入的误差。血压值的计算依赖收缩压和舒张压点附近各点之间的内在联系和变化规律。

关于ECG测量，手表的底部和表面分别安装有电极，底部电极与手腕接触，表面的电极和另一只手的接触，从而测量到取自双手的心电图ECG曲线。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)通过将桡动脉脉搏波测量和ECG信号测量技术集成于小型智能手表，方便用户随时随地测量血压值；

2)通过用户自主触发的单次测量或系统设定的多次定时测量，让用户方便地知晓全天24小时各时段内自身的血压波动情況，实现全天候血压动态监测；

2)通过对系统功耗的优化，实现待机时长60天，增强用户体验。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明系统硬件架构的示意图；

图2是本发明利用脉搏波信号和ECG信号推算血压值的原理示意图；

其中：(a)代表高值血压，(b)代表低值血压；

图3是本发明低功耗算法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明主要通过利用生物传感器对桡动脉脉搏波进行测量，以及同步进行的双手ECG信号测量，实现血压值和心率值计算。其中心率值可通过脉搏波或ECG信号单独计算得出。但高精度的血压值则需要桡动脉脉搏波数据和ECG数据共同参与计算。本发明所依据的理论依据是PWTT工作原理(利用心电和脉搏波测血压)。

为了提高本发明所指智能手表设备中人体血压测量的准确性，通过对脉搏传输时间(PWTT)、每搏心输出量、波形系数、升支平均斜率、脉率等多脉搏波参数的多元线性回归分析，建立起基于多脉搏波参数的人体血压计算模型，利用该模型计算出血压值。通过在手表底部和顶部植入不锈钢电极，克服了以心电信号为参考计算PWTT(PWTT_ECG)需要更换电极、有导连线穿戴不方便的不足。分别对基于PWTTPCG和多脉搏波参数的人体血压计算模型计算血压进行了实验验证，实验结果表明利用PWTTPCG作为PWTT计算人体血压的可行性；利用该模型计算的收缩压和舒张压的平均误差较单一参数分别提高了55％和50％，具有较高的测量精度。

由于脉搏波信号及心电信号是在众多强干扰环境下获取，要求用户在测量时保持手部姿势稳定，并确保手表与心脏保持同一水平位置。

手表内置固件支持单次测量功能。用户可以随时随地从手表按键发起一次测量，测量结果值在LCD直接显示。结果值包括血压收缩压，舒张压，心率等。手表也支持多次定时测量功能。当设定的测量时刻到达，手表马达震动提醒客户做好测量姿态准备。定时测量可保证血压监测按专业测量需要进行。

系统主要处理器为Cortex-M4内核的超低功耗系列，运行FRTOS操作系统。相关低功耗算法及策略保证了待机时长达60天。

本发明的实现过程包括：

获取桡动脉脉搏波数据

本发明的硬件连接示意图如图1所示，主处理器和桡动脉生物传感器通过IIC串行通信口实现数据的双向传输，并通过GPIO(通用输入/输出)接口实现桡动脉生物传感器的电源控制和双向数据唤醒功能。

上电后，主处理器通过IIC接口对桡动脉生物传感器进行配置，让其工作在低功耗，且具有唤醒功能的状态；

当系统接收到测试启动命令式时，主处理器通过GPIO接口和IIC接口启动桡动脉生物传感器测量模式并获取数据；

主处理器会依据信号质量确定本次测量时长，若两分钟内不能获得足够的优良数据，则宣告本次测量失败。测量过程中，当收集到的优良数据满足计算要求时，系统直接终止测量，并在做好相关退出模式设置后关闭桡动脉生物传感器电源，以降低系统功耗。

获取双手ECG数据

手表底部嵌有一个不锈钢电极。当适度松紧方式佩戴手表时，结构设计可保证该电极与左手腕皮肤良好接触。在手表上盖的右侧嵌有一个不锈钢电极。当测量开始时，右手食指需要轻轻地搭在该处电极上，并确保有良好的导电接触。手表内部的硬件设计已经将右手参考电极信号并联于右手电极信号。这样的硬件方案可保证正确的左右手ECG信号获取。

类似于前述桡动脉脉搏波测量方法，当系统接收到测试启动命令式时，主处理器通过GPIO接口和SPI接口启动ECG传感器测量模式并获取数据；

主处理器会依据信号质量确定本次测量时长，若两分钟内不能获得足够的优良有数，则宣告本次测量失败。测量过程中，当收集到的优良数据满足计算要求时，系统直接终止测量，并通过SPI接口做好相关退出模式设置后关闭ECG传感器电源，以降低系统功耗。

结果计算

在获得足够的桡动脉脉搏波数据和双手ECG数据后，血压算法基于前述PWTT_ECG原理推算出血压值及心率值。影响计算结果的参数包括脉搏传输时间(PWTT)、每搏心输出量、波形系数、升支平均斜率、脉率等多脉搏波参数。人体血压计算模型的建立基于多脉搏波参数，手表利用该模型计算出血压值。

低功耗实现

关键的硬件器件选型多为低功耗型，包括主处理器Cortex-M4,Sharp记忆液晶显示屏，低漏电负载开关，低漏电LDO，低功耗MEMS G-Sensor传感器，CSR低功耗蓝牙BT4.0芯片等。

更主要的是软件算法对低功耗的实现。在不影响用户体验的情况下让各部分间歇性工作，缩短高功耗时长。操作系统FRTOS对系统时序也做了精确和细微的调整。

图2是本发明技术方案给出的利用脉搏波信号和ECG信号推算血压值的原理示意图。每组波形图的上面一个示意从双手获取的ECG心电波形，下面一个是桡动脉脉搏波波形。双手心电波形产生的时间与心脏搏动的时间完全同步。根据血液动力学，血液脉搏波传递到手腕部需要一定的时间，这两个波形的时间差从图中PWTT(脉搏波传输时间)参数示意出来。血压越高PWTT值越小，反之亦然。图2(a)代表高值血压，图2(b)代表低值血压。两图的PWTT差值按分段逼近的线性方程对应血压的变化值。血液由心脏流向本案所述的桡动脉就是图中示意的主动脉到外围血管。

图3是本发明技术方案给出的低功耗算法流程图。本发明所指血压监测手表除了在血压测量进行时外，桡动脉脉搏波传感器和ECG传感器是无需工作的。因此，手表操作系统FRTOS在单次测量结束时会尽可能迅速的关闭两个传感器供电，当测量开始时才按硬件上电时序上电。系统最大功耗来自测量时的这两个传感器，单次测量的时间越短越好。为了在尽可能短的时间内获得足够良好的波形数据，系统低功耗算法实时分片对信号质量进行识别，而不是在整个测量结束后才分析统计合格数据总量。一旦收集到的合格数据满足解算需求即刻终止测量，关闭两个传感器电源。另一方面，待机时的静态功耗与待机时长密切相关。当操作系统没有其它重大任务执行时，FRTOS会精细配置外围硬件参数，避免任何可能的漏电。同时调整FRTOS本身维持有节奏运行的几个时间参数，让系统缓慢呼吸，精准呼吸，不遗漏任何中断事件地呼吸。保证手表时间显示的漂移尽量小。

本发明要解决的技术问题体现在以下几点：

1)通过对腕部桡动脉测量而不是对毛细血管测量，抓取清晰脉搏波波形；

2)通过双手电极辅助测量，抓取相关ECG信号。该ECG信号辅助修正血压计算结果，确保血压动态变化时设备能实时准确反映血压值的波动；

3)以智能手表的形式实现该技术的产品化，低功耗化，及便利性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种基于桡动脉生物传感器技术的血压动态监测系统，其特征在于，包括主处理器、手表以及置于手表内的生物传感器，所述生物传感器包括一内嵌于表带内的桡动脉生物传感器，其用于测量桡动脉脉搏波形，一内嵌于手表底部的不锈钢电极用于与使用者的手腕接触，一置于表壳处的不锈钢电极用于与所述使用者另一只手的手指头触碰与一ECG传感器，所述血压动态监测系统通过所述不锈钢电极与所述ECG传感器抓取ECG信号，其中，手表底部嵌有一个不锈钢电极；当适度松紧方式佩戴手表时，结构设计可保证该电极与左手腕皮肤良好接触；在手表上盖的右侧嵌有一个不锈钢电极；当测量开始时，右手食指需要轻轻地搭在该处电极上，并确保有良好的导电接触；手表内部的硬件设计已经将右手参考电极信号并联于右手电极信号；所述血压动态监测系统通过所述脉搏波形数据和所述ECG信号得出血压值，在获得足够的桡动脉脉搏波数据和双手ECG数据后，基于多脉搏波参数的血压算法推算出血压值及心率值；影响计算结果的多脉搏波参数包括脉搏传输时间、每搏心输出量、波形系数、升支平均斜率、脉率；其中所述主处理器会根据所述脉搏波形数据和所述ECG信号的质量，动态调整量测所需的时间，若超过一预设时间仍未取得符合质量要求的所述脉搏波形数据和所述ECG信号的数据，所述系统直接终止测量，所述系统支持单次测量功能，从手表按键发起一次测量，测量结果值显示在LCD上，同时也支持多次定时测量功能，当设定的测量时刻到达，手表马达震动提醒做好测量姿态准备，所述系统包含一低功耗算法实时分片对所述脉搏波形数据和所述ECG信号的质量进行识别，当所述系统收集到的合格数据满足需求即刻终止测量，並关闭所述桡动脉生物传感器與所述ECG传感器的电源。

2.一种基于桡动脉生物传感器技术的血压动态监测系统，其特征在于，包括主处理器、手表以及置于手表内的生物传感器，所述生物传感器包括一内嵌于表带内的桡动脉生物传感器，用于测量使用者的桡动脉脉搏波形，一内嵌于手表底部的不锈钢电极、一置于表壳处的不锈钢电极与一ECG传感器，用于抓取所述使用者的ECG信号，其中，手表底部嵌有一个不锈钢电极；当适度松紧方式佩戴手表时，结构设计可保证该电极与左手腕皮肤良好接触；在手表上盖的右侧嵌有一个不锈钢电极；当测量开始时，右手食指需要轻轻地搭在该处电极上，并确保有良好的导电接触；手表内部的硬件设计已经将右手参考电极信号并联于右手电极信号；所述血压动态监测系统通过同步抓取的脉搏波形数据和ECG信号，利用脉搏波传递时间原理动态计算得出血压值，在获得足够的桡动脉脉搏波数据和双手ECG数据后，基于多脉搏波参数的血压算法推算出血压值及心率值；影响计算结果的多脉搏波参数包括脉搏传输时间、每搏心输出量、波形系数、升支平均斜率、脉率；其中所述系统包括一自主触发的单次测量功能以及一自定义的主动测量功能，所述自主触发的单次测量包括一手表按键用于触发测量，使所述主处理器控制系统电源对置于所述表带内的所述桡动脉生物传感器供电，并控制所述桡动脉生物传感器测量使用者的桡动脉脉搏波形，以及使所述主处理器控制系统电源给所述ECG传感器供电，并控制所述ECG传感器抓取测量ECG信号的数据；所述自定义的主动测量功能包括多次定时测量功能，当设定的测量时刻到达，所述手表中进行马达震动以提醒使用者，所述桡动脉生物传感器具有唤醒功能，当系统接收到测试启动命令时，所述主处理器启动所述桡动脉生物传感器与所述ECG传感器获取数据，终止测量后关闭所述ECG传感器与所述桡动脉生物传感器电源，所述系统包含一低功耗算法实时分片对所述脉搏波形数据和所述ECG信号的质量进行识别，当所述系统收集到的合格数据满足需求即刻终止测量，並关闭所述ECG传感器与所述桡动脉生物传感器电源，所述主处理器和所述桡动脉生物传感器通过IIC串行通信口实现数据的双向传输，并通过GPIO接口实现所述桡动脉生物传感器的电源控制和双向数据唤醒功能；上电后，主处理器通过IIC接口对桡动脉生物传感器进行配置，让其工作在低功耗，且具有唤醒功能的状态；当系统接收到测试启动命令式时，主处理器通过GPIO接口和IIC接口启动桡动脉生物传感器测量模式并获取数据；所述主处理器通过启动所述桡动脉生物传感器测量并获取所述桡动脉脉搏波形的数据；所述主处理器判断收集到的桡动脉脉搏波形数据满足计算要求时，终止桡动脉脉搏波形的测量并关闭桡动脉生物传感器电源，以降低系统功耗，所述主处理器通过GPIO接口和SPI接口启动ECG传感器并获取ECG信号的数据；所述主处理器判断收集到的ECG信号数据满足计算要求时，终止ECG信号的测量并关闭ECG传感器电源，以降低系统功耗，所述主处理器使用线性回归方法分段求得脉搏波传输时间和平均动脉压之间的线性方程，并与实际血压比较评价该分段线性方程误差，进行修正，其中所述线性方程为Y＝An*X+B,Y为平均动脉压,X为脉搏波传输时间,An为斜率参数，B为输入参数；

所述主处理器通过在手表设置参数中输入人体身高和体重参数来确定从心脏到手腕部回路的物理长度，并作为所述线性方程的所述输入参数B；

所述主处理器通过同步抓取的脉搏波波形数据和ECG信号，经过信号处理获得这两个波形间的脉搏波传递时间值；其中所述主处理器通过所述线性方程并根据该脉搏波传递时间值和上述回路的物理长度计算出血压值，所述线性方程在不同分段中，所述斜率参数An不同。

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