CN113018135A - 体外反搏协同控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种体外反搏协同控制系统，属于体外反搏系统技术领域，包括计算模块对人体的脉搏信号进行脉搏波起点的提取和标注，计算脉搏波率；解析模块利用解析函数对标注了起点的脉搏波进行解析，得到解析参数；第一确定模块根据解析参数确定脉搏波峰值点的位置，确定体外反搏的加压时间点；第二确定模块根据脉搏波率确定体外反搏的加压频率；信号输出模块根据加压时间点和加压频率输出控制信号，控制体外反搏系统进行体外反搏。本发明通过对脉搏波进行解析分析，确定出与心率协同的体外反博装置的加压时间点、加压频率及加压强度，能够使得体外反博装置作为体外泵与心脏协同工作，从而加速静脉回流消除静脉淤滞，提高体外反博治疗的有效性。

Description

体外反搏协同控制系统及方法

技术领域

本发明涉及体外反搏系统技术领域，具体涉及一种体外反搏协同控制系统及方法。

背景技术

行动不便或手术后的患者，其血液在深静脉系统内易不正常凝结，形成深静脉血栓。深静脉血栓是一种常见、多发病，并且致残率高，具有一定的致死率。常规的药物和介入治疗方法不仅会产生副作用而且价格昂贵，并会诱发其他病变。

体外反搏系统能够促进人体的血液流动，可有效预防深静脉血栓的形成，为了达到最佳效果，体外反博应与人体脉动协同工作。由于人体阻抗的影响，心率脉动到达体外反博施加位置时其参数发生了变化，使得体外反博与心率脉动协同工作面临困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够控制体外反博与人体脉动协同工作的体外反搏协同控制系统及方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供的一种体外反搏协同控制系统，包括：

计算模块，用于对人体的脉搏信号进行脉搏波起点的提取和标注，计算脉搏波率；

解析模块，用于利用解析函数对标注了起点的脉搏波进行解析，得到解析参数；

第一确定模块，用于根据解析参数确定脉搏波峰值点的位置，并根据峰值点的位置确定体外反搏的加压时间点；

第二确定模块，用于根据脉搏波率确定体外反搏的加压频率；

信号输出模块，用于根据加压时间点和加压频率输出控制信号，控制体外反搏系统进行体外反搏。

优选的，体外反搏协同控制系统还包括：

第一采集模块，用于采集人体的脉搏信号，并发送给计算模块；

第二采集模块，用于采集体外反搏系统的储气罐的气压信号，并发送给控制模块。

优选的，第一采集模块为脉搏传感器，所述脉搏传感器连接滤波器，所述滤波器连接AD转换模块，所述AD转换模块连接微处理器中的计算模块；

所述微处理器连接金氧半场效晶体管(MOSFET)，所述金氧半场效晶体管连接电磁阀。

优选的，体外反搏系统包括空气压缩机、储气罐和气腔，第二采集模块为采集储气罐压力的压力检测传感器，所述压力检测传感器连接所述微处理器。

第二方面，本发明提供一种体外反搏协同控制方法，包括如下步骤：

对人体的脉搏信号进行脉搏波起点的提取和标注，计算脉搏波率；

利用解析函数对标注了起点的脉搏波进行解析，得到解析参数；

根据解析参数确定脉搏波峰值点的位置，并根据峰值点的位置确定体外反搏的加压时间点；

根据脉搏波率确定体外反搏的加压频率；

根据加压时间点和加压频率控制体外反搏系统进行体外反搏。

优选的，采用加窗与加权斜率的和函数算法对采集的脉搏波进行脉搏波起点提取与标注；包括：

使用二阶递归滤波器抑制脉搏波中的高频噪声；定义斜率和函数斜率；利用斜率和函数斜率来增强波形的上升部分，并抑制波形的其余部分；以平均斜率和函数信号的三倍对阈值进行初始值设置，运用自适应阈值和局部搜索制定决策规则，对脉搏波的起点进行提取与标注；根据脉搏起点的数量计算出对应心率值，即为脉搏波率。

优选的，采用高斯函数作为脉搏波解析函数，并进行离散化表达，获得解析参数；采用二阶段粒子群算法进行解析参数寻优，第一阶段运用全局搜索算法，第二阶段运用细粒度搜索算法，使得目标函数平均绝对百分比误差取得最小值。

优选的，采用高斯函数作为脉搏波解析函数，并进行离散化为：

其中，n＝1,2,...,1000，表示归一化周期的长度；k＝1,2,3，表示函数的个数；H_k、W_k、C_k为解析参数，分别表示解析函数的峰值、宽度和其中心点的坐标值；

每种解析函数采用3个子函数叠加对信号进行解析，当解析参数确定后，得到脉搏波的解析结果函数f(n,x)：

其中，x表示参数向量。

优选的，目标函数平均绝对百分比误差MAPE为：

其中，N表示记录的脉搏波的总采样数，S(n)表示归一化处理后的测量信号，f(n,x)表示解析结果函数。

优选的，根据脉搏波的幅值、频率和解析参数，得到与人体协同的体外反博控制信号，其表达式可表示为：y＝Φ(A)cos[2πH(f)(W_k+Δt)+θ]；

其中，A表示脉搏波的幅值，W_k+Δt表示加压时间点，f表示脉搏波的频率，Φ(A)表示协同波的幅值函数；H(f)表示协同波的频率的函数；Δt表示体外反博点的时间延迟；θ表示相位延迟。

本发明有益效果：通过对脉搏波进行解析分析，确定出与心率协同的体外反博装置的加压时间点、加压频率及加压强度，能够使得体外反博装置作为体外泵与心脏协同工作，从而加速静脉回流消除静脉淤滞，提高体外反博治疗的有效性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所述的体外反搏协同控制系统功能原理框图。

图2为本发明实施例1所述的体外反搏协同控制方法流程图。

图3为本发明实施例2所述的体外反搏协同控制系统功能原理框图。

图4为本发明实施例2所述的脉搏波的脉搏起点提取与标注示意图。

图5为本发明实施例2所述的基于高斯函数的3个子函数脉搏波解析结果示意图。

其中：1-脉搏传感器；2-滤波器；3-AD转换模块；4-微处理器；5-金氧半场效晶体管；6-电磁阀；7-空气压缩机；8-储气罐；9-气腔；10-压力检测传感器；11-二极管。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

如图1所示，本发明实施例1提供一种体外反搏协同控制系统，包括：

计算模块，用于对人体的脉搏信号进行脉搏波起点的提取和标注，计算脉搏波率；

解析模块，用于利用解析函数对标注了起点的脉搏波进行解析，得到解析参数；

第一确定模块，用于根据解析参数确定脉搏波峰值点的位置，并根据峰值点的位置确定体外反搏的加压时间点；

第二确定模块，用于根据脉搏波率确定体外反搏的加压频率；

信号输出模块，用于根据加压时间点和加压频率输出控制信号，控制体外反搏系统进行体外反搏。

在本实施例1中，该体外反搏协同控制系统还包括第一采集模块，用于采集人体的脉搏信号，并发送给计算模块；以及第二采集模块，用于采集体外反搏系统的储气罐的气压信号，并发送给控制模块。

如图2所示，在本实施例1中，利用上述的体外反搏协同控制系统实现了体外反搏协同控制方法，包括如下步骤：

对人体的脉搏信号进行脉搏波起点的提取和标注，计算脉搏波率；

利用解析函数对标注了起点的脉搏波进行解析，得到解析参数；

根据解析参数确定脉搏波峰值点的位置，并根据峰值点的位置确定体外反搏的加压时间点；

根据脉搏波率确定体外反搏的加压频率；

根据加压时间点和加压频率控制体外反搏系统进行体外反搏。

在本实施例1中，采用加窗与加权斜率的和函数算法对采集的脉搏波进行脉搏波起点提取与标注；包括：

使用二阶递归滤波器抑制脉搏波中的高频噪声；定义斜率和函数斜率；利用斜率和函数斜率来增强波形的上升部分，并抑制波形的其余部分；以平均斜率和函数信号的三倍对阈值进行初始值设置，运用自适应阈值和局部搜索制定决策规则，对脉搏波的起点进行提取与标注；根据脉搏起点的数量计算出对应心率值，即为脉搏波率。

在本实施例1中，采用高斯函数作为脉搏波解析函数，并进行离散化表达，获得解析参数；采用二阶段粒子群算法进行解析参数寻优，第一阶段运用全局搜索算法，第二阶段运用细粒度搜索算法，使得目标函数平均绝对百分比误差取得最小值。

在本实施例1中，采用高斯函数作为脉搏波解析函数，并进行离散化为：

其中，n＝1,2,...,1000，表示归一化周期的长度；k＝1,2,3，表示函数的个数；H_k、W_k、C_k为解析参数，分别表示解析函数的峰值、宽度和其中心点的坐标值。

每种解析函数采用3个子函数叠加对信号进行解析，当解析参数确定后，得到脉搏波的解析结果函数f(n,x)：

其中，x表示参数向量。

在本实施例1中，目标函数平均绝对百分比误差MAPE为：

其中，N表示记录的脉搏波的总采样数，S(n)表示归一化处理后的测量信号，f(n,x)表示解析结果函数。

在本实施例1中，根据脉搏波的幅值、频率和解析参数，得到与人体协同的体外反博控制信号，其表达式可表示为：

y＝Φ(A)cos[2πH(f)(W_k+Δt)+θ]；

其中，A表示脉搏波的幅值，W_k+Δt表示加压时间点，f表示脉搏波的频率，Φ(A)表示协同波的幅值函数；H(f)表示协同波的频率的函数；Δt表示体外反博点的时间延迟；θ表示相位延迟。

实施例2

如图3所示，本发明实施例2提供一种体外反搏协同控制系统，包括：

计算模块，用于对人体的脉搏信号进行脉搏波起点的提取和标注，计算脉搏波率；

解析模块，用于利用解析函数对标注了起点的脉搏波进行解析，得到解析参数；

第一确定模块，用于根据解析参数确定脉搏波峰值点的位置，并根据峰值点的位置确定体外反搏的加压时间点；

第二确定模块，用于根据脉搏波率确定体外反搏的加压频率；

信号输出模块，用于根据加压时间点和加压频率输出控制信号，控制体外反搏系统进行体外反搏。

在本实施例1中，该体外反搏协同控制系统还包括第一采集模块，用于采集人体的脉搏信号，并发送给计算模块；以及第二采集模块，用于采集体外反搏系统的储气罐的气压信号，并发送给控制模块。

在本实施例2中，第一采集模块为脉搏传感器1，所述脉搏传感器1连接滤波器2，所述滤波器2连接AD转换模块3，所述AD转换模块3连接微处理器4中的计算模块；

在本实施例中，所述微处理器4使用S3C2440微处理器，而在实际应用中，该微处理器4的型号并不受上述型号的限制，本领域技术人员可根据实际情况具体选择微处理器4的型号。

所述微处理器4连接金氧半场效晶体管5，所述金氧半场效晶体管5连接电磁阀6。

体外反搏系统包括空气压缩机7、储气罐8和气腔9，第二采集模块为采集储气罐压力的压力检测传感器10，压力检测传感器10连接所述微处理器4。

如图3所示，在本实施例2中，GPIO为S3C2440微处理器通用接口，其输出电压控制电磁阀的开启。当GPIO输出为高电平时(根据W_k+Δt确定的加压时间点)，金氧半场效晶体管5(MOS管)导通，电磁阀6处于开启状态。当GPIO输出为低电平时(电磁阀6开始状态保持20％脉冲占空比后)，MOS管不导通，电磁阀呈关闭状态。

电磁阀断电后易形成感生电动势，图3中二极管11为感生电动势提供泄放回路。空气压缩机7启动后，将空气压入储气罐8，压力检测传感器10对储气罐8的气压进行检测，并将检测结果送入CPU(S3C2440微处理器)；脉搏传感器1对人体的脉搏信号进行采集，经过滤波、AD转换后，输入CPU，进行脉搏解析分析，然后经CPU输出到GPIO，控制电磁阀6的工作状态，形成体外反博协同信号。

同时通过对脉搏的实时监测，根据检测结果形成反馈信号输入到CPU，对体外反博协同信号进行实时调整，达到最佳协同效果。

在本实施例2中，利用上述的体外反搏协同控制系统实现了体外反搏协同控制方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：采集挠动脉的脉搏波；

步骤2：使用软件程序对采集到的信号进行脉搏起点标注，并计算出脉波率；

步骤3：利用高斯函数作为解析函数，采用3个子函数对脉搏波进行解析；

步骤4：利用步骤3得到的解析参数，确定脉搏波峰值点的位置；

步骤5：根据脉搏波峰值点的位置确定体外反博的加压时间点；

步骤6：根据步骤2计算出的心率值确定体外反博的加压频率；

步骤7：根据脉搏波的幅值、频率和解析参数，可得到与人体协同的体外反博控制信号。

在本实施例2中，采用加窗与加权斜率的和函数算法对采集的脉搏波进行脉搏波起点提取与标注。首先使用二阶递归滤波器抑制脉搏波中的高频噪声，其传递函数为：

频率响应为：

其中，ω表示频率；T表示周期。

然后，定义斜率为：

定义函数斜率为：

式中，ω为时间i处，w_i处分析窗口的长度，1+ω≤i≤N，N为记录的脉搏波的总采样数，Δy_k＝y_k-y_k-1，y_k为滤波后的脉搏波信号。利用斜率和函数斜率用来增强波形的上升部分并抑制波形的其余部分。最后以平均斜率和函数信号的三倍对阈值进行初始值设置，运用自适应阈值和局部搜索制定决策规则，对脉搏波的起点进行提取与标注。根据脉搏起点的数量计算出对应心率值。

参见图4，脉搏波可由与幅值A、频率f和相位

有关的函数来表示：

由于阻抗不匹配处，动脉系统任一分叉处都会存在脉搏反射，中心动脉具有两个主要的脉搏反射点，分别是胸主动脉-腹主动脉连接处与腹主动脉-髂总动脉连接处，由于在反射点处动脉管径和弹性显著下降，在脉搏波形上体现为两次明显的下降，故可用3个子函数对脉搏波形进行解析，如图5所示，图中，f₁(n)为第一个子函数；f₂(n)为第二个子函数；f₃(n)为第三个子函数；f(n,x)为解析结果函数；S(n)为归一化后的测量信号。

采用高斯函数作为脉搏波解析函数，其公式为：

其离散化表达式为：

式中，n＝1,2,…,1000，为归一化周期的长度；k＝1,2,3表示函数的个数；H_k(0<H_k<1)、W_k(0<W_k<1000)和C_k(1<C₁<C₂<C₃)为解析参数。

每种解析函数采用3个子函数叠加对信号进行解析，当解析参数确定后，得到脉搏波的解析结果函数f(n,x)：

式中，x为参数向量。

采用二阶段粒子群算法进行解析参数寻优，第一阶段运用全局搜索算法，第二阶段运用细粒度搜索算法，最终使得目标函数平均绝对百分比误差(MAPE)取得最小值。

解析参数W₁、W₂和W₃分别对应脉搏波的第一、第二、第三峰值，根据外反博装置的位置，可从W₁、W₂和W₃中选取可选取一值。体外反博的加压时间点可根据Wk的值来确定：T＝W_k+Δt；Δt表示体外反博点的时间延迟。

根据上面得到的脉搏波的幅值、频率和解析参数Wk，可得到与人体协同的体外反博控制信号，其表达式可表示为：y＝Φ(A)cos[2πH(f)(W_k+Δt)+θ]；其中，A表示脉搏波的幅值，W_k+Δt表示加压时间点，f表示脉搏波的频率，Φ(A)表示脉搏波的幅值函数；H(f)表示脉搏波的频率的函数；Δt表示体外反博点的时间延迟；θ表示相位延迟。

以上所述仅为本公开的优选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种体外反搏协同控制系统，其特征在于，包括：

计算模块，用于对人体的脉搏信号进行脉搏波起点的提取和标注，计算脉搏波率；

解析模块，用于利用解析函数对标注了起点的脉搏波进行解析，得到解析参数；

第一确定模块，用于根据解析参数确定脉搏波峰值点的位置，并根据峰值点的位置确定体外反搏的加压时间点；

第二确定模块，用于根据脉搏波率确定体外反搏的加压频率；

信号输出模块，用于根据加压时间点和加压频率输出控制信号，控制体外反搏系统进行体外反搏。

2.根据权利要求1所述的体外反搏协同控制系统，其特征在于，还包括：

第一采集模块，用于采集人体的脉搏信号，并发送给计算模块；

第二采集模块，用于采集体外反搏系统的储气罐的气压信号，并发送给控制模块。

3.根据权利要求2所述的体外反搏协同控制系统，其特征在于：

第一采集模块为脉搏传感器(1)，所述脉搏传感器(1)连接滤波器(2)，所述滤波器(2)连接AD转换模块(3)，所述AD转换模块(3)连接微处理器(4)中的计算模块；所述微处理器(4)连接金氧半场效晶体管(5)，所述金氧半场效晶体管(5)连接电磁阀(6)。

4.根据权利要求3所述的体外反搏协同控制系统，其特征在于，体外反搏系统包括空气压缩机(7)、储气罐(8)和气腔(9)，第二采集模块为采集储气罐压力的压力检测传感器(10)，所述压力检测传感器(10)连接所述微处理器(4)。

5.一种体外反搏协同控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

对人体的脉搏信号进行脉搏波起点的提取和标注，计算脉搏波率；

利用解析函数对标注了起点的脉搏波进行解析，得到解析参数；

根据解析参数确定脉搏波峰值点的位置，并根据峰值点的位置确定体外反搏的加压时间点；

根据脉搏波率确定体外反搏的加压频率；

根据加压时间点和加压频率控制体外反搏系统进行体外反搏。

6.根据权利要求5所述的体外反搏协同控制方法，其特征在于，采用加窗与加权斜率的和函数算法对采集的脉搏波进行脉搏波起点提取与标注；包括：

使用二阶递归滤波器抑制脉搏波中的高频噪声；定义斜率和函数斜率；利用斜率和函数斜率来增强波形的上升部分，并抑制波形的其余部分；以平均斜率和函数信号的三倍对阈值进行初始值设置，运用自适应阈值和局部搜索制定决策规则，对脉搏波的起点进行提取与标注；根据脉搏起点的数量计算出对应心率值，即为脉搏波率。

7.根据权利要求5所述的体外反搏协同控制方法，其特征在于：

采用高斯函数作为脉搏波解析函数，并进行离散化表达，获得解析参数；采用二阶段粒子群算法进行解析参数寻优，第一阶段运用全局搜索算法，第二阶段运用细粒度搜索算法，使得目标函数平均绝对百分比误差取得最小值。

8.根据权利要求7所述的体外反搏协同控制方法，其特征在于，采用高斯函数作为脉搏波解析函数，并进行离散化为：

其中，n＝1,2,...,1000，表示归一化周期的长度；k＝1,2,3，表示3个子函数；H_k、W_k、C_k为解析参数，分别表示解析函数的峰值、宽度和其中心点的坐标值；

每种解析函数采用3个子函数叠加对信号进行解析，当解析参数确定后，得到脉搏波的解析结果函数f(n,x)：

其中，x表示参数向量。

9.根据权利要求8所述的体外反搏协同控制方法，其特征在于，目标函数平均绝对百分比误差MAPE为：

其中，N表示记录的脉搏波的总采样数，S(n)表示归一化处理后的测量信号，f(n,x)表示解析结果函数。

10.根据权利要求9所述的体外反搏协同控制方法，其特征在于，根据脉搏波的幅值、频率和解析参数，得到与人体协同的体外反博控制信号，其表达式可表示为：

y＝Φ(A)cos[2πH(f)(W_k+Δt)+θ]；

其中，A表示脉搏波的幅值，W_k+Δt表示加压时间点，f表示脉搏波的频率，Φ(A)表示协同波的幅值函数；H(f)表示协同波的频率的函数；Δt表示体外反博点的时间延迟；θ表示相位延迟。

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