CN113100731B - 一种血压监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种血压监测装置及方法,装置包括:接触部;传感模块,嵌设于接触部中,其用于监测被检测者的心脏沿着动脉血管和血流向外周传播而引起的振动,并将振动转换成电信号,传感模块包括两片柔性薄膜和固设于两片柔性薄膜中的光纤传感器;微处理器,与传感模块相连,用于从电信号中提取脉搏传导时间,并建立血压估算模型,并根据此血压估算模型实时监测血压。通过嵌于接触部中的光纤传感器来检测人体由心脏沿着动脉血管和血流向外周传播而引起的振动,具有较高的灵敏度且抗电磁干扰;使用者只需将监测装置的接触部穿戴在人体相关部位或与人体相关部位接触后即可实现实时、连续的的血压监测,且具有结构紧凑、体积小、携带方便、操作简便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及血压监测技术领域,更具体的说,涉及一种血压监测装置及方法。
背景技术
血压(blood pressure,BP),是指血液在血管内流动时作用于单位面积血管壁的侧压力,它是推动血液在血管内流动的动力,从而提供各组织器官足够的血量,以维持机体正常的新陈代谢。血压也是诊断疾病、观察病情变化与判断治疗效果的一项重要内容。若血压过高或过低,都会对人体产生严重的后果,比如对血管和器官的伤害、脑动脉供血不足等。因此,有效的血压监测会将血压值反馈给用户,使其了解自己的血压情况,从而预防疾病的发生。
传统的血压监测设备大都是臂式电子血压计,需要在用户的手臂处佩戴袖带,并需要人工对袖带进行充气和放气。这样的监测方式会使得手臂处的血管由于袖带压力而产生一定的形变,容易导致短时间内再次进行测量的准确性不高,只能获得某一时刻的血压值,无法进行连续的血压监测。同时,袖带对用户手腕处产生的压力对给用户造成不适感,且体积较大、便携性较差。
发明内容
针对上述技术问题,本发明实施例提供了一种可以进行连续的血压监测、体积较小、便携方便的血压监测装置。
本本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种血压监测装置,包括:
接触部,用于与人体接触;
传感模块,嵌设于所述接触部中,其用于监测被检测者的心脏沿着动脉血管和血流向外周传播而引起的振动,并将振动转换成电信号,所述传感模块包括两片柔性薄膜和固设于两片所述柔性薄膜中的光纤传感器;
微处理器,与所述传感模块相连,用于从所述电信号中提取脉搏传导时间,并建立血压估算模型,并根据此血压估算模型实时监测血压。
可选地,所述光纤传感器包括激光器、与所述激光器相连的1x2光纤耦合器、与所述1x2光纤耦合器的两个输出端相连的传感光纤和参考光纤、与所述传感光纤和所述参考光纤相连的2x3光纤耦合器、以及与所述2x3光纤耦合器的3个输出端相连的3个光纤探测器;3个所述光纤探测器的输出端分别与所述微处理器相连。
可选地,所述3个光纤探测器包括第一光纤探测器、第二光纤探测器以及第三光纤探测器,所述电信号包括所述第一光纤探测器探测的第一电信号、所述第二光纤探测器探测的第二电信号以及所述第三光纤探测器探测的第三电信号。
可选地,所述激光器为单波长激光器。
可选地,所述单波长激光器为DFB激光器或者VCSEL激光器。
可选地,所述微处理器位于所述接触部内部或者外部。
该血压监测装置是基于光纤传感器实现的,通过嵌于接触部中的光纤传感器来检测人体由心脏沿着动脉血管和血流向外周传播而引起的振动,具有较高的灵敏度且抗电磁干扰;使用者只需将监测装置的接触部穿戴在人体相关部位或与人体相关部位接触后即可实现实时、连续的的血压监测,且具有结构紧凑、体积小、携带方便、操作简便等优点,可应用于家庭日常的血压监测中。
本发明还提供一种血压监测方法,包括如上任意一项所述的血压监测装置,所述方法包括以下步骤:
a、传感模块采集被检测者的心脏沿着动脉血管和血流向外周传播而引起的振动,并转化成三路电信号,输入微处理器;
b、微处理器利用微分-交叉相乘算法将脉搏波信号从三路电信号中解调出来;
c、提取脉搏波信号中主峰和次峰之间的距离,定义为脉搏传导时间;
d、根据血压与脉搏传导时间之间的线性关系,建立血压估算模型。
其中,PTT为脉搏传导时间,L为脉搏传输的距离,PWV为脉搏波速度。
其中,V为血管容量,dV为血管容量的变化,ρ为血液的密度,dP指短时间内血管壁上的收缩压与舒张压之间的偏差,单位为mmHg,且被表示为
dP=SBP-DBP,其中SBP为收缩压,DBP为舒张压。
可选地,脉搏波速度
其中,Ein为动脉壁的弹性模量、h为动脉壁的厚度、d为动脉的半径,ρ为血液的密度;平均血压MBP的计算方式为:
收缩压SBP、舒张压DBP与脉搏传导时间PTT之间的关系为:
其中,Ka、Kb、Kc和Ya、Yb、Yc是与测量者有关的系数。
本发明的有益效果是:该血压监测方法是基于血压监测装置实现的,使用者只需将监测装置的接触部穿戴在人体相关部位或与人体相关部位接触后即可实现实时、连续的的血压监测,操作简便,且具有较高的灵敏度且抗电磁干扰。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的,并不能限制本发明。
附图说明
图1是本发明实施例的血压监测装置的结构示意图;
图2是本发明实施例的血压监测装置的传感模块的结构示意图;
图3是本发明实施例的血压监测装置的微处理器处理流程图;
图中标记为:
穿戴式腕带1,
传感模块2,柔性薄膜21,光纤传感器22,激光器221,1x2光纤耦合器 222,传感光纤223,参考光纤224,2x3光纤耦合器225,第一光纤探测器226,第二光纤探测器227,第三光纤探测器228,
微处理器3。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
下面将结合附图1至3和示例性地优选实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种血压监测装置,实施例的结构参考图1。该血压监测装置,包括:穿戴式腕带1、传感模块2以及微处理器3;传感模块2嵌设于所述穿戴式腕带1中,用于监测被检测者手腕上由心脏沿着动脉血管和血流向外周传播而引起的振动,并将振动转换成电信号;微处理器3与所述传感模块2相连,用于从所述电信号中提取脉搏传导时间,并建立血压估算模型,并根据此血压估算模型实时监测血压。
所述传感模块2包括两片柔性薄膜21和固设于两片所述柔性薄膜21中的光纤传感器22。
具体地,所述光纤传感器22包括激光器221、与所述激光器221相连的 1x2光纤耦合器222、与所述1x2光纤耦合器222的其中两个输出端相连的传感光纤223和参考光纤224、与所述传感光纤223和所述参考光纤224相连的 2x3光纤耦合器225、以及与所述2x3光纤耦合器225的其中3个输出端相连的3个光纤探测器;3个所述光纤探测器的输出端分别与所述微处理器3相连。
进一步地,所述3个光纤探测器包括第一光纤探测器226、第二光纤探测器227以及第三光纤探测器228,所述电信号包括所述第一光纤探测器226探测的第一电信号、所述第二光纤探测器227探测的第二电信号以及所述第三光纤探测器228探测的第三电信号。
所述激光器221为单波长激光器;作为本发明的优选实施例,所述激光器 221为DFB激光器或者VCSEL激光器。
传感光纤223和所述参考光纤224可以选择采用单模光纤、少模光纤、多模光纤等,为了使得光纤传感器能够形成稳定干涉,在本发明一优选实施例中,传感光纤223和参考光纤224优选采用单模光纤。
作为本发明的优选实施例,所述激光器221发出的入射光传输至1×2光纤耦合器时被一分为二,分别沿着传感光纤和参考光纤传输。当这两部分的光传输至2×3光纤耦合器处时会发生干涉并耦合,2×3光纤耦合器三个输出端的输出光强将分别由所述第一光纤探测器226、所述第二光纤探测器227以及所述第三光纤探测器228检测,并分别转换成电信号,三路输出信号的光强分别为:
其中,Iin为激光器221发出的入射光的输入光强,I1、I2、I3分别为第一光纤探测器226、第二光纤探测器227、第三光纤探测器228的输出光强,为传感光纤223与参考光纤224之间的相位差,A、B均为常数且与激光器221 光源功率有关。
当被检测者将穿戴式腕带1系在手腕上时,嵌入穿戴式腕带1的传感模块2将会监测到手腕上由心脏沿着动脉血管和血流向外周传播而引起的振动,且外界振动只作用在光纤传感器22的传感光纤223上,对参考光纤224不敏感,那么传感光纤223与参考光纤224之间的相位差将会发生变化,从而改变输出光强的大小。
在本发明的上述第一实施例中,所述穿戴式腕带1只是本发明所述接触部的一种具体实施方式,当然也可以采用非穿戴式腕带与人体腕部或其他相关部位接触进行血压监测,例如也可以采用如诊垫或其他柔软的人体接触式介质作为血压监测装置的接触部。
进一步地,如图3所示,所述微处理器3的处理步骤包括:
步骤1:传感模块2采集被检测者的心脏沿着动脉血管和血流向外周传播而引起的振动,并转化成三路电信号,输入微处理器3;
步骤2:利用微分-交叉相乘算法将脉搏波信号,也就是相位信息,将从传感模块2检测到的三路输出原始信号中解调出来;具体的,三路输出原始信号分别为第一光纤探测器226、第二光纤探测器227以及第三光纤探测器 228检测到的第一电信号、第二电信号以及第三电信号;
步骤3:提取脉搏波信号中主峰和次峰之间的距离,并定义为脉搏传导时间(PTT);
具体的,PTT与脉搏波速度(PWV)成反比。当动脉变硬时,脉搏波在动脉壁上传播速度快,导致PTT值降低。僵硬的动脉会削弱动脉壁对血流的缓冲作用,使血压升高。因此,血压与脉搏波速度(PWV)成正比,与PTT成反比。PTT的计算方式为:
其中,L为脉搏传输的距离。基于Bramwell-Hill公式,PWV可被表示为:
其中,V为血管容量,dV为血管容量的变化,ρ为血液的密度,dP指短时间内血管壁上的收缩压(SBP)与舒张压(DBP)之间的偏差,单位为mmHg,且被表示为:
dP=SBP-DBP
PWV可以用动脉壁的弹性模量Ein、动脉壁的厚度h、动脉的半径d和血液的密度ρ来描述,即:
动脉的弹性模量随着平均血压(MBP)的增加而成倍增加,即:
Ein=E0eα*MBP
其中,E0表示血压为0时的杨氏模量,α为与人体血管有关的参数。MBP 的计算方式为:
收缩压SBP、舒张压DBP与脉搏传导时间PTT之间的关系为:
其中,Ka、Kb、Kc和Ya、Yb、Yc是与测量者个人有关的系数,可以通过对由本发明提出的腕带式血压装置和成熟的血压监测仪获得的大量样本数据之间进行校准、拟合来获得;
步骤4:根据血压与脉搏传导时间之间的线性关系,建立血压估算模型,根据此模型进行血压的实时监测。
所述微处理器3位于所述接触部的内部或者外部,如设置于所述穿戴式腕带1内部,或者设置于所述穿戴式腕带1外表面,或者设置于诊垫内部或者设置于诊垫的外表面,或者位于与该血压监测装置相连的显示装置中,在此不做详细说明。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种血压监测装置,其特征在于,包括:
接触部,用于与人体接触;
传感模块,嵌设于所述接触部中,其用于监测被检测者的心脏沿着动脉血管和血流向外周传播而引起的振动,并将振动转换成电信号,所述传感模块包括两片柔性薄膜和固设于两片所述柔性薄膜中的光纤传感器;所述光纤传感器包括激光器、与所述激光器相连的1x2光纤耦合器、与所述1x2光纤耦合器的两个输出端相连的传感光纤和参考光纤、与所述传感光纤和所述参考光纤相连的2x3光纤耦合器、以及与所述2x3光纤耦合器的3个输出端相连的3个光纤探测器;所述3个光纤探测器包括第一光纤探测器、第二光纤探测器以及第三光纤探测器;
所述振动作用在所述传感光纤上,所述传感光纤与所述参考光纤之间的相位差发生变化,从而改变输出光强的大小;
所述激光器发出的入射光传输至所述1x2光纤耦合器时被一分为二,分别沿所述传感光纤和所述参考光纤传输,经所述2×3光纤耦合器处时会发生干涉并耦合,所述2×3光纤耦合器的三个输出端的输出光强分别由所述第一光纤探测器、所述第二光纤探测器以及所述第三光纤探测器检测,并分别转换成电信号,三路输出信号的光强分别为:
其中,I in为激光器发出的入射光的输入光强,I 1、I 2、I 3分别为所述第一光纤探测器、所述第二光纤探测器、所述第三光纤探测器的输出光强,为所述传感光纤与所述参考光纤之间的相位差,A、B均为常数且与所述激光器光源功率有关;
微处理器,与所述传感模块相连,用于从所述电信号中提取脉搏传导时间,并建立血压估算模型,并根据此血压估算模型实时监测血压。
2.根据权利要求1所述的血压监测装置,其特征在于,所述电信号包括所述第一光纤探测器探测的第一电信号、所述第二光纤探测器探测的第二电信号以及所述第三光纤探测器探测的第三电信号。
3.根据权利要求2所述的血压监测装置,其特征在于,所述3个光纤探测器的输出端分别与所述微处理器相连。
4.根据权利要求1所述的血压监测装置,其特征在于,所述激光器为单波长激光器。
5.根据权利要求4所述的血压监测装置,其特征在于,所述单波长激光器为DFB激光器或者VCSEL激光器。
6.根据权利要求1所述的血压监测装置,其特征在于,所述微处理器位于所述接触部内部或者外部。
7.根据权利要求1-6任一项所述的血压监测装置,其特征在于,所述微处理器的处理步骤包括:
a、传感模块采集被检测者的心脏沿着动脉血管和血流向外周传播而引起的振动,并转化成三路电信号,输入微处理器;
b、微处理器利用微分-交叉相乘算法将脉搏波信号从三路电信号中解调出来;
c、提取脉搏波信号中主峰和次峰之间的距离,定义为脉搏传导时间;
d、根据血压与脉搏传导时间之间的线性关系,建立血压估算模型。
8.根据权利要求1-6任一项所述的血压监测装置,其特征在于,所述传感光纤和所述参考光纤选择采用单模光纤、少模光纤或多模光纤。
9.根据权利要求8所述的血压监测装置,其特征在于,所述传感光纤和所述参考光采用单模光纤。
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