CN113729662B - 一种融合心电心音双模式的无袖带腕表式血压测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种融合心电心音双模式的无袖带腕表式血压测量装置，包括信号检测模块以及血压评估模块。信号检测模块，主要分为同时采集腕部心电信号和腕部脉搏信号以及同时采集胸口心音信号和腕部脉搏信号两种模式。血压评估模块，主要通过对信号检测模块同时采集到的信号进行特征提取，得到相应的近点端和远点端特征，从而计算出脉搏波传递时间以及心率，最后结合PWTT、HR与BP的回归模型，来估测出血压的值。本发明通过双模式来进行血压监测，不仅避免PEP对PWTT的影响，提高了血压测量精度，达到穿戴式医疗设备的要求，其测量历史数据也可以为就诊提供重要参考，而且在血压监测时提供了多种方式，操作方便，无需校准，佩戴舒适。
Description
技术领域
本发明涉及信号检测以及医疗设备电子技术领域，具体涉及一种融合心电心音双模式的无袖带腕表式血压测量装置。
背景技术
血压是人体生理健康重要的指标之一，在心血管疾病的防治中，高血压的防治是重中之重。因为现代生活节奏快，年轻人压力大，不爱运动、对健康关注度低，高血压在近些年来，逐渐呈现年轻化趋势。与患者数量庞大形成反差的，是高血压的低知晓率。所以提高高血压的知晓率并且严格控制血压，对提高生存质量、延长寿命都具有非常重要的意义。
通过血压测量对于了解自身健康状况有着极大的帮助，也对提高血压的知晓率有着重要作用。随着血压测量方法的不断创新，血压测量设备也在不断地改进，从而对于血压测量的精度也有了极大的提高。而通过传统袖带式血压测量，操作较为麻烦，舒适感较低，并且容易产生“白大衣”现象，从而造成测量不准确。为了满足血压长时动态监测的需求，在追求测量精度的同时，降低血压测量设备的体积，提高使用者的舒适感，是目前急需解决的问题。
在目前血压测量方式，主要有听诊法、示波法、张力测定法、容积补偿法以及脉搏波测量法。
中国专利CN 213850678 U提出了一种新型带血压测量的心血管功能检测设备，通过对手环上的气囊进行充气，进而进行血压测量，在测量同时能够通过设备上的无线波随时收听广播，进而为使用者舒缓压力，使测量得到的血压值更加标准。但是手环上的气囊在测量血压时进行充气，会造成使用者身体上的不适，这种不适是不能通过收听广播来解决的。
中国专利CN 112568884 A提出了一种血压测量方法及电子设备，通过获取设备强大的压力值，来解决由于佩戴松紧程度的不同导致的血压测量精度低的问题。由于仍然采用气囊充气来测量的方法，不可避免的造成使用者身体上的不适。
中国专利CN 107049289 A提出了一种基于桡动脉波的无袖带血压测量计和测量方法，同步采集同一桡动脉不同位置的两路脉搏波信号，对信号进行滤波去噪处理之后，通过脉搏波传导速度与血压之间的回归模型，预测手臂血压值。这种设备虽然能够消除传统血压计袖带给人体带来的不适感，但是由于信号采集方式相对麻烦，需要在腕部和手臂同时采集，对使用者来说并没有减少采集步骤。
中国专利CN 106659404 B提出了一种连续血压测量方法、装置和设备，同步采集心电信号以及腕部的脉搏波信号，通过心电信号的R波峰值与脉搏波上升点的时间差作为脉搏传递时间（PTT）进行血压的计算，最后通过特征方程来估测人体的血压。但是实际的心电信号的R波峰值点并不能作为脉搏传递时间的近点端，从R波信号峰值点到脉搏波上升点的时间差被称为脉搏波到达时间(PAT)，而以此专利中所认为的PTT来估测人体血压是不可靠的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种融合心电心音双模式的无袖带腕表式血压测量装置，包括信号检测模块以及血压评估模块。所述信号检测模块，主要分为同时采集腕部心电信号和腕部脉搏信号以及同时采集胸口心音信号和腕部脉搏信号两种模式。所述血压评估模块，主要通过对信号检测模块同时采集到的信号进行特征提取，得到相应的近点端和远点端特征，从而计算出脉搏波传递时间（PWTT）以及心率（HR），最后结合PWTT、HR与BP的回归模型，来估测出血压的值。在第一种模式下，通过同时采集到的心电信号和脉搏信号来计算脉搏到达时间（PAT），利用心电信号的RR间期估测射血前期时间（PEP），从而得到较为准确的PWTT1，并通过脉搏信号记录心率值（HR1）。在第二种模式下，通过同时采集到的心音信号和脉搏信号，将第一心音峰值点近似为射血前期结束的时间点，作为PWTT2的近点端，来得到近似的PWTT2，并通过脉搏信号记录心率值（HR2）。最后通过回归模型结合PWTT1、PWTT2以及HR1、HR2来计算BP值，进而评估计算出的BP所属血压类型。通过双模式来进行血压监测，不仅避免PEP对PWTT的影响，提高了血压测量精度，达到穿戴式医疗设备的要求，而且在血压监测时提供了多种方式，操作方便，佩戴舒适。融合心电心音双模式的无袖带腕表式血压测量装置，既能够作为便携式、穿戴式医疗设备，又适合实时居家测量，其测量历史数据也可为就诊提供重要参考，适用于不同用户的需求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种融合心电心音双模式的无袖带腕表式血压测量装置，其特征在于，包括：
信号检测模块，所述信号检测模块包括信号采集模块、信号处理模块、信号显示模块、无线通信模块。其中，所述信号采集模块主要用于采集使用者的生理信号；所述信号处理模块主要用于对所采集的生理信号进行滤波放大、AD转换等处理；所述信号显示模块主要用于将所采集到的信号在设备中显示出来；所述无线通信模块主要用于将所采集到的信号通过无线模块传输至应用端。
血压评估模块，所述血压评估模块包括信号分析模块以及血压诊断模块。其中，所述信号分析模块，主要用于对所采集到的生理信号进行特征提取、计算。所述血压诊断模块，主要用于评估所计算出的血压类型。
作为本发明的进一步改进，所述信号采集模块，包括心电信号采集模块、脉搏信号采集模块、心音信号采集模块。
作为本发明的进一步改进，所述信号处理模块用于对所采集到的信号进行处理，主要包括滤波电路、信号放大电路、AD转换电路。
作为本发明的进一步改进，所述信号分析模块，包括信号特征选取模块、信号特征计算模块和血压计算模块。
作为本发明的进一步改进，所述信号检测模块用于采集使用者的生理信号，分为两种模式：
（1）在模式一下，通过心电信号采集模块和脉搏信号采集模块，同步采集心电信号和脉搏信号，并在手表上显示。其中用于采集心电信号电极分别位于手表下方和上方，采集左手腕和右手指的心电信号；用于采集脉搏信号的传感器位于手表下方，采集腕部的脉搏信号。
（2）在模式二下，通过心音信号采集模块和脉搏信号采集模块，同步采集心音信号和脉搏信号，并在手表上显示。其中用于采集心音信号的麦克风传感器集成在手表中，使用时将手表的麦克风靠近胸口，采集胸口的心音信号；用于采集脉搏信号的传感器位于手表下方，采集腕部的脉搏信号。
作为本发明的进一步改进，所述信号处理模块用于对所采集到的信号进行处理，主要包括滤波电路、信号放大电路、AD转换电路。
作为本发明的进一步改进，所述生理信号特征选取模块用于对所采集到的生理信号进行特征选取，分为两种模式，及模式1和模式2，分别对应模式一和模式二：
（1）在模式1下，通过所采集到的心电信号，提取其中的R波峰值点以及RR间隔作为心电信号特征；通过所采集到的脉搏信号，提取其中的峰值点以及峰值点间隔时间作为脉搏信号特征。
（2）在模式2下，通过所采集到的心音信号，提取其中的第一心音峰值点作为心音信号特征；通过所采集到的脉搏信号，提取其中的峰值点以及峰值点间隔时间作为脉搏信号特征。
作为本发明的进一步改进，所述信号特征计算模块通过选取出的特征来计算PWTT，分为两种模式，及模式①和模式②，分别对应模式1和模式2：
（1）在模式①下，通过所获得的心电信号中的RR间隔来估测射血前期（PEP）所需的时间，通过所获得的心电信号中的R波峰值点以及脉搏波信号的峰值点分别作为计算脉搏到达时间（PAT）的近点端和远点端，来计算PAT。最后通过公式PWTT1=PAT-PEP，来计算脉搏传递时间（PWTT1）值。同时通过所获得的脉搏信号峰值点间隔来计算心率（HR1）值。
（2）在模式②下，通过所获得的心音信号中的第一心音峰值点以及脉搏信号中的峰值点作为计算脉搏传递时间（PWTT2）的近点端和远点端，来计算出脉搏传递时间（PWTT2）的值。同时通过所获得的脉搏信号峰值点间隔来计算心率（HR2）值。
作为本发明的进一步改进，通过在模式一与模式二分别计算得到的PWTT1、PWTT2、HR1、HR2，结合BP与PWTT1、PWTT2、HR1、HR2的回归模型，从而计算出BP值，达到穿戴式医疗设备的要求。
作为本发明的进一步改进，所述无线通信模块主要用于将所采集到的信号，分析出的结果，通过蓝牙发送给手机或者PC端，供使用者或者医生查看。
作为本发明的进一步改进，所述血压显示模块主要用于将血压值以及血压评估结果在设备上显示出来，便于使用者查看。
作为本发明的进一步改进，所述信号显示模块主要用于将所采集到的生理信号在设备上显示出来，便于在采集的时候确保采集到了正确的信号。
作为本发明的进一步改进，所述血压诊断模块，主要用于判断设备所得到的血压值所属类型，进而判断使用者的健康状况。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果：
1.采用手表形式来检测血压，相对于袖带式血压检测方式，能够提高检测过程的舒适感，方便携带，不受使用场所限制，能够随时、实时测量血压，而且操作方式简单，避免了由于“白大衣”现象的产生而造成血压测量精度降低。
2.采集心电信号和脉搏信号，利用其脉搏传递时间（PAT）和射血前期（PEP）来计算脉搏传递时间（PWTT1），进而估计血压值，能够提高仅仅通过PAT来近似代替PWTT血压测量的精度。
3.采集心音信号和脉搏信号，利用心音信号中第一心音的峰值近似为射血前期结束的时间点，将其作为脉搏传递时间（PWTT2）计算的近点端，用计算所得的脉搏传递时间（PWTT2）来估计血压值，同样能够提高血压测量的精度。
4.通过心电脉搏和心音脉搏两种模式来测量PWTT和HR，融合两种模式所得到的PWTT以及HR，进而计算血压值，会使测量结果更加具有可信度，可为使用者就诊提供更加准确的参考。
5.利用PWTT与BP的非线性关系结合HR构成回归模型来估计BP值，和标准BP值的相关系数较PWTT与BP的线性关系更高。
附图说明
图1为本发明的原理框架图。
图2为本发明中手表的佩戴位置及其结构示意图。
图3为本发明模式一下手表的使用位置以及对应的特征计算方式图。
图4为本发明模式二下手表的使用位置以及对应的特征计算方式图。
图5为本发明模式一下特征计算流程图。
图6为本发明模式二下特征计算流程图。
图7为本发明的总流程图。
附图标记列表：
1.信号检测模块、101信号采集模块、102信号处理模块、103信号显示模块、104无线通信模块、110心电信号检测模块、111心电电极、120脉搏信号检测模块、121PPG传感器、130心音检测模块、131麦克风传感器；
2.血压评估模块、201信号分析模块、202血压诊断模块、210信号特征选取模块、220脉搏波传递时间PWTT计算模块、230血压计算模块、211RR间隔、212R波峰值点、213PPG信号峰值点、214PPG信号峰值点间隔时间、215第一心音的峰值点、221射血前期PEP、222脉搏波到达时间PAT、223心率HR、231血压计算回归模型。
具体实施方式
以下将结合附图和实施实例，对本发明进行较为详细的说明。
首先，本发明的实施实例的一种融合心电心音双模式的无袖带腕表式血压测量装置能够通过脉搏传递时间来测量使用者的血压装置，如图1所示，包括信号检测模块1以及血压评估模块2。
所述信号检测模块1包括信号采集模块101、信号处理模块102、信号显示模块103、无线通信模块104。
所述信号采集模块101包括心电信号检测模块110，脉搏信号检测模块120，心音信号检测模块130。
所述血压评估模块2包括信号分析模块201以及血压诊断模块202。
所述信号分析模块201包括信号特征选取模块210，信号特征计算模块220，血压计算模块230。
手表佩戴位置以及传感器所处位置如图2所示。在模式一下，手表使用图示及特征计算方式如图3所示。在模式二下，手表使用图示以及特征计算方式如图4所示。
如图5所示，在模式一下，通过110和120同步采集心电信号和脉搏信号，并在手表通过103显示。用于采集心电信号电极111分别位于手表下方和上方，采集左手腕和右手指的心电信号；用于采集脉搏信号的PPG传感器121位于手表下方，采集腕部的脉搏信号。所采集到的信号经210进行特征提取，提取心电信号中的R波峰值点212以及RR间隔211作为心电信号特征，提取脉搏信号中的峰值点213作为脉搏信号特征。通过212来估测射血前期（PEP）所需的时间221，通过211以及213分别作为计算脉搏到达时间（PAT）的近点端和远点端，来计算脉搏到达时间（PAT）222；通过220，来计算脉搏传递时间（PWTT1）值。同时通过所获得的脉搏信号峰值点间隔214来计算心率（HR1）值223。
如图6所示，在模式二下，通过120和130同步采集心音信号和脉搏信号，并在手表通过103显示。用于采集心音信号的麦克风传感器131集成在手表中，使用时将手表的麦克风靠近胸口，采集胸口的心音信号；用于采集脉搏信号的传感器121位于手表下方，采集腕部的脉搏信号。所采集到的信号经210进行特征提取，提取心音信号中的第一心音峰值点215作为心音信号特征；提取脉搏信号中的峰值点213作为脉搏信号特征。通过215和213作为计算脉搏传递时间（PWTT2）的近点端和远点端；通过220，来计算出脉搏传递时间（PWTT2）的值。同时通过所获得的脉搏信号峰值点间隔214来计算心率（HR2）值223。
最后，通过在模式一与模式二分别计算得到的PWTT1、PWTT2、HR1、HR2，结合BP与PWTT1、PWTT2、HR1、HR2的回归模型231，从而计算出BP值，整个系统总流程图，如图7所示。
Claims (4)
1.一种融合心电心音双模式的无袖带腕表式血压测量装置，其特征在于，配合安装在手表上，包括信号检测模块和血压评估模块；所述信号检测模块具有同时采集腕部心电信号和腕部脉搏信号以及同时采集胸口心音信号和腕部脉搏信号的两种模式；所述血压评估模块通过对信号检测模块同时采集到的信号进行特征提取，得到的相应的近点端和远点端特征，然后计算出脉搏波传递时间PWTT以及心率HR，最后结合PWTT、HR与BP的回归模型，来估测出血压的值；所述信号检测模块包括信号采集模块、信号处理模块、信号显示模块、无线通信模块；所述血压评估模块包括信号分析模块以及血压诊断模块；所述信号采集模块，包括心电信号采集模块、脉搏信号采集模块、心音信号采集模块；所述信号分析模块，包括信号特征选取模块、信号特征计算模块和血压计算模块；
所述信号采集模块用于采集使用者的生理信号，分为两种模式，即模式一和模式二：
在模式一下，通过心电信号采集模块和脉搏信号采集模块，同步采集心电信号和脉搏信号，并在手表上显示；其中用于采集心电信号电极分别位于手表下方和上方，采集左手腕和右手指的心电信号；用于采集脉搏信号的传感器位于手表下方，采集腕部的脉搏信号；
在模式二下，通过心音信号采集模块和脉搏信号采集模块，同步采集心音信号和脉搏信号，并在手表上显示；其中用于采集心音信号的麦克风传感器集成在手表中，使用时将手表的麦克风靠近胸口，采集胸口的心音信号；用于采集脉搏信号的传感器位于手表下方，采集腕部的脉搏信号；
所述信号特征选取模块用于对所采集到的生理信号进行特征选取，分为两种模式，即模式1和模式2，分别对应模式一和模式二：
在模式1下，通过模式一所采集到的心电信号，提取其中的R波峰值点以及RR间隔作为心电信号特征；通过模式一所采集到的脉搏信号，提取其中的峰值点以及峰值点间隔时间作为脉搏信号特征；
在模式2下，通过模式二所采集到的心音信号，提取其中的第一心音峰值点作为心音信号特征；通过模式二所采集到的脉搏信号，提取其中的峰值点以及其峰值点间隔时间作为脉搏信号特征；
所述信号特征计算模块通过选取出的特征来计算PWTT以及HR，分为两种模式，即模式①和模式②，分别对应模式1和模式2：
在模式①下，通过模式1所获得的心电信号中的RR间隔来估测射血前期PEP所需的时间，通过模式1所获得的心电信号中的R波峰值点以及脉搏波信号的峰值点分别作为计算脉搏到达时间PAT的近点端和远点端，来计算PAT；最后通过公式PWTT1＝PAT-PEP，来计算脉搏传递时间PWTT1值；同时通过模式1所获得的脉搏信号峰值点间隔来计算心率HR1值；
在模式②下，通过模式2所获得的心音信号中的第一心音峰值点以及脉搏信号中的峰值点作为计算脉搏传递时间PWTT2的近点端和远点端，来计算出脉搏传递时间PWTT2的值；同时通过模式2所获得的脉搏信号峰值点间隔来计算心率HR2值；
通过在模式①与模式②分别计算得到的PWTT1、PWTT2、HR1、HR2，结合BP与PWTT1、PWTT2、HR1、HR2的回归模型，从而计算出BP值。
2.如权利要求1所述的一种融合心电心音双模式的无袖带腕表式血压测量装置，其特征在于：
所述信号采集模块用于采集使用者的生理信号；所述信号处理模块用于对所采集的生理信号进行滤波放大、AD转换处理；所述信号显示模块用于将所采集到的信号在设备中显示出来；所述无线通信模块用于将所采集到的信号通过无线模块传输至应用端；
所述信号分析模块用于对所采集到的生理信号进行特征提取、计算；所述血压诊断模块用于评估所计算出的血压类型。
3.如权利要求1所述的一种融合心电心音双模式的无袖带腕表式血压测量装置，其特征在于：
所述信号处理模块用于对所采集到的生理信号进行处理，包括滤波电路、信号放大电路、AD转换电路。
4.如权利要求1所述的一种融合心电心音双模式的无袖带腕表式血压测量装置，其特征在于：所述无线通信模块用于将所采集到的信号，分析出的结果，通过蓝牙发送给手机或者PC端，供使用者或者医生查看；所述血压显示模块用于将血压值以及血压评估结果在设备上显示出来，便于使用者查看；所述信号显示模块用于将所采集到的生理信号在设备上显示出来，便于在采集的时候确保采集到了正确的信号；所述血压诊断模块用于判断设备所得到的血压值所属类型，进而判断使用者的健康状况。
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