CN114027811A - 基于BImp脉搏波的血压计算模型及血压测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于BImp脉搏波的血压计算模型及血压测量系统，包括式I所示计算公式，通过使用BImp(生物电阻抗)检测人体内血管容积的变化进而获取脉搏波数据，并使用该脉搏波数据计算得到PAT计算血压值，能够获得较现有技术更高的准确度，同时测量所得可以针对人体主动脉脉搏波进行计算而非周围动脉，且系统所需佩戴设备可以更加小巧不易察觉，保护用户隐私。
Description
技术领域
本发明涉及生理数据采集装置技术领域，尤其涉及一种基于BImp脉搏波的血压计算模型及血压测量系统。
背景技术
血压是诊断心血管疾病或其他疾病对心血管造成的影响的一项重要生理指标。目前常用的血压测量方法有两种，一种是直接测量法，另一种是间接测量法。直接测量法被公认为是血压测量的金标准，但因其是一种有创测量法，会给被测量者造成不适，使被测量者无法行动，甚至有感染的风险，所以仅适用于危重患者或大手术等极端情况。间接测量法即无创测量法，目前常用的实施方法是使用充气袖带在上臂或手指上测量。袖带测量方法会在充气过程中对被测量者造成不适，一部分人因为无法承受这种不适而无法使用袖带法。在需要长时间持续血压监测的情况下，袖带法会给使用袖带的部位造成极大的痛苦甚至伤害，同时测量准确度也会因为血管长时间挤压变形而降低，因此也并不适用。
脉搏波的波形特征包含了心血管系统相关的许多重要生理信息，因此脉搏波法是一种被广泛研究的不使用袖带的无创血压测量方法。脉搏到达时间(PAT)指心脏搏动产生的脉搏波从心脏传导至被测量血管所花费的时间，可以使用心电图(ECG)与脉搏波结合计算获得。PAT被认为与血压之间存在密切的相关性，因此使用PAT计算血压值的方法是脉搏波法的一种常见实施方式。
光电容积脉搏波描记法(PPG)测量脉搏波是目前常用的一种测量脉搏波的方法。PPG的工作原理是利用一定波长的光束照射到皮肤表面，然后使用光电接收器接收通过身体组织投射或反射的光。因为各种人体组织中只有血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，所以PPG接收到的光强度通过处理可以得到脉搏波信号。但是，采用PPG方法测量脉搏波计算血压存在其局限性：准确度相比金标准方法较低；只能够测量到周围动脉的脉搏波，无法测量到主动脉的脉搏波，周围动脉的脉搏波会受到血管旁的平滑肌及其他组织的干扰，同时还会受到血管本身的震动的影响，导致波形质量降低，并因此需要每隔几分钟重新与血压真值做校准；需要在体表(如胸口，脖子，耳朵，手臂等位置)连接至少两个探测装置，探测装置显眼且不容易使用衣服遮挡，这使得被测量者的隐私受到侵害。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种基于BImp脉搏波的血压计算模型及血压测量系统，通过使用BImp(生物电阻抗)检测人体内血管容积的变化进而获取脉搏波数据，并使用该脉搏波数据计算得到PAT计算血压值，能够获得较现有技术更高的准确度，同时测量所得可以针对人体主动脉脉搏波进行计算而非周围动脉，且系统所需佩戴设备可以更加小巧不易察觉，保护用户隐私。
为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：
一种基于BImp脉搏波的血压计算模型，其特征在于，包括式I所示计算公式：
其中，a、b、c、d均为模型计算参数，PAT1和PAT2为脉搏波到达时间，HR为心率，BP为血压值；
所述PAT1为ECG信号任一R波位置至对应该R波位置的BImp脉搏波一阶导数信号段落峰值的时间长度；
所述PAT2为ECG信号任一R波位置至对应该R波位置的BImp脉搏波信号段落峰值的时间长度。
进一步地，所述的血压计算模型通过如下方法生成：
同步采集BImp脉搏波信号和ECG信号；
在采集BImp脉搏波信号和ECG信号的过程中同时采集血压值BP；
处理ECG信号获得心率HR；
检测ECG信号中的R波位置；
通过BImp脉搏波信号的一阶导数和R波位置提取脉搏波到达时间PAT1；
通过BImp脉搏波信号和R波位置提取脉搏波到达时间PAT2；
将血压值BP、心率HR、脉搏波到达时间PAT1和脉搏波到达时间PAT2带入式I计算得到模型计算参数a、b、c、d。
进一步地，所述采集血压值BP包括使用上臂袖带式血压计测量获得血压值BP。
进一步地，所述处理ECG信号获得心率HR包括对ECG信号进行快速傅里叶变换，并以快速傅里叶变换中的第一谐波作为心率HR。
进一步地，所述检测ECG信号中的R波位置包括：
计算ECG信号的一阶导数；
使用ECG信号的一阶导数确定ECG信号中所有的极大值，并判断排除无效的极大值，所述无效的极大值包括两侧电压与极大值之间差值小于0.5V的极大值和相邻极大值之间距离小于心率HR倒数的极大值；
计算所有有效的极大值的幅度平均值和ECG信号的整体平均值；
删除ECG信号中大于幅度平均值与整体平均值之和的部分以及小于整体平均值与幅度平均值之差的部分获得去伪ECG信号；
使用去伪ECG信号中的极大值作为R波位置。
进一步地，所述通过BImp脉搏波信号的一阶导数和R波位置提取脉搏波到达时间PAT1包括以任一R波位置为起点，向后确定该R波位置对应的BImp脉搏波信号一阶导数信号段落，计算该R波位置至BImp脉搏波信号一阶导数信号段落峰值的时间长度即为脉搏波到达时间PAT1；
所述通过BImp脉搏波信号和R波位置提取脉搏波到达时间PAT2包括以任一R波位置为起点，向后确定该R波位置对应的BImp脉搏波信号段落，计算该R波位置至BImp脉搏波信号段落峰值的时间长度即为脉搏波到达时间PAT2。
进一步地，所述模型计算参数a、b、c、d使用最小二乘法计算获得。
进一步地，所述ECG信号与所述BImp脉搏波信号使用切比雪夫2型带通滤波器进行预处理；对ECG信号预处理使用的低频截止频率为心率HR、高频截止频率为30Hz；对BImp脉搏波信号预处理使用的低频截止频率为心率HR、高频截止频率为2.5倍的心率HR。
本发明还涉及一种基于BImp脉搏波的血压测量系统，其特征在于，包括：
ECG测量模块，用于测量获得ECG信号；
BImp测量模块，用于测量获得BImp脉搏波信号；
心率计算模块，用于通过ECG信号计算获得心率HR；
R波位置检测模块，用于从ECG信号检测R波位置；
脉搏波到达时间计算模块，用于通过R波位置和BImp脉搏波信号计算脉搏波到达时间PAT1、PAT2；
血压值计算模块，用于将心率HR、脉搏波到达时间PAT1、PAT2带入血压计算模型获得血压值。
进一步地，所述系统还包括：
信号预处理模块，用于对ECG信号和BImp脉搏波信号进行预处理。
本发明的有益效果为：
采用本发明所述基于BImp脉搏波的血压计算模型及血压测量系统，相比现有技术，能够测量主动脉(颈动脉)的脉搏波，主动脉脉搏波不受血管周围组织以及血管震动的影响，且不需要频繁校准，因此能够提供更佳的用户体验；在对应相同环境条件下，使用BImp法计算得到的血压值相比PPG法等现有技术计算得到的血压值的准确度更高；BImp脉搏波监测设备在使用期间可以使用衣服掩盖，从而更好地保护使用者的隐私。
附图说明
图1为本发明基于BImp脉搏波的血压计算模型生成方法流程示意图。
图2为本发明基于BImp脉搏波的血压测量系统结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。
如图1所示为本发明基于BImp脉搏波的血压计算模型生成方法流程示意图，包括以下步骤：
同步采集BImp脉搏波信号和ECG信号，特别是在被测量者保持固定姿势的前提下，同时使用BImp测量模块和ECG测量模块采集被测量者的同步的BImp脉搏波信号和ECG信号，测量时长优选为3分钟；
在采集BImp脉搏波信号和ECG信号的过程中同时采集血压值BP，优选的在BImp脉搏波信号和ECG信号测量开始2分钟后，使用上臂袖带式血压计测量，并在第3分钟后同步获得血压值BP；
处理ECG信号获得心率HR，优选的采用快速傅里叶变换对ECG信号进行处理，并以快速傅里叶变换中的第一谐波作为心率HR；
使用切比雪夫2型带通滤波器对ECG信号与BImp脉搏波信号进行预处理；对ECG信号预处理使用的低频截止频率为心率HR、高频截止频率为30Hz；对BImp脉搏波信号预处理使用的低频截止频率为心率HR、高频截止频率为2.5倍的心率HR；
检测ECG信号中的R波位置，特别是具体包括以下分步骤：
1)计算ECG信号的一阶导数；
2)使用ECG信号的一阶导数找到ECG信号里面的每一个极大值；若一个极大值两侧的电压值与极大值的差值小于0.5V，则认为该极大值无效；若一个极大值与相邻的极大值的距离小于1/HR，则认为该极大值无效；
3)计算上一步骤中找到的所有有效极大值的幅度的平均值Aave；
4)计算ECG信号的平均值Vave；遍历ECG信号，如果信号值大于Vave+Aave或者小于Vave-Aave，则认为这一部分信号是被测量者活动造成的伪迹，需要删去；
5)使用4)处理结束后的ECG信号重新寻找极大值作为最终的R波位置，极大值的判断标准为：信号幅度与其两侧的信号值的差值不小于0.5*Aave，且与相邻极大值的距离不小于0.5/HR；
通过BImp脉搏波信号的一阶导数和R波位置提取脉搏波到达时间PAT1，具体以任一R波位置为起点，向后确定该R波位置对应的BImp脉搏波信号一阶导数信号段落，计算该R波位置至BImp脉搏波信号一阶导数信号段落峰值的时间长度即为脉搏波到达时间PAT1；
通过BImp脉搏波信号和R波位置提取脉搏波到达时间PAT2，具体以任一R波位置为起点，向后确定该R波位置对应的BImp脉搏波信号段落，计算该R波位置至BImp脉搏波信号段落峰值的时间长度即为脉搏波到达时间PAT2；
将血压值BP、心率HR、脉搏波到达时间PAT1和脉搏波到达时间PAT2带入式I，以最小二乘法计算得到模型计算参数a、b、c、d。
其中，a、b、c、d均为模型计算参数，HR为心率，BP为血压值，PAT1为ECG信号任一R波位置至对应该R波位置的BImp脉搏波一阶导数信号段落峰值的时间长度，PAT2为ECG信号任一R波位置至对应该R波位置的BImp脉搏波信号段落峰值的时间长度。
本发明还涉及一种使用如上方法生成的血压计算模型进行血压测量的基于BImp脉搏波的血压测量系统，结构如图2所示，包括：
ECG测量模块，用于测量获得ECG信号；
BImp测量模块，用于测量获得BImp脉搏波信号；
信号预处理模块，用于对ECG信号和BImp脉搏波信号进行预处理；
心率计算模块，用于通过ECG信号计算获得心率HR；
R波位置检测模块，用于从ECG信号检测R波位置；
脉搏波到达时间计算模块，用于通过R波位置和BImp脉搏波信号计算脉搏波到达时间PAT1、PAT2；
血压值计算模块，用于将心率HR、脉搏波到达时间PAT1、PAT2带入血压计算模型获得血压值。
使用上述系统时，同步采集被测量者的BImp脉搏波信号和ECG信号并计算获得心率HR、脉搏波到达时间PAT1和脉搏波到达时间PAT2，具体计算过程参考上述模型生成方法，再将获得的心率HR、脉搏波到达时间PAT1和脉搏波到达时间PAT2带入预设了计算参数a、b、c、d的计算模型中，获得血压值BP。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于BImp脉搏波的血压计算模型，其特征在于，包括式I所示计算公式：
其中，a、b、c、d均为模型计算参数，PAT1和PAT2为脉搏波到达时间，HR为心率，BP为血压值；
所述PAT1为ECG信号任一R波位置至对应该R波位置的BImp脉搏波一阶导数信号段落峰值的时间长度；
所述PAT2为ECG信号任一R波位置至对应该R波位置的BImp脉搏波信号段落峰值的时间长度。
2.如权利要求1所述的血压计算模型，其特征在于，通过如下方法生成：
同步采集BImp脉搏波信号和ECG信号；
在采集BImp脉搏波信号和ECG信号的过程中同时采集血压值BP；
处理ECG信号获得心率HR；
检测ECG信号中的R波位置；
通过BImp脉搏波信号的一阶导数和R波位置提取脉搏波到达时间PAT1；
通过BImp脉搏波信号和R波位置提取脉搏波到达时间PAT2；
将血压值BP、心率HR、脉搏波到达时间PAT1和脉搏波到达时间PAT2带入式I计算得到模型计算参数a、b、c、d。
3.如权利要求2所述的血压计算模型，其特征在于，所述采集血压值BP包括使用上臂袖带式血压计测量获得血压值BP。
4.如权利要求2所述的血压计算模型，其特征在于，所述处理ECG信号获得心率HR包括对ECG信号进行快速傅里叶变换，并以快速傅里叶变换中的第一谐波作为心率HR。
5.如权利要求2所述的血压计算模型，其特征在于，所述检测ECG信号中的R波位置包括：
计算ECG信号的一阶导数；
使用ECG信号的一阶导数确定ECG信号中所有的极大值，并判断排除无效的极大值，所述无效的极大值包括两侧电压与极大值之间差值小于0.5V的极大值和相邻极大值之间距离小于心率HR倒数的极大值；
计算所有有效的极大值的幅度平均值和ECG信号的整体平均值；
删除ECG信号中大于幅度平均值与整体平均值之和的部分以及小于整体平均值与幅度平均值之差的部分获得去伪ECG信号；
使用去伪ECG信号中的极大值作为R波位置。
6.如权利要求2所述的血压计算模型，其特征在于，所述通过BImp脉搏波信号的一阶导数和R波位置提取脉搏波到达时间PAT1包括以任一R波位置为起点，向后确定该R波位置对应的BImp脉搏波信号一阶导数信号段落，计算该R波位置至BImp脉搏波信号一阶导数信号段落峰值的时间长度即为脉搏波到达时间PAT1；
所述通过BImp脉搏波信号和R波位置提取脉搏波到达时间PAT2包括以任一R波位置为起点，向后确定该R波位置对应的BImp脉搏波信号段落，计算该R波位置至BImp脉搏波信号段落峰值的时间长度即为脉搏波到达时间PAT2。
7.如权利要求2所述的血压计算模型，其特征在于，所述模型计算参数a、b、c、d使用最小二乘法计算获得。
8.如权利要求2至7任一项所述的血压计算模型，其特征在于，所述ECG信号与所述BImp脉搏波信号使用切比雪夫2型带通滤波器进行预处理；对ECG信号预处理使用的低频截止频率为心率HR、高频截止频率为30Hz；对BImp脉搏波信号预处理使用的低频截止频率为心率HR、高频截止频率为2.5倍的心率HR。
9.一种基于BImp脉搏波的血压测量系统，其特征在于，包括：
ECG测量模块，用于测量获得ECG信号；
BImp测量模块，用于测量获得BImp脉搏波信号；
心率计算模块，用于通过ECG信号计算获得心率HR；
R波位置检测模块，用于从ECG信号检测R波位置；
脉搏波到达时间计算模块，用于通过R波位置和BImp脉搏波信号计算脉搏波到达时间PAT1、PAT2；
血压值计算模块，用于将心率HR、脉搏波到达时间PAT1、PAT2带入血压计算模型获得血压值。
10.如权利要求9所述的血压测量系统，其特征在于，所述系统还包括：
信号预处理模块，用于对ECG信号和BImp脉搏波信号进行预处理。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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