CN1872002A

CN1872002A - 一种脉动信息获取系统

Info

Publication number: CN1872002A
Application number: CN 200610083339
Authority: CN
Inventors: 牛欣; 徐元景; 沙洪; 罗致诚; 司银楚; 王滨; 杨杰; 牛淑冬; 朱庆文
Original assignee: 牛欣
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2006-12-06

Abstract

本发明公开一种脉动信息获取系统。该脉动信息获取系统由压力B超复合传感器探头，数字计算机，眼科B超机，其中压力B超复合传感器探头由1.B型超声波探头，2.套筒，3.弹性膜，4.传导介质，5.引压孔，6.FSG－15型压力传感器，7.密封环组成。本发明可得出三维脉象地形图，从时空上全面把握脉象的动态变化情况，可观察到脉象的“位、形、势、数”综合形态，是较理想的全面分析诊断疾病的客观证据。

Description

一种脉动信息获取系统

技术领域

本发明涉及一种医疗诊断仪器，特别涉及一种压力与B超整合的脉动信息获取系统。

背景技术

中医在长期的临床实践中积累了丰富的经验，已日益受到国内外学者的普遍重视。与西医相比，中医治疗有以下几个特点：强调辨证论治，注重复方的整体调治优势，改善临床症状明显。

但是，长期以来，中医四诊“望、闻、问、切”都没有一个固定的标准作为诊断疾病的参照，给中医的诊断带来了相当的不确定性，影响了中医对人们健康积极作用。因此，充分发掘中医治疗的丰富经验，结合现代医学和中医药治疗最新进展，开发一种使用方便、价格低廉、适合我国国情的诊断仪器，具有十分重要的理论意义与临床实用价值，并将填补这一领域的空白，为众多患者及家庭带来福音，具有广阔的市场前景，必将产生良好的经济效益和社会效益。

发明内容

本发明的一个目的在于公开一种脉动信息获取系统。

本发明脉动信息获取系统包括压力B超复合传感器探头，数字计算机，眼科B超机，其中压力B超复合传感器探头由1.B型超声波探头，2.套筒，3.弹性膜，4.传导介质，5.引压孔，6.FSG-15型压力传感器，7.密封环组成。(见图3)

套筒(2)由金属材料制成，B型超声波探头(1)插入其上端并用密封环(7)封闭；B型超声波探头(1)，通过有透声作用的传导介质(4)发射并接收超声波，显示被测组织的二维断层图像(超声波影像图)；内置的传导介质(4)是填充液，引压孔(5)开于套筒(2)的一侧，弹性膜(3)固定于套筒(2)的一端，将套筒下端密封，弹性膜(3)受力产生形变，使密闭腔内部压力产生变化，通过密闭传导介质(4)经由引压孔(5)传递给压力传感器(6)；压力传感器(6)检测压力信号，将其转换为电信号输出；B超复合传感器探头及眼科B超机均与数字计算机相连。

本发明脉动信息获取系统与计算机连接的还包括Vetspees-Too/W光电容积传感器、同时采集标准II导联心电信号作为时间标记，压力B超复合传感器与Vetspees-Too/W光电容积传感器通过数据传输电缆与放大、滤波系统连接，再通过数据传输电缆与微处理器相连接，继续连接安全隔离装置，连接转换USB传输端口，连接PC机。

其他部分包括放大装置、接口、处理系统，与桡动脉寸口脉位接触的传感器，输出的振动电压信号送由两极运算放大器组成的前置放大器输入端，前置放大器的输出端经接口、模/数转换器、数字计算机和心电脉图仪连接起来。将采集到的其他各项压力数据与B超分析结果数据同步，并合成二维时间变化序列图。实现以心电时相标记法，桡动脉脉搏波的压力脉搏波与超声脉管图象的时间同步性和位置一致性分析；研制成脉图特有的采集、分析系统。本发明可以将数据输出至打印机。

本发明还可以涉及的关键技术包括压力脉图心电信号分析的关键技术、数据图像处理的关键技术和降阶分析。

1、压力脉图心电信号分析的关键技术

(1)复杂化采集——100Hz频率采样：

心电与压力传感器采样频率为100点/秒，即每隔10ms采一个点，在压力脉波的谐波组成中，10次以上的谐波成分已小到可以完全忽略不计，因此，对不超过300次/分的脉率均能满足采样定律：对运动物体呈象时，重复频率即等价于采样频率，应高于信息最大频率的2倍。因此，压力信号采样频率为100Hz，既不丢失信息，也不会因采样太密而产生多余数据。同步采集桡动脉压力脉图和II导心电图，经模/数转换器，将图像转换为数字信号，输入计算机与B超信号同步保存。

(2)简单化分析——微分分析和心电和压力脉图的分割：

微分分析是时域脉图分析的基础分析方法之一。通过对心电和压力脉图数据的微分，可以得到数据对时间的变化率。

脉动是心动的外在表现，按照心动周期对脉图的自动分割，是脉图自动识别的重要而基础性的工作，程序的基本思路为^[7]：由于心电图中R波的导数值比其他部分高得多，因此可以从心电图的微分图中找到合适的阈值来得到初步的R波位置的信息，再在该位置的后续邻域中寻找脉图的最高点即为R波。从各路信号的形成机理可以知道，阻抗图、压力脉图和指容积脉图的起始点肯定均在R波之后的一个邻域中，知道了R波的位置，在其后续的邻域中寻找最大点或最小点即可得到其他三路信号的起始点。

(3)复杂化综合——压力脉图的叠加：

由于在采集过程中的许多外界影响因素和人体自身的生理病理变化，在人体静息状态时，脉图参数仍出现相当大的波动。心电和压力脉图的分割后，进行自动叠加和参数计算，以平滑掉噪声的影响。连续脉图叠加通过本次心动周期中的脉图的起始点和脉图的终止点(也即下一个心动周期的脉图起始点)作一直线，将脉图各点与直线相应点相减后即为基线校准后的图形。将各个校准后的脉图以各自的最高点为中心对位叠加后平均，即得到叠加后的脉图；不连续脉图叠加通过各个时间段的脉图参数进行分别分析后求平均值和标准差来体现。

2、数据图像处理的关键技术

寸口桡动脉的运动状态由B型机械超声探头扫描，得到的图像经数/模、模/数转换，以数字信号方式储存入计算机，原始图像处理系统分为三个流程：图像预处理阶段、特征抽取阶段、识别分析阶段。三个阶段亦是“复杂-简单-复杂”思维的具体体现。

(1)复杂化图像存储——随着心脏的收缩，脉搏波向桡动脉传导，桡动脉进行收缩舒张的径向运动，同时其横截面轴心呈周期性往复运动，以10MHz的B型机械超声仪(12帧/秒)记录，同步的频率存储于计算机(15帧/秒)，以心率75次/分计算，每个心动周期大约有10帧图像用以表征桡动脉周期运动的特征点，在连续稳定的20～30s采样中，可以记录桡动脉运动的完整过程，同步记录心电信号、桡动脉压力信号(100Hz)，大量的二维超声图像反映了体表生物信息的整体过程。

(2)简单化数据处理——将连续动态的超声图像分解成静止的单帧图像，识别每帧原始图像中桡动脉边缘，并数字化处理。将图像中局部亮度变化最显著的特征有选择的增强，而衰减不需要的特征，采用高通滤波，突出桡动脉边缘，抑制图象中非边缘信息，使图象轮廓更加清晰；采用平均或积分的方法去平滑噪声，尽量保持管腔边缘的细节；采用微分的方法锐化图象，增强图象频谱中的高频部分，就相当于从原图象中减去它的低频分量；脉管精确区域分割成若干个具有共同属性、互不相交的像素小区域，从而集合连通，设置多种灰度阈值，将预选的桡动脉区域转换为黑白二值图像；基于形态学对有用的信息进行特征提取，减少长度、亮度、宽度、局部亮度变化最显著区域的数量和形状及位置等等信息量。根据区域的外部特征来进行形式化表达和描述。

(3)复杂化三维构建——单帧数据图像桡动脉边界识别及序列图的帧间关系确定后，即可进行三维重建。首先激活A平面或B平面、C平面，通过平行移动寸口桡动脉的结构，将中心点置于寸口桡动脉区，继而通过旋转X、Y或Z轴，选取最佳观察方向。重建模式选择透明成像最小回声模式、表面成像模式、组合的百分比可调节的混合模式。透明成像最小回声模式仅接收声束方向上最小回声信息，适合于观察血管等无回声的结构；表面成像模式接收声束方向上距离探头最近的回声，适合于观察组织结构的表面信息，具体用于血管的三维重建可用于观察血管的腔壁等信息特征。重建后可通过X、Y、Z轴方向的旋转、调整寸口桡动脉区的大小、调节三维图像的增益和S曲线、加上不同颜色的伪彩以获得适于人眼对组织结构识别的最佳三维图像。

3、降阶分析：

压力B超整合的中医取脉装置提取的体表信号，降阶为各维度的特征要素，进行心电时相标记。压力信号降阶为时间要素、波幅要素和速度要素。B超信号降阶为长度要素、面积要素、比例要素。

(1)脉动压力信号维度(见图4)

1)脉图的时间要素：

脉搏波搏动周期(脉动周期，TAG)：从脉图的上升支起点至下降支终点的时间间隔，表示一个心动周期内脉搏波的波形周期，以ms表示。

主波宽(TW)：测量方法是在B点下方1/3HB处，作一脉波基线AG平行的基线，与脉波的升支和降支相交，此两点间的时间间隔即为主波宽，以ms表示。

主波时间(TAE)：从脉图的上升支起点至下降支E点的时间间隔，以ms表示。

时差(ECG-A)：脉波起点与同步记录的II导心电图的Q波的时间差称为脉搏波传播时间，以ms表示。

2)脉图的波幅要素

静压力(P)：传感器可同时测定所受的静压力和动压力，并显示于屏幕上，根据静压力的大小，模拟中医浮中沉的取脉手法。

主波幅(主波高，HB)：从脉波起点开始向上的第一个波峰即为主波，它一般也是整个脉波的最高点，脉波起点以A表示，脉波终点以G表示，主波顶点以B表示。从B点向脉波基线(脉波起点和终点的连线)做垂线，与基线交于B′点，BB′的幅度即为主波幅。

降中峡高/主波高(HE/HB)：从脉图E点向脉波基线做垂线，与基线交于E′点，EE′的幅度即为降中峡高，降中峡高与主波高的比值。

降中波高/主波高(HFF′/HB)：若脉波下降支有两次小的波起，第二个波起前形成的波峰或只有一个波起形成的波峰称为降中波(重搏波)，此波起峰顶点以F表示，从F点向脉波基线做垂线，与基线交于F′点，FF′的幅度即为重搏波高，降中波高与主波高的比值。

容积脉波的切迹系数(DI)：为HB/HE，DI越小，反映末梢血管扩张程度越大。

3)脉图速度要素

升支最大斜率(MSAB)：代表脉图升支A点到B点的最大斜率。

降支最大斜率(MSBC)：代表脉图降支B点到C点的最大斜率。

(2)脉动B超图像信号维度(见图5)

1)长度要素：单位mm

最大长径(a_max)：血管运动周期中，血管舒张的长径最大值。

最小长径(a_min)：血管运动周期中，血管收缩的长径最小值。

最大短径(b_max)：血管运动周期中，血管舒张的短径最大值。

最小短径(b_min)：血管运动周期中，血管收缩的短径最小值。

皮肤距轴心最大距离(Ho_max)：血管运动周期中，血管横截面的轴心运动至距离皮肤的距离的最大值。

皮肤距轴心最小距离(Ho_min)：血管运动周期中，血管横截面的轴心运动至距离皮肤的距离的最小值。

轴心位移量(Δs)：血管运动中，轴心位置随之变化。与上一时间相对而言，轴心坐标X、Y轴相对变化的矢量距离，即Δs＝(Δx²+Δy²)^1/2

包络线长径(e)：一个血管运动周期中，在所有血管运动横截面作一个外切椭圆，该外切椭圆的长径即包络线的长径。

包络线短径(f)：一个血管运动周期中，在所有血管运动横截面作一个外切椭圆，该外切椭圆的短径即包络线的短径。

包络线长径位移量(Δe)：一个血管运动周期中，在所有血管运动横截面作一个外切椭圆，该外切椭圆的长径与下一个周期的外切椭圆的长径比较的位移量。

包络线短径位移量(Δf)：一个血管运动周期中，在所有血管运动横截面作一个外切椭圆，该外切椭圆的短径与下一个周期的外切椭圆的短径比较的位移量。

2)面积要素：单位mm²

最大面积(A_max)：血管运动周期中，血管舒张至横截面面积最大值。

最小面积(A_min)：血管运动周期中，血管收缩至横截面面积最小值。

3)时间要素：单位ms

血管收缩舒张周期(T)：血管舒缩周期中，达到最大面积与恢复至最小面积之间的时间。脉波传播时间(R-Amax)：从心电图R波到Amax的时间

4)比例要素：

扩张率(Dr)：A_max/R-A_max

ΔA/A_max

A_min/A_max位移角(α)：顺时针为+，逆时针为-，单位°。血管运动中，轴心位置随之变化。与上一时间相对而言，轴心坐标Y、X轴相对变化的比值，即tgα＝ΔY/ΔX。

本发明脉动信息获取系统进行采集、分析能够对脉波随机采样。用最小平方曲线拟合平滑法来光滑脉波曲线，脉波的起点和终点可由计算机程序确定，主波，潮波前谷，潮波，降中波前谷，降中波以人机会话的方式确定，并比较了人工和计算机分析的脉图参数差异很小。

本发明能自动监测和同步输出桡动脉压力脉波，桡动脉阻抗、指容积、II导心电图四导生理信号，自动显示取脉压力值，软件还能以II导心电图的R波为标志对四路信号自动分割，自动识别压力脉波特征(起点、终点、主波、重搏波、降中峡)并计算出主波幅、降中波幅、降中峡幅、降中峡幅/主波幅、降中波幅/主波幅、脉波传播时间等脉图参数，还能对脉图进行频谱分析、分形和维数分析并绘出图形。由传感器取出的各种脉象信号，转换为数字信号，经电分析计算，经显示屏上将单路或多路脉象信号图形及数据随机显示，亦可由打印机、计录仪拷贝记录出来；可采集显示一段时间内的脉搏波形，能够作为分辨脉象状态的原始观基础；可得到脉幅-脉位(取脉压力)关系图；可获得脉道形态图；可得到组合与特异脉象细化分析图；可得出三维脉象地形图，是从时空上全面把握脉象的动态变化情况，可观察到脉象的“位、形、势、数”综合形态，是较理想的全面分析诊断疾病的有力客观证据。

附图说明：

图1：脉动信息获取系统原理方框图

图2：结构图

图3：压力B超复合传感器探头

图4：动脉压力脉搏图与心电图的模式图

图5：动脉B超运动模拟图

图6：人迎处脉动搏动原始图

图7：寸口处脉动搏动原始图

图8：趺阳处脉动搏动原始图

图9：芤脉基本图像一

图10：芤脉基本图像二

图11：浮脉基本图像

图12：沉脉基本图像

图13：细脉基本图像

图14：洪脉基本图像

图15：滑脉基本图像

图16：涩脉基本图像

图17：实脉基本图像

图18：虚脉基本图像

图19：弦脉基本图像

图20：心电标记的细脉压力-血管运动特征重建图

图21：心电标记的洪脉压力-血管运动特征重建图

图22：心电标记的虚脉压力-血管运动特征重建图

图23：心电标记的实脉压力-血管运动特征重建图

图24心电标记的滑脉压力-血管运动特征重建图

图25：心电标记的涩脉压力-血管运动特征重建图

图26：心电标记的弦脉压力-血管运动特征重建图

实验例：最适取脉压力下，平脉“位、数、形、势”四种属性

1.人迎、寸口、趺阳处血管运动原始图形(见图6-图8)：

2.Valsalva实验桡动脉原始图形(见图9-图10)：

3.基本脉图(见图11-图19)：

4.常见单脉直观动态运动图像：

(1)脉细：轴心位置距离皮肤之间的距离适中或略深，血管运动规整均匀，脉率正常或较慢，血管横截面积明显减小，面积增大时，径向扩张略大，而最小值时，椭圆程度小，轴心位移，垂直方向上更为显著；举按寻三部取脉时，血管收缩舒张的变化多数不明显，沉取时有变化明显的趋势(见图20)。

(2)脉洪轴心位置距离皮肤之间的距离较浅，血管运动规整均匀，脉率较快，血管横截面积明显增大，形状介于椭圆与正圆之间，但更偏于椭圆，面积最大时，横截面的椭圆程度大，径向扩张明显，而最小值时，椭圆程度略小；轴心位移在水平方向与垂直方向上的变化较大。举按寻三部取脉时，血管收缩舒张的变化均十分显著(见图21)。

(3)脉虚：轴心位置距离皮肤之间的距离适中或偏深，血管运动规整均匀，脉率较慢，血管横截面的面积减小，椭圆程度增大，横截面积最大与最小时，均呈椭圆形，径向扩张减小，轴心位移在垂直方向上较小，在水平方向上增大；举按寻三部取脉时，血管管腔的扩张率均明显减小，B超镜下血管边界不清楚，不易识别(图22)。

(4)脉实：轴心位置距离皮肤之间的距离较浅，血管运动规整均匀，脉率多数较快，血管横截面积明显增大，形状近似于圆形，面积最大时，椭圆程度也较小，径向扩张率增大，面积最小时，横截面的椭圆程度则更小，近似于圆形，轴心位移在垂直与水平方向上均较大；举按寻三部取脉时，血管收缩舒张的变化均十分显著。B超镜下血管边界清楚，易识别(见图23)。

(5)脉滑：轴心位置距离皮肤之间的距离较浅，血管运动规整均匀，脉率较快，血管横截面积明显增大，形状呈椭圆形，血管舒张时比收缩时横截面的椭圆程度大，轴心位移在水平方向与垂直方向上的变化均较大；举按寻三部取脉时，血管管腔的扩张率明显增大，B超镜下血管边界清楚，易识别(见图24)。

(6)脉涩：轴心位置距离皮肤之间的距离适中或偏深，血管运动不规整均匀，脉率偏慢；血管运动横截面积大小形状变化无明显的规律，总体来说，呈椭圆程度的时间略多些，其长径与短径比值较大，血管收缩舒张时间不等，强度不一，轴心位移在水平方向与垂直方向上的变化均较大，举按寻三部取脉时，血管管腔的扩张率减小，B超镜下血管边界不清楚，不易识别(见图25)。

(7)脉弦：轴心位置距离皮肤之间的距离适中或偏浅，血管运动规整均匀，脉率正常或偏快，血管横截面积略增大，形状近似于圆形(见图26)

具体实施方式：

实施例1：

仪器采用三路Honeywell公司的FSG-15型压力传感器，Vetspees-Too/W光电容积传感器，同时采集实验动物的标准II导联心电信号作为时间标记，上述传感器信号经过放大、滤波处理后，送入ADI公司的AduC812微处理器中进行数据采集，得到12位精度的生理信号数据流通过UART端口输出，经过安全隔离(包括电源隔离、信号隔离)后，转换为USB1。0信号传送至PC机，PC机采用XP操作系统，通过以VC为基础软件系统对仪器进行控制，同时具有了波形显示、数据处理、数据分析等全面功能。

数据分析软件能对脉图信号进行平滑滤波、叠加、判断特征点(求取脉图的一阶、二阶导数)、计算出特征值。包括放大装置、接口、处理系统，与人迎、跌阳、寸口脉位接触的三部传感器输出的振动电压信号送由两极运算放大器组成的牵制放大器输入端，前置放大器的输出端经接口、模/数转换器、数字计算机和心电脉图仪连接起来组成脉图采集、分析系统，并且可以将数据输出至打印机。三部九侯取脉系统，进行采集、分析能够对脉波随机采样。采样频率位200Hz，用最小平方曲线拟合平滑法来光滑脉波曲线，脉波的起点和终点可由计算机程序确定，主波，潮波前谷，潮波，降中波前谷，降中波以人机会话的方式确定，并比较了人工和计算机分析的脉图参数差异很小。

Claims

1、一种脉动信息获取系统，包括压力B超复合传感器探头，数字计算机，B超机，其中压力B超复合传感器探头由1.B型超声波探头，2.套筒，3.弹性膜，4.传导介质，5.引压孔，6.FSG-15型压力传感器，7.密封环组成；

2、如权利要求1所述的脉动信息获取系统，其特征在于与计算机连接的还包括Vetspees-Too/W光电容积传感器、同时采集标准II导联心电信号作为时间标记，压力B超复合传感器与Vetspees-Too/W动物用光电容积传感器通过数据传输电缆与放大、滤波系统连接，再通过数据传输电缆与微处理器相连接，继续连接安全隔离装置，连接转换USB传输端口，连接PC机。

3、一种脉动信息获取系统，其特征在于该中医脉象诊断仪器包括监测装置底座、立柱、支架、传感器、X、Y、Z轴旋钮、压力B超复合探头、眼科B超机、数字计算机。

4、如权利要求1、2或3所述的中医脉象诊断仪器在诊断疾病中的应用。

5、如权利要求4所述的应用，其特征在于所述的诊断疾病是指分辨脉管运动状态。

6、如权利要求4所述的应用，其特征在于所述的诊断疾病是指获取脉管运动的“脉位、脉数、脉形、脉势”的四种属性，及四种属性与时间维度的关系组合。

7、如权利要求4所述的应用，其特征在于所述的诊断疾病是指获得脉象压力形态图。

8、如权利要求4所述的应用，其特征在于所述的诊断疾病是指获取特异脉象细化分析图。

9、如权利要求4所述的应用，其特征在于所述的诊断疾病是指获取三维脉象地形图。