CN1981698A - 基于波形特征识别的无创血压测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波形特征识别的无创血压测试方法，利用传感器测量血压的波形，并根据测量得到的波形，分别建立上包络线、基线和下包络线；寻找下包络线和基线的第一拐点作为第一特征点，该特征点对应血压波形的最大值就是收缩压(高压)；寻找下包络线和基线的第二拐点作为第二特征点，该特征点对应血压波形的最大值就是舒张压(低压)。与示波法相比较，本发明不需要计算平均值，也不需要计算平均值与血压波形的关系，完全根据个体血压的基本特征进行判别，具有个体自适应性强和测试正确度高的特点。

Description

基于波形特征识别的无创血压测试方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，特别涉及一种测量血压的方法，具体是一种基于波形特征识别的无创血压测试方法。

背景技术

目前，血压测量可分为直接法和间接法两种。

直接法是将测量导管放入血管内，通过压力传感器直接测量血压，这是一种创伤性方法，限于危重病人或开腔手术病人。

间接法是临床上普遍采用的血压测量方法，属于无创测量方法。间接法测量血压最常用的有柯氏音法即听诊法与振荡法等。柯氏音法用于人工听诊测量，振荡法的原理是利用血压波形的示波原理来判定收缩压和舒张压，是目前国内外大多数无创自动血压监测仪采用方法。

上述两种测量方法所获的血压数据，对临床诊断和监护都具有意义。

利用示波原理判定收缩压和舒张压的具体方法很多：

1)波形特征法：通过识别压力波在收缩压和舒张压处的波形特征来判别血压。

2)幅度系数法：通过确定并辨识收缩压幅度、舒张压幅度与最大幅度之间的关系来判别血压。

这两种方法的基础都是示波法，主要计算依据就是每次测量血压中的血压波形最大值与收缩压和舒张压之间的换算关系。由于波形最大值与测量速度等有直接关系，因此，这种测量方法都存在着测量正确性的问题。

示波法由压力波波形入手，寻找收缩压、舒张压处波形的特异性并由此判别血压。影响其测量精度的原因如下：

1)所确定的波形特征能否适应个体的差异性；

2)能否准确有效的提取波形特征。

用幅度系数法判定收缩压和舒张压的关键是特征系数的选取。Geddes的实验结果表明特征系数受压力波幅度的影响。Forster通过建立数学模型得出了相同的结论，并且发现特征系数还受脉搏波波形和动脉弹性特性的影响。此外，实验及理论分析还表明袖套大小和袖套上臂组织系统的弹性也会影响特征系数。研究表明，动脉粘弹性和动脉内压力波幅度的变化对特征系数的影响最大，在收缩压和舒张压的测量中可引起15％～20％的误差。

早期的研究将振荡波的变化规律与柯氏音的变化规律去类比，发现振荡波包络线的拐点(即二阶导数等于零值的点)对应于柯氏音的突变点，因而也对应于收缩压与舒张压的代表点。振荡波曲线的包络线，反映出振荡波幅值的变化水平。而二阶导数等于零值的点，恰好是一阶导数的极值点，即幅值变化达到极值(此处人们感兴趣的极值是极大值)的点，反映到柯氏音上，也就是柯氏音发生突变的点。

用以上方法指导仪器设计将会遇到困难，原因是实际曲线的包络线拐点不易探测，同时，包络线的确定与所获得的周期波形最大点的个数有关，需要大量的最大点才能比较准确地确定包络线，并会由于算法的不同而导致拐点位置的不同。

由此可知，如何判断包络线的拐点是示波法的核心。包络线拐点与包络线的形成结构有关，从理论上讲，任何两个波峰之间都存在拐点。因此，使用示波法进行血压测量需要进行大量的实验，这些实验必须针对不同的人群，以进行参数调整。

从理论上讲，示波法考虑了波形突变性与某个血压平均值的换算关系，这种突变是基于压力条件下血管形状的突变，是血压波形测量的基本特征。但由于外部压力是逐渐变化的，而不同压力下血管形状变化是不同的，使包络线的拐点具有一定的随机性和模糊性，难以达到柯氏音所确定血压的准确度。

综上所述，示波法的主要缺点是忽略了两次波峰之间血管形状特征的随机性，同时，忽略了血管反弹对波形的影响。这是目前示波法无创血压测量存在的主要问题和缺陷。

只有避开各血压周期波形最大点包络线拐点的精确确定，充分利用血管反弹波形提供的信息，才能比较准确的实现无创血压测量。

发明内容

本发明就是在这个基础之上提出一种基于波形特征识别的无创血压测量方法，本发明在于提出了一种基于波形特征识别的血压测量方法，其依据就是波形的包络包含有收缩和舒张血压点的信息，这些信息体现在下包络线与基线变化中。对血管反弹波形突变和包络线拐点进行综合分析，以解决现有的示波法测量血压忽略了两次波峰之间血管形状特征的随机性和血管反弹对波形的影响，而导致测量精度不高的问题。

本发明的技术方案是：利用传感器测量血压的波形，并且：

1)根据测量得到的波形，分别建立上包络线、基线和下包络线；

2)寻找下包络线和基线的第一拐点，该拐点对应血压波形的最大值就是收缩压；

3)寻找下包络线和基线的第二拐点，该拐点对应血压波形的最大值就是舒张压。

基线变化与包络线的变化具有同时性，而下包络线与基线的拐点恰好就代表了收缩压和舒张压。因此，在连续测量中，第一特征点(见图1)附近的血压波形最大值的平均值，就是收缩压(高压)，第二特征点(见图1)附近的血压波形最大值，就是舒张压(低压)。

波形特征法无创血压测量具有以下几个基本特性：

1)充分考虑个体状况和个体血管的影响，具有个体自适应特性。

2)确定基线拐点时参考了上包络线的拐点，即采用多种参数进行识别，具有较高的准确性。

3)可以比较容易地滤除干扰信号，提高测量正确性。

与示波法相比较，本发明不需要计算平均值，也不需要计算平均值与血压波形的关系，完全根据个体血压的基本特征进行判别，具有个体自适应性强和测试正确度高的特点。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是血压波形曲线示意图；

图2是本发明血压测量方法的总体流程图；

图3是本发明确定第一特征点和第二特征点方法的流程图。

具体实施方式

参见图1～图3，本发明利用常规的测量传感器测量出图1所示的血压的波形，并且进行以下的工作：

1)根据测量得到的波形，分别建立上包络线、基线和下包络线；

2)寻找下包络线和基线的第一拐点，该拐点对应血压波形的最大值就是收缩压；

3)寻找下包络线和基线的第二拐点，该拐点对应血压波形的最大值就是舒张压。

血压信号第一特征的识别方法(波形均指交流信号)：

1.波形中小点的判断准则：

小点是指测量得到的每周期血压波形(心脏每搏在动脉血管中形成的压力波形)的最低点，把测量过程中得到的所有小点连接起来，就形成了图1中的下包络线。检测下包络线的目的是为了提供收缩压(图1中的第一特征点)判断的第一个特征。

每周期中小点识别方法是：

X1AC≥LM    N≥16

其中X1AC是当前采样值，LM是小点采样值保存单元。小点识别的流程图如图2所示。

注意在判断小点的过程中小点赋值和大点与赋值的处理，可能小点出现在16点之前的某处，而不是第17点。

2.波形中大点识别方法

大点是指测量得到的每周期血压波形(心脏脉搏在动脉血管中形成的压力波形)的最高点，把测量过程中得到的所有大点连接起来，就形成了图1中的上包络线。检测上包络线的目的是为了提供收缩压(高压，图1中的第一特征点)和舒张压(低压，图1中的第二特征点)判断的特征，并由此计算高压或低压。

每周期中的大点识别方法是：

a)波形连续16点下降  X1AC＜LRY  N≥16

其中LRY是保存当前大点值的单元。

b)当前周期波形幅度大于上一周期波形幅度的1/2

(LRY-LM1)＞(LY[I-1]-LM[I-1])/2

c)大点和当前点间的差值大于上周期波形幅度的1/4

(LRY-X1AC)＞(LY[I-1]-LM[I-1])/4

d)当前周期波形幅度大于20(参考电平3V，8位A/D)

(LRY-LM1)＞20

e)注意在判断大点的过程中大点赋值和小点赋值的处理，可能大点出现在16点之前的某处。

符号说明：

LM表示本周期小点的数值，LRY表示本周期大点的数值，LM[I]和LY[I]分别是第I个周期的小点和大点数值，LM1表示本周期的小点数值(因为LM在大点程序中变化)，上述的第I-1周期和I周期的关系是大点不同，公用小点。

3.给最大波形幅度预赋值的条件：

a)当前波形幅度大于原来的最大波形幅度LY[J-2]＞MAX

b)后一波形的幅度大于前一波形幅度的3/4 LY[J-1]＞LY[J-2]×3/4

4.测量过程中，幅度最大波形的判断条件

连续三周期的波形幅度都小于当前最大值，并且相互间满足如下条件

LY[J-4]＞LY[J-3]

LY[J-3]＞LY[J-2]

LY[J-2]＞LY[J-1]

认为J-4周期是幅度最大波形周期。

5.高压判断条件(第一特征点判别条件)

在得到最大值MAX后，才可以进行高压判断。判别的方法是先确定高压比例，然后在高压比例附近找出高压点(高压周期内的大点)。

高压比例确定的方法：

对小点和大点分别进行查找，如果：

LM[J-4]＞LM[J-3]＞LM[J-2]＞LM[J-1]

同时：

LY[J-4]≤LY[J-3]≤LY[J-2]≤LY[J-1]

则高压比例：

GYBL＝(LY[J-4]+LY[J-3]+LY[J-2])/(3LY[J-1])

高压周期的判定方法如下：

(1)1周期LY[J-1]与最大值MAX之比小于高压比例

LY[J-1]/MAX＜GYBL

(2)2周期LY[J]与最大值MAX之比大于高压比例

LY[J]/MAX＞GYBL

(3)3周期LY[J+1]与最大值MAX之比大于高压比例

LY[J+1]/MAX＜GYBL

在1、2周期中，最靠近GYBL的周期为高压周期。具体判别方法如下：

如果[GYBL-LY[J-1]/MAX]≤[LY[J]/MAX-GYBL]

则1周期就是高压周期，否则，2周期就是高压周期。

确定高压周期后，将所确定的LY的序列号J-1或J存入N，即令N＝J-1或J。收缩压(高压)的数值GYZ，就是高压周期波形中大点对应的直流值，直流值的具体计算方法就是在得到高压周期后，对包括高压周期在内的前后三个周期的最大值求平均：

GYZ＝[LY[N-1]+LY[N+1]]/2+LY[N]]/2-LM[N]-XDPJ

6.低压判断条件(第二特征点判别条件)：

低压周期判别必须是在高压周期确定之后进行。低压判断的条件与高压判断条件相似。

设第N个大点是高压，则计算第1，2，...，N-1的小点平均值XDPJ，

XDPJ＝(LM[1]+LM[2]...+LM[N-1])/(N-1)

从最大波形之后的第一个周期开始计算低压比例DYBL。计算方法是：

如果LM[J]＞XDPJ，则

XDPJ＝LM[J]

DYBL＝(LY[J-1]+LY[J]+LY[J+1])/(3LY[J-1])

低压周期的判别如下：

(1)1周期LY[J-3]与最大值MAX之比大于低压比例

LY[J-3]/MAX＞DYBL

(2)2周期LY[J-2]与最大值MAX之比小于低压比例

LY[J-2]/MAX＞DYBL

(3)3周期LY[J-1]小于1周期

LY[J-1]＜LY[J-3]

上述1、2周期中，利用下式判断低压周期，最靠近DYBL的周期为低压周期。具体判别方法如下：

如果[DYBL-LY[J-2]/MAX]≤[LY[J-3]/MAX-DYBL]

则1周期就是低压周期，否则，2周期就是低压周期。

确定低压周期后，将所确定的LY的序列号J-2或J-3存入N，即令N＝J-2或J-3。舒张压(低压)的数值DYZ，就是低压周期波形中大点对应的直流值，直流值的具体计算方法，是在得到低压周期后，对包括低压周期在内的前后三个周期的最大值求平均：

DYZ＝{(LY[N-1]+LY[N+1])/2+LY[N]}/2}-XDPJ。

下面是本发明的一个应用分析实例：

1.通过压力传感器和A/D转换电路获得如图1所示的血压波形数据，将其存放在数据存储器中。A/D的采样点为每秒100点。同时，A/D转换采用8位时，最高血压设为255，转换比例为1，即分析计算中的数据单位是毫米汞柱mHg。

2.根据附图2和3开始波形分析。

1)查找波形大点和小点，确定周期：

把采样得到的第40点作为LM[0]、LY[0]MAX的初值。

如果波形连续16点下降，即X1AC＜LRY，则判定为大点，存入LY[I]。

在找到第一大点LY[0]后，从大点开始向前查找，连续下降10点后再次出现上升的起始点为基线点。

每周期中找到大点后，向前查找一周期内的最小值，即为小点，存入LM[I]。

两个大点之间的点数乘以采样周期即得到血压周期。

按此方法找出所有大点和小点。

2)寻找最大值：

所得到大点LY[I]中的最大值即为MAX。

3)高压比例确定的方法：

对小点和大点分别进行查找，如果：

LM[J-4]＞LM[J-3]＞LM[J-2]＞LM[J-1]

同时：

LY[J-4]≤LY[J-3]≤LY[J-2]≤LY[J-1]

则高压比例：

GYBL＝(LY[J-4]+LY[J-3]+LY[J-2])/(3LY[J-1])

本例中，通过查找波形9，得到

LM[9-4]＝75＞LM[9-3]＝73＞LM[9-2]＝68＞LM[9-1]＝54

LY[9-4]＝162＜LY[9-3]＝165＜LY[9-2]＝168＜LY[9-1]＝175

此时MAX＝LY[J]＝180，小点平均值：

XDPJ＝[LM[9-4]+LM[9-3]+LM[9-2]+LM[9-1]]/4＝[75+73+68+54]/4＝67.5

高压比例：

GYBL＝(495)/3/175＝0.943

4)确定高压和计算高压值：

LY[9-2]＝168/180＝0.933＜0.943，

LY[9-1]＝175/180＝0.97＞0.934

LY[9]＝180/180＝1＞0.934

满足判别条件，确定LY[9-2]为高压周期，高压值为：

GYZ＝[LY[N-1]+LY[N+1])/2+LY[N]]/2-XDPJ

＝[170+168]/2-67.5＝169-67.5＝102.5

高压值乘以A/D转换的比例系数，既可以得到舒张压(高压)的毫米汞柱值。本利中的比例系数为1。所以高压为102.5mHg。

5)确定低压比例：

从附图1可以得到，LM[J]＝90＞XDPJ＝67.5，则XDPJ＝85。

LY[J-2]＝180，LY[J-1]＝175，LY[J]＝162

则低压比例：

DYBL＝(LY[J-1]+LY[J]+LY[J+1])/(3LY[J-1])＝171.7/175＝0.981

此时的MAX＝182。

6)判断低压周期：

低压周期的判别如下：

(1)1周期LY[J-3]＝182与最大值MAX＝182之比大于低压比例

LY[J-3]/MAX＝182/182＝1＞DYBL＝0.981

(2)2周期LY[J-2]与最大值MAX之比小于低压比例

LY[J-2]/MAX＝175/182＝0.942＜DYBL＝0.981

(3)3周期LY[J-1]小于1周期：

LY[J-1]＝175＜LY[J-3]＝182

上述1、2周期中，利用下式判断低压周期，最靠近DYBL的周期为低压周期。具体判别方法如下：

如果[DYBL-LY[J-2]/MAX]＝0.029≤[LY[J-3]/MAX-DYBL]＝0.019

确定LY[J-2]为低压周期。

7)计算低压值：

低压值为：

DYZ＝{(LY[N-1]+LY[N+1])/2+LY[N]]/2}-XDPJ

＝{(180+160)/2+175}/2-90＝82.5mHg

自此可以得到高压和低压值：

GYZ＝102.5mHg，DYZ＝82.5mHg。

Claims (2)

1.一种基于波形特征识别的无创血压测试方法，利用传感器测量血压的波形，其特征在于：还包括：

1)根据测量得到的波形，分别建立上包络线、基线和下包络线；

2)寻找下包络线和基线的第一拐点作为第一特征点，该特征点对应血压波形的最大值就是收缩压(高压)；

3)寻找下包络线和基线的第二拐点作为第二特征点，该特征点对应血压波形的最大值就是舒张压(低压)。

2.根据权利要求1所述的基于波形特征识别的无创血压测试方法，其特征在于：

1)建立下包络线的方法是：把测量过程中得到血压波形的所有小点连接起来，就形成了所述的下包络线；所述的小点是指测量得到的每周期血压波形(心脏每搏在动脉血管中形成的压力波形)的最低点，检测下包络线的目的是为了提供收缩压(即第一特征点)判断的第一个特征；

每周期中小点识别方法是：

X1AC≥LM，    N≥16

其中X1AC是当前采样值，LM是小点采样值保存单元；

2)建立上包络线的方法是：测量得到的每周期血压波形(心脏每搏在动脉血管中形成的压力波形)的最高点即为大点，把测量过程中得到的所有大点连接起来，就形成了上包络线；检测上包络线的目的是为了提供收缩压和舒张压判断的特征，并由此计算高压值或低压值；

每周期中的大点识别方法是：

a)波形连续16点下降  X1AC＜LRY  N≥16

其中LRY是保存当前大点值的单元；

b)当前周期波形幅度大于上一周期波形幅度的1/2

(LRY-LM1)＞(LY[I-1]-LM[I-1])/2

c)大点和当前点间的差值大于上周期波形幅度的1/4

(LRY-X1AC)＞(LY[I-1]-LM[I-1])/4

d)当前周期波形幅度大于20(参考电平3V，8位A/D)

(LRY-LM1)＞20

上述表达式中的符号：LM表示本周期小点的数值，LRY表示本周期大点的数值，LM[I]和LY[I]分别是第I个周期的小点和大点数值，LM1表示本周期的小点数值(因为LM在大点程序中变化)，上述的第I-1周期和I周期的关系是大点不同，公用小点；

e)注意在判断大点的过程中大点赋值和小点赋值的处理，可能大点出现在16点之前的某处；

3)最大波形幅度是下包络线第二拐点的判别条件之一。给最大波形幅度预赋值的条件：

a)当前波形幅度大于原来的最大波形幅度  LY[J-2]＞MAX

b)后一波形的幅度大于前一波形幅度的3/4 LY[J-1]＞LY[J-2]×3/4

4)测量过程中，幅度最大波形的判断条件：

连续三周期的波形幅度都小于当前最大值，并且相互间满足如下条件

a)LY[J-4]＞LY[J-3]

b)LY[J-3]＞LY[J-2]

c)LY[J-2]＞LY[J-1]

认为J-4周期是幅度最大波形周期；

5)寻找下包络线和基线的第一拐点的方法是：首先确定高压比例，然后在高压比例附近找出高压点，即一个周期内的大点；

a)高压比例GYBL按照以下条件确定高压比例：

对小点和大点分别进行查找，如果：

LM[J-4]＞LM[J-3]＞LM[J-2]＞LM[J-1]

同时：

LY[J-4]≤LY[J-3]≤LY[J-2]≤LY[J-1]

则高压比例：

GYBL＝(LY[J-4]+LY[J-3]+LY[J-2])/(3LY[J-1])

b)按照如下方法判定高压的周期：

在得到最大值MAX后，才可以进行高压判断。判别的方法是先确定高压比例，然后在高压比例附近找出高压点(高压周期内的大点)。高压周期的判定方法如下：

(1)1周期LY[J-1]与最大值MAX之比小于高压比例

LY[J-1]/MAX＜GYBL

(2)2周期LY[J]与最大值MAX之比大于高压比例

LY[J]/MAX＞GYBL

(3)3周期LY[J+1]与最大值MAX之比大于高压比例

LY[J+1]/MAX＜GYBL

在1、2周期中，最靠近GYBL的周期为高压周期。具体判别方法如下：

如果[GYBL-LY[J-1]/MAX]≤[LY[J]/MAX-GYBL]

则1周期就是高压周期，否则，2周期就是高压周期。高压周期的最大值就是上包络的第一个拐点。

6)寻找下包络线和基线的第二拐点的方法是：

低压周期判别必须是在高压周期确定之后进行。低压判断的条件与高压判断条件相似。

设第N个大点是高压，则计算第1，2，...，N-1的小点平均值XDPJ，

XDPJ＝(LM[1]+LM[2]...+LM[N-1])/(N-1)

从最大波形之后的第一个周期开始计算低压比例DYBL。计算方法是：

对小点进行查找，如果LM[J]＞XDPJ，则

XDPJ＝LM[J]

DYBL＝(LY[J-1]+LY[J]+LY[J+1])/(3LY[J-1])。

低压周期的判别如下：

(1)1周期LY[J-3]与最大值MAX之比大于低压比例

LY[J-3]/MAX＞DYBL

(2)2周期LY[J-2]与最大值MAX之比小于低压比例

LY[J-2]/MAX＜DYBL

(3)3周期LY[J-1]小于1周期

LY[J-1]＜LY[J-3]

上述1、2周期中，利用下式判断低压周期，最靠近DYBL的周期为低压周期。具体判别方法如下：

如果[DYBL-LY[J-2]/MAX]≤[LY[J-3]/MAX-DYBL]

则1周期就是低压周期，否则，2周期就是低压周期。低压周期的最大点就是上包络线的第二个拐点。

7)高压和低压计算方法

确定高压周期后，将所确定的LY的序列号J-1或J存入N，即令N＝J-1或J。收缩压(高压)的数值GYZ，就是高压周期波形中大点对应的直流值，直流值的具体计算方法就是在得到高压周期后，对包括高压周期在内的前后三个周期的最大值求平均：

GYZ＝[LY[N-1]+LY[N+1])/2+LY[N]]/2-LM[N]-XDPJ

确定低压周期后，将所确定的LY的序列号J-2或J-3存入N，即令N＝J-2或J-3。舒张压(低压)的数值DYZ，就是低压周期波形中大点对应的直流值，直流值的具体计算方法，是在得到低压周期后，对包括低压周期在内的前后三个周期的最大值求平均：

DYZ＝{(LY[N-1]+LY[N+1])/2+LY[N]}/2}。

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