CN201308483Y

CN201308483Y - 动脉血管弹性动态检测装置

Info

Publication number: CN201308483Y
Application number: CNU2008201009003U
Authority: CN
Inventors: 吴宝明; 赵安; 冯正权; 陈宇; 张永军
Original assignee: Research Institute of Field Surgery TMMU
Current assignee: Research Institute of Field Surgery TMMU
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2018-12-09

Abstract

本实用新型公开了一种动脉血管弹性动态检测装置，包括控制处理系统、血压信号采集系统和容积脉搏波信号采集系统；血压信号采集系统包括压力单元和设置在压力单元上的压力传感器，压力传感器采集的信号分别经滤波处理获得外加压力信号和血压脉搏波信号，外加压力信号经放大后送至控制处理系统，血压脉搏波信号经放大、滤波和模数转换后送至控制处理系统；容积脉搏波信号采集系统包括容积脉搏波探头，容积脉搏波探头采集的信号经滤波、放大和模数转换后送至控制处理系统；该装置通过对动脉壁加压调控透壁压，消除了血压水平对动脉血管弹性检测的影响，所得检测结果无须进行血压校正，而且易于区分亚临床动脉病变人群与健康人群，还可同时测量血压。

Description

动脉血管弹性动态检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种医疗器械，特别涉及一种动脉血管弹性动态检测装置。

背景技术

动脉血管弹性功能异常是心血管疾病的早期表现，动脉血管弹性功能的检测在心血管疾病的预防和治疗中具有十分重要的作用。目前已有多种无创性检测方法及其装置，如脉搏波传导速度(pulse wave velocity，PWV)检测法及法国Complior动脉硬化检测仪、脉搏波增大指数(augment index，AI)检测法及澳大利亚SphygmoCor桡动脉压力波形分析仪、大动脉弹性指数(C₁)和小动脉弹性指数(C₂)检测法及美国CVProfilor DO-2020动脉弹性功能测定仪。其中，脉搏波传导速度作为衡量动脉血管弹性的经典指标，获得最广泛应用。

但是，上述检测方法及其装置均是在人体安静状态下的某个时间点进行的检测，为静态检测方法及其装置，存在如下问题：(1)未考虑影响动脉血管弹性的内外因素尤其是血压水平；事实上，血压在一天之内呈节律性的变化，血压水平对PWV等参数的影响很大，在实际工作中，将不同血压水平的样本进行比较时必须进行血压校正，以消除或减小因血压水平不同带来的个体差异；(2)亚临床动脉病变人群(如高血压中、低危险患者)与健康人群之间的界限不明显，对改进心血管风险分级和预防心血管疾病的作用有限；既往研究表明，动脉血管弹性的差异在高脉压区较低脉压区减小，上述检测方法及其装置多是在白日进行的检测，脉压较夜间高，导致亚临床动脉病变人群与健康人群之间的差异不明显，而且检测结果本身具有的离散性也可能模糊界限，因此，检测结果往往难以引起亚临床动脉病变人群的足够重视。

实用新型内容

有鉴于此，针对现有动脉血管弹性检测技术存在的不足，本实用新型的目的之一在于提供一种动脉血管弹性动态检测装置，通过对动脉壁加压调控透壁压，消除了血压水平对动脉血管弹性检测的影响，所得检测结果无须进行血压校正，而且易于区分亚临床动脉病变人群与健康人群；还具有可同时测量血压、装置简单、无创伤检测、操作简便快捷、结果准确灵敏、制造和检测成本低廉的特点。

为达到此目的，本实用新型的动脉血管弹性动态检测装置，包括控制处理系统、血压信号采集系统和容积脉搏波信号采集系统；

所述血压信号采集系统包括压力单元和设置在压力单元上的压力传感器，压力传感器采集的信号分别经滤波处理获得外加压力信号和血压脉搏波信号，外加压力信号经放大后送至控制处理系统，血压脉搏波信号经放大、滤波和模数转换后送至控制处理系统；

所述容积脉搏波信号采集系统包括容积脉搏波探头，容积脉搏波探头采集的信号经滤波、放大和模数转换后送至控制处理系统。

进一步，所述压力单元包括气泵及其驱动系统、排气阀及其驱动系统和袖带，气泵和排气阀的驱动系统分别与控制处理系统连接，气泵的气体出口与袖带的进气口连通，排气阀与袖带的出气口连通；

进一步，所述容积脉搏波探头为透射式光电容积脉搏波描记指夹探头；

进一步，所述压力传感器采集的信号经低通滤波器I处理获得外加压力信号，经高通滤波器I处理获得血压脉搏波信号；外加压力信号经同相放大器I处理后送至控制处理系统，血压脉搏波信号经顺序连接的同相放大器II、低通滤波器II和电平变换器处理后送至控制处理系统；

进一步，所述容积脉搏波探头采集的信号经顺序连接的高通滤波器II、同相放大器III、低通滤波电路III和电平变换器处理后送至控制处理系统；

进一步，所述低通滤波器I的截止频率为0.5Hz，高通滤波器I的截止频率为0.5Hz，低通滤波器II的截止频率为20Hz；

进一步，所述高通滤波器II为RC高通滤波器，截止频率为0.5Hz；低通滤波器III为二阶低通有源滤波器，截止频率为20Hz；

进一步，所述控制处理系统为单片机；

进一步，还包括计算机，所述单片机与计算机之间通过串行通信方式进行数据通信。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型结合示波法血压测量技术和容积脉搏波测量技术，研制出一种动脉血管弹性动态检测装置，通过对动脉壁加压调控透壁压，消除了血压水平对动脉血管弹性检测的影响，所得动脉血管弹性检测结果无须进行血压校正，而且易于区分亚临床动脉病变人群与健康人群；本实用新型装置具有设备简单、无创伤检测、操作简便快捷、结果准确灵敏、制造和检测成本低廉的特点，而且可同时测量血压，一机多能，可为心血管疾病的早期诊断、预后判断和疗效评估，以及抗心血管疾病药物的研制开发等提供必要的临床数据，具有良好的应用前景和推广价值，适合中小型医院、社区和家庭保健使用。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，其中：

图1为本实用新型的动脉血管弹性动态检测装置的硬件原理示意图；

图2为本实用新型的动脉血管弹性动态检测装置的检测流程图；

图3为脉搏波传递时间基准点计算示意图；

图4为动脉透壁压动态变化下脉搏波传递时间的比较示例；

图5为不同动脉透壁压下脉搏波传递时间差异性比较示例。

具体实施方式

以下将参照附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。

图1为本实用新型的动脉血管弹性动态检测装置的硬件原理示意图；如图1所示，本实用新型的动脉血管弹性动态检测装置，包括控制处理系统、血压信号采集系统和容积脉搏波信号采集系统；

在本实施例中，所述控制处理系统为MSP430F149单片机，自带8路12位精度AD采样，单片机的控制处理程序采用C语言编程工具IAR EmbeddedWorkbench进行编写；

所述血压信号采集系统包括用于向大动脉壁施加外部压力的压力单元和设置在压力单元上的压力传感器，在本实施例中，所述压力单元包括气泵及其驱动系统、排气阀及其驱动系统和袖带，气泵的气体出口与袖带的进气口连通，排气阀与袖带的出气口连通；使用时，将袖带佩戴于受试者左上臂肱动脉处，控制处理系统分别控制气泵和排气阀的驱动系统驱动气泵和排气阀完成对袖带的充气和放气；所述压力传感器为高精度的SMI 5410压力传感器；由于压力传感器采集的信号是由袖带静压(即外加压力)信号和血压脉搏波信号叠加而成，因此，采用两路滤波电路分别提取袖带静压信号和血压脉搏波信号，因本装置采用缓慢加压的方式测量血压，故袖带静压信号是一种缓变低频信号，可通过一个截止频率为0.5Hz的低通滤波器I处理得到，而血压脉搏波信号可通过一个截止频率为0.5Hz的高通滤波器I滤除低频直流分量后得到；所得袖带静压信号经一个同相放大器I放大后送至单片机，所得血压脉搏波信号顺序经一个同相放大器II放大、一个截止频率为20Hz的低通滤波器II滤除高频干扰后送至单片机中的电平变换器进行200Hz的模数(AD)转换；

所述容积脉搏波信号采集系统包括用于采集微血管容积脉搏波信号的容积脉搏波探头，在本实施例中，所述容积脉搏波探头为透射式光电容积脉搏波描记(photoelectric plethysmography，PPG)指夹探头，使用时将其夹在受试者手食指端部，采用±3V恒定电压供电，其内部带有一个高输入阻抗、低输出阻抗的反相运算放大器，并且连接电缆采用了屏蔽措施，保证了容积脉搏波信号的无失真输出；所述PPG探头采集的信号经一个截止频率为0.5Hz的RC高通滤波器滤除直流成分后获得容积脉搏波信号，所得容积脉搏波信号的幅度仅为1毫伏左右，采用一个同相放大器III将其放大1000倍，再通过一个截止频率为20Hz的二阶低通有源滤波电路滤除高频干扰，同时将信号由-1.2～1.2V的范围抬升至0～2.5V，最后送至单片机中的电平变换器进行200Hz的AD转换；

在本实施例中，该装置还包括计算机，所述单片机与计算机之间通过串行通信方式进行数据通信，计算机处理软件采用Visual Basic 6.0程序进行编写，包含数据存储、实时绘制/回放波形、计算受试者血压和脉率，以及分析受试者动脉血管弹性等功能。

图2为本实用新型的动脉血管弹性动态检测装置的检测流程图；如图2所示，采用本实用新型装置检测动脉血管弹性的方法，包括以下步骤：

a、将袖带佩戴于受试者的左上臂肱动脉处，PPG探头夹在受试者手食指端部，受试者水平躺于床上或将手臂水平放置于与心脏处于同一水平位置的桌面上以消除静水压；预设动脉透壁压；

b、关闭气阀，开启气泵，对袖带缓慢线性充气，逐渐给上臂加压，在充气过程中同步采集袖带静压、血压脉搏波和容积脉搏波信号；根据所得袖带静压和血压脉搏波信号，计算平均压、收缩压和舒张压；打开气阀，关闭气泵，释放袖带内的气体；

c、用步骤b所得平均压减去预设的动脉透壁压得到相应的袖带静压(假设静水压为零)，所得袖带静压应低于舒张压，以避免动脉受压部分或动脉完全闭合所引起的与动脉血管弹性无关的时间延迟；将所得袖带静压预设为透壁压；

d、再次关闭气阀，开启气泵，对袖带充气，当动脉透壁压达到预设值时，关闭气泵，保持气阀紧闭，连续同步采集120秒的袖带静压、血压脉搏波和容积脉搏波信号；打开气阀，释放袖带内的气体；

e、根据步骤d所得血压脉搏波和容积脉搏波信号，分别确定血压脉搏波和容积脉搏波的传递时间基准点，计算脉搏波传递时间；

f、根据动脉血管弹性和脉搏波传递时间的定量关系，计算出动脉血管弹性，计算公式如下：

C＝PTT²(πR²/ρL²)

其中，C为动脉血管弹性，PTT为脉搏波传递时间，R为动脉半径，ρ为血液密度，L为检测点间的直线距离；在对动脉加压且未导致动脉塌陷的情况下，πR²/ρL²可视为常数。

脉搏波传递时间通常定义为血压脉搏波和容积脉搏波极小值出现的时间差，但极小值出现位置附近的斜率较低，容易受到低幅噪声的干扰。为了提高检测精确度，在采用本实用新型装置检测动脉血管弹性时，上述方法步骤e采用底部基线与升支逼近直线相交算法确定脉搏波传递时间的基准点。该基准点具有如下两个基本特征：其幅度特征表现为它应该位于底部基线上，其时间特征表现为它应该是脉冲快速上升沿上的一点。图3为脉搏波传递时间基准点计算示意图；如图3所示，脉搏波传递时间基准点的确定方法包括以下步骤：

e1、制作底部基线：首先，求脉搏波的一阶导数，确定其极大值点；其次，从该极大值点出发，沿脉搏波的一阶导数向前搜索过零点，该点刚好小于零而其后一点等于或大于零；再次，确定该过零点在脉搏波上的对应点；最后，通过该对应点作一条水平直线，作为脉搏波的底部基线；

e2、制作升支最佳逼近直线：首先，确定脉搏波一阶导数极大值点在脉搏波上的对应点；其次，假设升支逼近直线通过该对应点，搜索最小均方误差意义下的直线斜率K值，作升支最佳逼近直线；

e3、底部基线与升支最佳逼近直线的交点即为脉搏波的传递时间基准点。

采用上述方法，底部基线可以保证脉搏波起点的幅度特征，而升支最佳逼近直线作为升支波形的最小均方误差意义下的最佳直线近似，其与底部基线的交点可以较准确的代表脉搏波的起点。

本实用新型装置的检测原理如下：

根据血管动力学理论，动脉透壁压(P_tm)定义为内部压力(P_hem)、静水压(P_hydro)以及外加压力(P_ext)之间的差值，如公式(1)所示：

P_tm＝P_hem+P_hydro-P_ext (1)

其中，静水压取决于测量部位与心脏的相对高度，其取值可正、可负，保持测量部位与心脏处于水平位置则静水压为零；

血管容积(V)与动脉透壁压(P_tm)的关系如公式(2)所示：

V＝b₁/[1+exp(-b₂P_tm)] (2)

其中，b₁、b₂为常数；，b₁为饱和参数(当P_tm远大于0时，V＝b₁)，具有容积单位；b₂的单位为压力的倒数；

对公式(2)求导，得到动脉血管弹性(C)与动脉透壁压(P_tm)的关系如公式(3)所示：

C＝dV/d P_tm＝b₁b₂exp(-b₂P_tm)/[1+exp(-b₂P_tm)]² (3)

当P_tm逐渐减小至零时，动脉血管弹性逐渐增加；当P_tm＝0时，动脉血管弹性达到极大值，C_max＝b₁b₂/4；

进一步，根据动脉血管弹性(C)与脉搏波传导速度(PWV)的关系，如公式(4)所示：

C＝πR²/ρ(PWV)² (4)

以及PWV与脉搏波传递时间(Pulse Transit Time，PTT)的关系，如公式(5)所示：

PWV＝L/PTT (5)

得动脉血管弹性(C)与脉搏波传递时间(PTT)的关系，如公式(6)所示：

C＝PTT²(πR²/ρL²) (6)

其中，R为动脉半径，ρ为血液密度，L为测量点间的直线距离；在对动脉加压且未导致动脉塌陷的情况下，πR²/ρL²可视为常数，即动脉血管弹性与脉搏波传递时间的平方呈正相关，通过测量脉搏波传递时间，即可算出动脉血管弹性。

图4为动脉透壁压动态变化下脉搏波传递时间的比较示例；其中，受试者1：26岁、健康，受试者2：42岁、正常血压高值，受试者3：32岁、原发性高血压患者；从图4可知，袖套缓慢加压导致动脉透壁压逐渐减小，脉搏波传递时间随动脉透壁压减小而逐步增加；3个受试者在正常动脉透壁压(约80mmHg)时，脉搏波传递时间差异不大，即动脉血管弹性差异不大，但随着动脉透壁压逐渐减小到零，脉搏波传递时间差异逐步增大，即动脉血管弹性差异逐步增大；因此，选择在较低动脉透壁压下测量动脉血管弹性，不仅可以避免现有检测方法需要血压校正的麻烦，而且可以更好地区分亚临床动脉病变人群与健康人群。

图5为不同透壁压下脉搏波传递时间差异性比较示例；其中，高血压组包括40名未接受治疗的原发性高血压患者，年龄35～64岁[(48.28±7.76)岁]，其中男性28例，女性12例；对照组包括42名血压正常的人，年龄38～62岁[(49.31±6.04)岁]，其中男性29例，女性13例；从图5可知，在动脉透壁压分别为60、50和40mmHg时，高血压组脉搏波传递时间的均值分别为3.7、8.5和13.1ms，而对照组脉搏波传递时间的均值分别为5.4、12.5和19.3ms，在相同动脉透壁压下，两组之间差异存在显著统计学意义(P＜0.01)；其随着动脉透壁压的减小，虽然两组脉搏波传递时间均增加，但两组的差异也越来越大，即动脉血管弹性差异增大。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过参照本实用新型的优选实施例已经对本实用新型进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围。

Claims

1、一种动脉血管弹性动态检测装置，其特征在于：包括控制处理系统、血压信号采集系统和容积脉搏波信号采集系统；

2、根据权利要求1所述的动脉血管弹性动态检测装置，其特征在于：所述压力单元包括气泵及其驱动系统、排气阀及其驱动系统和袖带，气泵和排气阀的驱动系统分别与控制处理系统连接，气泵的气体出口与袖带的进气口连通，排气阀与袖带的出气口连通。

3、根据权利要求1所述的动脉血管弹性动态检测装置，其特征在于：所述容积脉搏波探头为透射式光电容积脉搏波描记指夹探头。

4、根据权利要求1所述的动脉血管弹性动态检测装置，其特征在于：所述压力传感器采集的信号经低通滤波器I处理获得外加压力信号，经高通滤波器I处理获得血压脉搏波信号；外加压力信号经同相放大器I处理后送至控制处理系统，血压脉搏波信号经顺序连接的同相放大器II、低通滤波器II和电平变换器处理后送至控制处理系统。

5、根据权利要求1所述的动脉血管弹性动态检测装置，其特征在于：所述容积脉搏波探头采集的信号经顺序连接的高通滤波器II、同相放大器III、低通滤波器III和电平变换器处理后送至控制处理系统。

6、根据权利要求4所述的动脉血管弹性动态检测装置，其特征在于：所述低通滤波器I的截止频率为0.5Hz，高通滤波器I的截止频率为0.5Hz，低通滤波器II的截止频率为20Hz。

7、根据权利要求5所述的动脉血管弹性动态检测装置，其特征在于：所述高通滤波器II为RC高通滤波器，截止频率为0.5Hz；低通滤波器III为二阶低通有源滤波器，截止频率为20Hz。

8、根据权利要求1至7任一权利要求所述的动脉血管弹性动态检测装置，其特征在于：所述控制处理系统为单片机。

9、根据权利要求8所述的动脉血管弹性动态检测装置，其特征在于：还包括计算机，所述单片机与计算机之间通过串行通信方式进行数据通信。