CN215348901U - 一种无创血管功能评估装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无创血管功能评估装置，包括机体，所述机体内设有诱导局部冷刺激模块、温控模块、过冷保护模块、信号采集模块、按键模块、显示模块、微处理器、电源模块、存储模块、串口模块以及蓝牙模块；其中，所述诱导局部冷刺激模块的输出端、所述温控模块的输出端、所述过冷保护模块的输出端以及所述信号采集模块的输出端均连接所述微处理器的输入端，所述按键模块的输出端连接所述微处理器的输入端，所述微处理器的输出端连接所述显示模块的输入端，所述微处理器的输出端分别连接所述串口模块的输入端以及所述蓝牙模块的输入端。本实用新型实现了对血管功能检测的精准评估，可广泛应用于生物医学检测技术领域。

Description

一种无创血管功能评估装置

技术领域

本实用新型涉及生物医学检测技术领域，尤其是一种无创血管功能评估装置。

背景技术

微循环是人体血管循环系统的重要组成部分，基本的功能是进行血液和组织液之间的物质交换，研究表明，相关的心血管疾病如高血压、糖尿病等均与微循环调节障碍有关。另外，血管调节功能障碍发生在血管结构病变之前，也是预防心血管疾病的有效方法。由于皮表温度受皮下微循环血液灌注的影响，研究人员分别对健康人群和患有糖尿病的患者进行指尖热刺激，结果发现热刺激诱导健康人群的血管舒张调节变化，而糖尿病患者却没有明显变化，存在着内皮调节功能障碍，说明了血管内皮功能障碍与多种心血管危险因素之间存在相关性。同时，在参与血管调节过程中，研究发现除内皮调节外，血管神经调节和肌源性调节等机制也起到重要作用。

在现有技术中，冠脉造影法是一种侵入性的检测方法，是评估血管内皮功能的金标准，但是因为其侵入性、耗时长、费用高在临床中受到极大限制；非侵入血管功能测试方法主要通过外界的刺激诱导反应性充血，根据诱导方式不同，可以细分为束臂缺血、局部热刺激、局部冷刺激、局部运动以及药物干预等。目前临床上应用最为广泛为肱动脉束臂缺血诱导反应性充血，其基本的原理是使用袖带加压的方法阻断肱动脉血流若干分钟，之后释放袖带，由于袖带的释放在血管调节的作用下使得血流对内皮形成较高的血流切应力，刺激了内皮释放NO使得血管扩张。因此测量动脉阻断前后的血管管径或者容积的变化，可以评价内皮细胞的调节功能。如Omron公司生产的UNEX EF，是使用超声探头测量肱动脉阻断前后管径的变化来评价血管内皮功能，但这种方法是用来评估肱动脉的内皮功能，但不能直接反应血管微循环情况；Itamar公司的Endo-PAT通过指端动脉张力测量来间接反映指端动脉容积变化，该系统是全球首款通过FDA认证的血管内皮功能无创诊断系统；Endothelix公司推出的全自动血管反应性内皮功能无创检测仪器VENDYS，该仪器也通过了FDA认证，但该仪器是基于指尖热监测(DTM)技术，主要反映的是末梢微血管的调节功能，但肱动脉束臂会同时造成大血管和末梢微血管均参与调节。

这些仪器设备成本高、操作复杂、费用高、同时对操作者的水平依赖程度高，不适合社区医院、家庭使用，不利于慢病管理与防止。此外，研究表明呈现不同频谱特征的多种调节机制参与血管调节过程，包括有内皮调节、神经调节以及肌源性调节，现有的血管功能测试技术没有对上述的调节做评估。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种实用性高且简单高效的无创血管功能评估装置。

本实用新型实施例提供了一种无创血管功能评估装置，包括机体，所述机体内设有诱导局部冷刺激模块、温控模块、过冷保护模块、信号采集模块、按键模块、显示模块、微处理器、电源模块、存储模块、串口模块以及蓝牙模块；其中，所述诱导局部冷刺激模块的输出端、所述温控模块的输出端、所述过冷保护模块的输出端以及所述信号采集模块的输出端均连接所述微处理器的输入端，所述按键模块的输出端连接所述微处理器的输入端，所述微处理器的输出端连接所述显示模块的输入端，所述微处理器的输出端分别连接所述串口模块的输入端以及所述蓝牙模块的输入端。

进一步，所述诱导局部冷刺激模块由半导体制冷片、温度传感器以及网口接线端子组成；其中，所述半导体制冷片的输出端连接所述温度传感器的输入端，所述温度传感器的输出端连接所述网口接线端子的输入端。

进一步，所述过冷保护模块由NTC感温头、晶体管电路以及ADC采集电路组成；其中，所述NTC感温头的输出端连接所述ADC采集电路的输入端，所述ADC采集电路的输出端连接所述晶体管电路的输入端。

进一步，所述按键模块以及显示模块由按键以及液晶显示器组成，其中，所述液晶显示器为TFT-LCD液晶显示器。

进一步，所述信号采集模块由光电容积脉搏传感器、前置模拟放大滤波电路以及模数转换电路组成；其中，所述光电容积脉搏传感器的输出端连接所述前置模拟放大滤波电路的输入端，所述前置模拟放大滤波电路的输出端连接所述模拟转换电路的输入端。

进一步，所述电源模块由电源适配器、干电池、DC-CD芯片以及PMOS管电路组成；其中，所述电源适配器的输出端连接所述DC-CD芯片的输入端，所述电源适配器的输出端以及所述干电池的输出端连接所述PMOS管电路的输入端。

进一步，所述串口模块包含有USB转串口芯片组成的第一电路，所述第一电路的RXD端与微处理器的第一串口的USART1_TXD端相连接，所述第一电路的TXD端与所述微处理器的第一串口的USART1_RXD端相连接。

进一步，所述蓝牙模块包含有USB转串口芯片组成的第二电路，所述第二电路的RXD端与微处理器的第二串口的USART2_TXD端相连接，所述第二电路的TXD端与所述微处理器的第二串口的USART2_RXD端相连接。

进一步，还包括声光指示模块，其中，所述声光指示模块含有声音提示电路以及指示灯提示电路。

上述本实用新型实施例中的一个技术方案具有如下优点：本实用新型的实施例通过利用半导体制冷片进行冷刺激诱导反应性充血，同时设有过冷保护电路以及声光报警功能，降低了测试过程的风险，减少了对测试者的不适感以及扩大了测试人群的范围；另外本实用新型的实施例集局部冷刺激产生与温度调控、按键输入、屏幕显示、无线传输、文件存储等功能，使得测试过程中人机交互友好，工作稳定，数据不丢失。

附图说明

图1为本实用新型的一种无创血管功能评估装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型的具体操作流程图；

图3为本实用新型的无创血管功能评估装置本体的正面结构示意图；

图4为本实用新型的无创血管功能评估装置本体的背面结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步解释和说明。

参照图1，一种无创血管功能评估装置，包括机体，所述机体内设有诱导局部冷刺激模块、温控模块、过冷保护模块、信号采集模块、按键模块、显示模块、微处理器、电源模块、存储模块、串口模块以及蓝牙模块；其中，所述诱导局部冷刺激模块的输出端、所述温控模块的输出端、所述过冷保护模块的输出端以及所述信号采集模块的输出端均连接所述微处理器的输入端，所述按键模块的输出端连接所述微处理器的输入端，所述微处理器的输出端连接所述显示模块的输入端，所述微处理器的输出端分别连接所述串口模块的输入端以及所述蓝牙模块的输入端。

其中，诱导局部冷刺激模块用于实现局部冷刺激，温控模块用于实现温度检测和控制，过冷保护模块用于实现温度异常处理，信号采集模块用于采集PPG信号，按键模块以及显示模块用于交互，微处理器用于处理数据以及调节温度，串口模块以及蓝牙模块用于连接电脑或者手机，电源模块用于给各个模块供电，存储模块用于各个测试样本采集到的温度数据的存储，可以实现温度数据离线显示和作为血管功能检测的数据来源。

进一步作为优选的实施方式，所述诱导局部冷刺激模块由半导体制冷片、温度传感器以及网口接线端子组成；其中，所述半导体制冷片的输出端连接所述温度传感器的输入端，所述温度传感器的输出端连接所述网口接线端子的输入端。

其中，测试时使用网口连接设备，通上电源后，使用环形半导体制冷片贴合皮肤，温度传感器实时采集皮表为变化温度，微处理器依据当前接收的温度数据和拟设定的温度值的误差、误差率使用模糊PID算法改变PWM占空比进行反馈调节，能够使得制冷片在一定的温度范围内得到精确控制，实现局部皮表冷刺激效果。

进一步作为优选的实施方式，所述过冷保护模块由NTC感温头、晶体管电路以及ADC采集电路组成；其中，所述NTC感温头的输出端连接所述ADC采集电路的输入端，所述ADC采集电路的输出端连接所述晶体管电路的输入端。

其中，当NTC感温头探测温度异常后，ADC采集电路采集的电压达到异常值，此时控制晶体管电路断开制冷片，同时伴有红色指示灯快速闪烁和声音报警功能。

进一步作为优选的实施方式，所述按键模块以及显示模块由按键以及液晶显示器组成，其中，所述液晶显示器为TFT-LCD液晶显示器。

其中，设备上的按键有三个，包括有两个功能按键和一个复位按键；当功能按键按下时，显示界面会提示功能按键按下，并执行相应的功能，如左功能按键实现切换到实时PPG信号波形显示界面；其中实时PPG信号波形界面上能够显示当前血管功能测试阶段信息、刻度坐标网格以及动态的实时PPG信号波形曲线；右功能按键实现切换到设备的信息主界面，同时该按键具有长短按功能，短按实现界面切换，长按开启设备的低功耗模式；其中信息主界面包括有“血管功能测试仪”红色，24号宋体字样；接下来每行左侧依次有：“状态：”，“功率：”，“信号：”白色，24号宋体字样，每行的右侧通过与上位机通信确定该设备是否在测试运行，如果正在血管功能测试中，此时“状态：”这一行的右侧显示“测试进行”白色，24号宋体字样，另外“功率：”和“信号：”这两行的右侧依次显示当前设备的功率和PPG信号值；整个屏幕以黑色为背景，界面清晰简洁；当按下复位键的时候，此时设备会显示彩色的Logo图片，显示设备的信息，之后会进入测试界面。

进一步作为优选的实施方式，所述信号采集模块由光电容积脉搏传感器、前置模拟放大滤波电路以及模数转换电路组成；其中，所述光电容积脉搏传感器的输出端连接所述前置模拟放大滤波电路的输入端，所述前置模拟放大滤波电路的输出端连接所述模数转换电路的输入端。

其中，光电容积脉搏传感器中805nm波长的红外入射光消除了血液中吸光物质如血红蛋白的影响，使得透射光的改变仅与血管容积变化有关；使用0.5～10Hz低通滤波器滤除采集信号携带的噪声，使用放大电路对采集的信号进行模拟放大，接着通过模数转换电路得到数字信号后使用SPI通信接口传输到微处理器上。

进一步作为优选的实施方式，所述电源模块由电源适配器、干电池、DC-CD芯片以及PMOS管电路组成；其中，所述电源适配器的输出端连接所述DC-CD芯片的输入端，所述电源适配器的输出端以及所述干电池的输出端连接所述PMOS管电路的输入端。

其中，电源模块包括有外接12V 1A电源适配器和两节4.2V的干电池；由电源适配器供电的12V输入，经过DC-DC芯片转换为5V电源和7V电源输出，5V电源经过3V3稳压芯片输出电源3.3V；其中，5V电源主要是给显示屏、蓝牙以及温度传感器供电；7V电源主要是给制冷片供电，3.3V是给微处理器供电；由4.2V干电池供电的4.2V输入，使用升压芯片对电池的4.2输出升压为5V和7V电源；同时使用电池充电芯片和双侧灯电路对电池进行充电，充电是否完成可以由双侧灯的颜色变换获知；另外，使用PMOS管电路实现当系统仅为干电池供电时，此时PMOS管导通给系统负载输送电源，当连接上电源适配器时，此时PMOS管栅极G端和源极S端不为负电压，所以PMOS截至，此时PMOS提供的电源经过肖特基管输送给负载提供电源，而电池电源由于PMOS管截至不能带动后面的负载，实现了双电源供电的切换功能。

进一步作为优选的实施方式，所述串口模块包含有USB转串口芯片组成的第一电路，所述第一电路的RXD端与微处理器的第一串口的USART1_TXD端相连接，所述第一电路的TXD端与所述微处理器的第一串口的USART1_RXD端相连接。

其中，串口模块包含有USB转串口芯片组成的电路，该电路输出的具有TTL电平的RXD和TXD端分别与微处理器的串口1的USART1_TXD和USART1_RXD连接，实现电脑与设备之间连上USB后能够进行串口通信。

进一步作为优选的实施方式，所述蓝牙模块包含有USB转串口芯片组成的第二电路，所述第二电路的RXD端与微处理器的第二串口的USART2_TXD端相连接，所述第二电路的TXD端与所述微处理器的第二串口的USART2_RXD端相连接。

其中，使用主从一体的高性能蓝牙模块，波特率支持范围可达1382400，蓝牙模块的RXD和TXD分别与微处理器的串口2的USART2_TXD和USART2_RXD连接，当手机开启蓝牙并连接上该设备的蓝牙时，此时设备会发出提示的声音同时状态栏会显示蓝牙图标；此时手机APP端会实时接收到设备采集的温度数据并进行数据算法分析，对血管功能做评估测试；此外，手机APP端将当前的血管功能测试各个阶段发送到设备上，包括有“恒功率冷刺激阶段”和“功率为0的恢复阶段”。

进一步作为优选的实施方式，还包括声光指示模块，其中，所述声光指示模块含有声音提示电路以及指示灯提示电路。

其中，声光指示模块是指含有声音、指示灯提示电路，分别有：当温度达到异常值时，此时声音报警，指示灯快闪；当设备探测当前的血管功能测试阶段，每进入一个新的阶段，此时声音提示，指示灯慢闪；当按键动作或者是蓝牙连接时会产生提示音；当长按按钮进入设备的待机模式时，此时指示灯快闪。

参照图2，图2为本实用新型的具体操作流程图，开启设备电源，使用USB数据线连接电脑和设备，使用蓝牙连接手机APP和设备；使用环形半导体制冷片贴合指端皮肤处，使用光电容积脉搏传感器持续采集指端脉搏波信号，按下设备的测试按钮开始血管功能评估测试；设备测试开始启动诱导局部冷刺激模块以及温控模块，微处理器依据采集的实时的温度数据，调节半导体制冷片的输入功率占空比，使得半导体制冷片的制冷温度输出达到设定的目标值，实现局部冷刺激功能；过冷保护模块感温头监测温度，伴有声光报警提示功能；当功能按键选择开始测试，805nm红外脉搏波传感器采集PGG信号，设备存储PPG信号到TF卡中，同时上传存储到PC端的本地文件和APP端的数据库中；将采集到的样本信号导入到微处理器中，计算血管功能评估指数，依据血管功能评估指数输出各频段信号参与血管调节的测试评估功能。

参照图3和图4，图3是本实用新型的无创血管功能评估装置本体的正面结构示意图，图中3-1代表设备正面的整体结构；3-2代表设备的状态栏，包括串口通信、蓝牙通信的状态显示以及设备电量的显示；3-3代表网络端口，主要用于连接诱导局部冷刺激模块和温控模块；3-4代表网络水晶头和数据线；3-5代表指夹套，内置半导体制冷片、红外脉搏传感器、温度传感器等电路；3-6代表右功能按键；3-7代表左功能按键；3-8代表设备电源键；3-9代表设备实时状态信息；3-10代表采集的实时PPG信号显示波形图；3-11代表指示灯；3-12代表声音提示器。

图4是本实用新型的无创血管功能评估装置本体的背面结构示意图，图中4-1代表设备背面的整体结构图；4-2代表串口通信micro-USB端口；4-3代表电池充电的Type-C USB端口；4-4代表电源适配器的接入端子；4-5代表电池盒盖；4-6代表接入诱导局部冷刺激模块及温控模块的网络接口。

综上所述，相较于现有技术，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型利用半导体制冷片进行冷刺激诱导反应性充血方法，降低了测试过程中的创伤风险以及测试过程中的不适感，适用于普遍人群。

2、本实用新型利用指尖微循环，采用指尖局部冷刺激的方法，只是引起末梢血管产生反应性充血，不会引入上游大血管的干扰，使得评估结果更准确。

3、本实用新型使用一种新型的具有自适应性的时频分析方法—希尔伯特黄变换对采集的PPG信号进行时频分析，分别提取包括内皮、神经、肌源等多个频段的调节，其中内皮调节阶段包括非NO参与调节和NO参与调节；接着对各频段波动子信号提取包络，提取生理指标，进行了有效地量化评价，实现了对血管功能测试的准确评估。

4、基于本实用新型的设备集局部冷刺激产生与温度调控、按键输入、屏幕显示、无线传输、文件存储等齐全功能，使得测试过程中人机交互友好，工作稳定，数据不丢失，同时降低了设备成本以及操作程度。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种无创血管功能评估装置，其特征在于：包括机体，所述机体内设有诱导局部冷刺激模块、温控模块、过冷保护模块、信号采集模块、按键模块、显示模块、微处理器、电源模块、存储模块、串口模块以及蓝牙模块；其中，所述诱导局部冷刺激模块的输出端、所述温控模块的输出端、所述过冷保护模块的输出端以及所述信号采集模块的输出端均连接所述微处理器的输入端，所述按键模块的输出端连接所述微处理器的输入端，所述微处理器的输出端连接所述显示模块的输入端，所述微处理器的输出端分别连接所述串口模块的输入端以及所述蓝牙模块的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种无创血管功能评估装置，其特征在于：所述诱导局部冷刺激模块由半导体制冷片、温度传感器以及网口接线端子组成；其中，所述半导体制冷片的输出端连接所述温度传感器的输入端，所述温度传感器的输出端连接所述网口接线端子的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种无创血管功能评估装置，其特征在于：所述过冷保护模块由NTC感温头、晶体管电路以及ADC采集电路组成；其中，所述NTC感温头的输出端连接所述ADC采集电路的输入端，所述ADC采集电路的输出端连接所述晶体管电路的输入端。

4.根据权利要求1所述的一种无创血管功能评估装置，其特征在于：所述按键模块以及显示模块由按键以及液晶显示器组成，其中，所述液晶显示器为TFT-LCD液晶显示器。

5.根据权利要求1所述的一种无创血管功能评估装置，其特征在于：所述信号采集模块由光电容积脉搏传感器、前置模拟放大滤波电路以及模数转换电路组成；其中，所述光电容积脉搏传感器的输出端连接所述前置模拟放大滤波电路的输入端，所述前置模拟放大滤波电路的输出端连接所述模数转换电路的输入端。

6.根据权利要求1所述的一种无创血管功能评估装置，其特征在于：所述电源模块由电源适配器、干电池、DC-CD芯片以及PMOS管电路组成；其中，所述电源适配器的输出端连接所述DC-CD芯片的输入端，所述电源适配器的输出端以及所述干电池的输出端连接所述PMOS管电路的输入端。

7.根据权利要求1所述的一种无创血管功能评估装置，其特征在于：所述串口模块包含有USB转串口芯片组成的第一电路，所述第一电路的RXD端与所述微处理器的第一串口的USART1_TXD端相连接，所述第一电路的TXD端与所述微处理器的第一串口的USART1_RXD端相连接。

8.根据权利要求1所述的一种无创血管功能评估装置，其特征在于：所述蓝牙模块包含有USB转串口芯片组成的第二电路，所述第二电路的RXD端与所述微处理器的第二串口的USART2_TXD端相连接，所述第二电路的TXD端与所述微处理器的第二串口的USART2_RXD端相连接。

9.根据权利要求1所述的一种无创血管功能评估装置，其特征在于：还包括声光指示模块，其中，所述声光指示模块含有声音提示电路以及指示灯提示电路。

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