專利名稱：一種人體動脈順應性的檢測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測人體動脈血管順應性的方法及裝置，特別是利用無創的自動化檢測手段來測量人體動脈順應性C(p)＝ae-bp的方法及裝置。

背景技術：
目前，能夠反映動脈彈性的檢測指標主要有脈搏傳播速度(Pulse Wave Velocity，PWV)、增強指數(Augment Index，AI)和動脈的順應性(Compliance)等。其中順應性是最直接反映動脈彈性、生理意義最明確的一個指標，因此受到人們的廣泛關注。根據生理學的定義，動脈的順應性是指動脈容積對動脈血壓的導數，即 其中C表示動脈的順應性，V和p分別表示動脈的容積和血壓。1967年，Goldwyn和Watt基于彈性腔理論對外周動脈的壓力波形進行了分析研究，測得了人體全身動脈的常量形式的順應性。20世紀90年代以后，Jay N.Cohn等人在前人的基礎上作了進一步的改進，應用雙彈性腔模型來分析動脈的壓力波形，得到兩個順應性參數C1和C2，并認為這兩個常數能夠分別反映大小動脈的順應性。無論是Goldwyn和Watt還是Jay N.Cohn，雖然他們分別采用了不同的分析模型，但有一點是相同的，那就是他們的研究所得出的動脈順應性都是常量形式的。然而事實上，人體動脈的順應性并非常量。因為人體動脈的容積-壓力關系并非一條直線而是一條曲線。也就是說，當動脈血壓增加時，動脈的容積并不是隨血壓線性增加的。通過實驗研究，人們認識到人體動脈的容積-壓力關系可以近似的表示為一個指數關系 其中，V表示動脈的容積，p表示血壓，

為三個常系數。將(2)式代入(1)式并經整理可以得到 C(p)＝ae-bp (3) 其中，a、b分別為待定系數。
由(3)式所定義的順應性C(p)本質上是一個動脈順應性C和血壓p的函數關系，它與常數形式的順應性相比，能夠更客觀地反應動脈的彈性功能。由于(3)式所定義的順應性C(p)與常數形式的順應性有本質的區別，有學者也稱C(p)為“非線性順應性”。本發明正是提出了一種無創檢測(3)式所定義的動脈順應性C(p)的方法和裝置。


發明內容
本發明的目的在于提供一種利用無創無損的自動化檢測手段來測算人體動脈順應性C(p)＝ae-bp的方法及裝置。
為實現上述技術目的，需要采取以下技術措施 一種人體動脈順應性的檢測方法，其內容包括 ①將人體的性別、年齡、身高、體重信息輸入到主機并保存，將氣袖綁縛在人體上臂，由主機控制血壓測量單元測量并計算人體的收縮壓SBP、平均壓MAP、舒張壓DBP并保存； ②用三維定位鎖定裝置將壓力傳感器定位在腕部橈骨莖突處的橈動脈處，鎖定壓力傳感器后，采集該處橈動脈的脈搏波Pr(t)； ③從采集的脈搏波Pr(t)中找出其每個心動周期的峰值SBPri、平均值MAPri和谷值DBPri，其中i＝1，2，…，N，N表示脈搏波Pr(t)的周期個數，再分別求均值得到SBPr、MAPr和DBPr； ④從SBP和SBPr、MAP和MAPr以及DBP和DBPr這三對數據中選擇兩對代入關系式P(t)＝k·Pr(t)+l得到一個方程組，解此方程組求得k、l，將Pr(t)以及求得的k、l代入關系式P(t)＝k·Pr(t)+l得到波形P(t)； ⑤將上述波形P(t)分割成N個單周期波形，再對每一個單周期波形進行特征點辨識，得到其舒張期波形Pvi(t)，其中i＝1，2，…，N； ⑥求ai、bi的值，使得誤差函數或者最小，其中ti1、ti2分別表示舒張期波形Pvi(t)的起始時刻和結束時刻； ⑦利用上述方法求得所有心動周期的ai和bi的值，然后分別求均值得到a和b，則人體的順應性為C(p)＝ae-bp。
一種人體動脈順應性的檢測裝置，該裝置包括主機、血壓測量單元、三維定位鎖定裝置、壓力傳感器、A/D轉換電路、輸入器件、顯示器件，血壓測量單元由氣袖、氣體壓力傳感器、氣泵、A/D轉換電路、氣路轉換裝置構成；壓力傳感器安裝在三維定位鎖定裝置上，通過A/D轉換電路與主機相連接；血壓測量單元的氣袖通過氣路轉換裝置與氣泵相連接；氣體壓力傳感器通過氣路與氣袖連接；氣體壓力傳感器經A/D轉換電路直接與主機相連；主機通過電氣線路與氣泵和氣路轉換裝置連接。
本發明所述人體動脈順應性C(p)的檢測方法主要由三個過程組成(1)人體基本信息輸入；(2)數據采集過程；(3)數據分析和計算過程。第一個過程是將人體的性別、年齡、身高、體重信息通過輸入器件輸入到主機并保存，這些信息將在后續的動脈順應性C(p)的計算中使用。數據采集過程包括血壓測量和脈搏波采集兩個環節。測量、計算血壓的方法一般采用示波法原理。將氣袖綁縛在人體上臂，主機控制氣泵和氣路轉換裝置對氣袖充氣到一定壓力后緩慢放氣。氣體壓力傳感器感受到的氣袖內的壓力信號經過A/D轉換電路進入主機。主機通過分析采集到的氣袖內壓力信號計算出人體的收縮壓SBP、平均壓MAP、舒張壓DBP并保存以備后續計算使用。利用三維定位鎖定裝置將壓力傳感器定位在腕部橈骨莖突處的橈動脈，向下壓緊該處的橈動脈使其截面呈橢圓形。這樣可以使壓力傳感器能夠充分感受到橈動脈的脈搏波，但又不至于由于力量過大而使該處橈動脈閉塞。利用該三維定位鎖定裝置鎖定壓力傳感器使其在后續的脈搏波采集過程中不能任意移動。安放好壓力傳感器后，主機開始從壓力傳感器采集橈動脈的脈搏波信號。壓力傳感器的感受到的脈搏波信號經過A\D轉換電路轉換成數字信號后進入主機。主機可以是普通的PC機、單片機、單板機、片上系統或其他具有控制和計算功能的系統。主機連續采集N個心動周期的脈搏波，并保存下來，記作Pr(t)。N的具體取值根據情況而定。
數據采集過程結束后，進入數據分析和計算過程。此過程的第一步是分別找出脈搏波Pr(t)的每個心動周期的峰值SBPri、平均值MAPri和谷值DBPri，其中i＝1，2，…，N，N表示脈搏波Pr(t)的周期個數，再分別求平均得到SBPr、MAPr和DBPr。然后結合先前測量的人體的血壓值，從SBP和SBPr、MAP和MAPr以及DBP和DBPr這三對數據中選擇兩對代入關系式 P(t)＝k·Pr(t)+l(4) 可以得到一個方程組，解此方程組求得k、l。將Pr(t)以及求得的k、l代入(4)式得到波形P(t)。本發明以彈性腔理論為基礎，將人體全身動脈樹抽象為一個電容和一個電阻并聯的電路模型。彈性腔模型最早于18世紀由英格蘭著名生理學家Stephen Hales提出，經19世紀末、20世紀初Frank和其他德國學者的努力，彈性腔模型逐漸得到完善。彈性腔理論將人體動脈樹中主動脈和大動脈看作是一個彈性腔，對于某一個確定的時刻，認為彈性腔內的血壓處處相等。小動脈和微動脈主要是對血流起阻礙作用。據此，人體全身動脈的電路模型可以表示為一個電容和一個電阻的并聯，電容用來模擬主動脈和大動脈的順應性，電阻用來模擬小動脈和微動脈對血流的阻力，即總的外周阻力。根據電路原理，該模型舒張期的數學表達式為 其中Ccon表示電容，R表示電阻。本發明要計算的是(3)式所定義的順應性C(p)，因此將(5)式中的Ccon替換為C(p)可以得到 其中a、b為待求系數。將上述波形P(t)分割成N個單周期波形，再對每一個單周期波形進行特征點辨識，識別出每個心動周期的舒張期的起始點，則可得到各個心動周期的舒張期波形Pvi(t)，其中i＝1，2，…，N。將舒張期波形Pvi(t)代入(6)式并表示為一般形式，可得 對于第i個心動周期，正確的系數ai、bi應該使整個舒張期波形Pvi(t)最大限度的符合(7)式的約束。根據最優化方法的原理，利用(7)式的約束條件定義一個誤差函數其中積分上下限ti1、ti2分別表示第i個心動周期的舒張期波形Pvi(t)的起始時刻和結束時刻，人體的總外周阻力R可以通過已有知識計算得到。求第i個心動周期的ai、bi的值，使得誤差函數最小。求得所有N個心動周期的ai、bi的值后再分別求其均值得到a、b，則人體的順應性為C(p)＝ae-bp。另外，誤差函數還可以定義為 本發明所述的方法及裝置能夠通過無創的自動化檢測方法測量、計算出人體動脈的順應性C(p)。順應性C(p)能夠更好的反映動脈順應性隨血壓而變化的客觀事實，為評估動脈彈性提供更客觀的依據，并且對研究動脈硬化和血壓的關系以及高血壓對動脈功能的影響有極大的幫助。



圖1是本發明所述裝置的組成示意圖，該裝置包括主機1、壓力傳感器2、三維定位鎖定裝置3、血壓測量單元4、A/D轉換電路5a、輸入器件10以及顯示器件11，其中血壓測量單元4由氣體壓力傳感器6、氣袖7、氣路轉換裝置8、氣泵9和A/D轉換電路5b構成。
圖2是通過壓力傳感器采集到的橈動脈脈搏波的示意圖。
具體實施方案 將人體的基本信息通過輸入器件10輸入主機1并保存下來留作以后使用，這些基本信息應至少包括性別、年齡、身高、體重。然后由主機1和血壓測量單元4完成人體血壓的測量。其測量、計算血壓的方法一般采用示波法。將氣袖7綁縛于人體上臂，主機1控制氣路轉換裝置8使氣路導通，然后控制氣泵9給氣袖7充氣直到氣袖7內壓力達到一定數值，例如200mmHg，然后停止充氣。氣袖7內壓力是通過氣體壓力傳感器6感受并經過A\D轉換電路5b進入主機的。充氣結束后，主機1控制氣路轉換裝置8以2～4mmHg/s的速度給氣袖7慢放氣，采集氣體壓力傳感器6的信號并記錄。當氣袖7壓力降低到一定數值時，例如40mmHg，主機1控制氣路轉換裝置8給氣袖7快放氣，結束后從人體取下氣袖7。采集到的氣袖7慢放氣過程的波形可以根據示波法原理計算出人體的收縮壓SBP、平均壓MAP、舒張壓DBP。
用三維定位鎖定裝置3將壓力傳感器2定位在腕部橈骨莖突處的橈動脈處，并對該處橈動脈施加壓力使該處動脈截面呈橢圓形。利用該三維定位鎖定裝置3鎖定壓力傳感器2，使壓力傳感器2在后續的測量過程中不能做任何方向的移動。壓力傳感器2定位并鎖定后，主機1采集該處橈動脈的N＝20個心動周期的脈搏波Pr(t)并保存。如圖2所示，從脈搏波Pr(t)中找出的每個心動周期的峰值SBPri、平均值MAPri和谷值DBPri，其中i＝1，2，…，20，再分別求平均得到SBPr、MAPr和DBPr，即 各個心動周期的平均值MAPri通過下式計算 其中，Ti表示第i個心動周期的起始時刻。從SBP和SBPr、MAP和MAPr以及DBP和DBPr這三對數據中選擇兩對，例如選取SBP和SBPr以及DBP和DBPr，代入關系式P(t)＝k·Pr(t)+l得到一個方程組 解此方程組求得k、l。將Pr(t)以及求得的k、l代入關系式P(t)＝k·Pr(t)+l得到波形P(t)。
將波形P(t)分割成N＝20個單周期波形，對每個單周期波形進行特征點辨識，得到舒張期波形Pvi(t)，其中i＝1，2，…，20。求出波形P(t)的平均心動周期，進而求出平均心率HR。求出波形P(t)每個心動周期的射血時間，進而求出平均射血時間ET。由生理學知識可知，總的外周阻力可以由下式計算 其中CO表示心輸出量。而人體心輸出量CO可以根據Jay N.Cohn等人的經驗公式計算 其中BSA表示人體的體表面積，Age表示人體的年齡。根據人體的性別，利用下面兩式估算其體表面積BSA， 〖男性〗BSA＝0.00607H+0.0127W-0.0698(15) 〖女性〗BSA＝0.00586H+0.0126W-0.0461(16) 其中H表示人體的身高，W表示人體的體重。
根據最優化方法的原理，定義一個誤差函數其中積分上下限ti1、ti2分別表示舒張期波形Pvi(t)的起始時刻和結束時刻。對于每個心動周期，求ai、bi的值，使得誤差函數最小。求得所有N個心動周期的ai、bi的值后再分別求其均值得到a、b，則人體的順應性為C(p)＝ae-bp。
權利要求
1.一種人體動脈順應性的檢測方法，其特征在于
①將人體的性別、年齡、身高、體重信息輸入到主機并保存，將氣袖綁縛在人體上臂，由主機控制血壓測量單元測量并計算人體的收縮壓SBP、平均壓MAP、舒張壓DBP并保存；
②用三維定位鎖定裝置將壓力傳感器定位在腕部橈骨莖突處的橈動脈處，鎖定壓力傳感器后，采集該處橈動脈的脈搏波Pr(t)；
③從采集的脈搏波Pr(t)中找出其每個心動周期的峰值SBPri、平均值MAPri和谷值DBPri，其中i＝1，2，…，N，N表示脈搏波Pr(t)的周期個數，再分別求均值得到SBPr、MAPr和DBPr；
④從SBP和SBPr、MAP和MAPr以及DBP和DBPr這三對數據中選擇兩對代入關系式P(t)＝k·Pr(t)+l得到一個方程組，解此方程組求得k、l，將Pr(t)以及求得的k、l代入關系式P(t)＝k·Pr(t)+l得到波形P(t)；
⑤將上述波形P(t)分割成N個單周期波形，再對每一個單周期波形進行特征點辨識，得到其舒張期波形Pvi(t)，其中i＝1，2，…，N；
⑥求ai、bi的值，使得誤差函數或者最小，其中ti1、ti2分別表示舒張期波形Pvi(t)的起始時刻和結束時刻；
⑦利用上述方法求得所有心動周期的ai和bi的值，然后分別求均值得到a和b，則人體的順應性為C(p)＝ae-bp。
2.一種人體動脈順應性的檢測裝置，該裝置包括主機、血壓測量單元、三維定位鎖定裝置、壓力傳感器、A/D轉換電路、輸入器件、顯示器件，血壓測量單元由氣袖、氣體壓力傳感器、氣泵、A/D轉換電路、氣路轉換裝置構成，其特征在于壓力傳感器安裝在三維定位鎖定裝置上，通過A/D轉換電路與主機相連接；血壓測量單元的氣袖通過氣路轉換裝置與氣泵相連接；氣體壓力傳感器通過氣路與氣袖連接；氣體壓力傳感器經A/D轉換電路直接與主機相連；主機通過電氣線路與氣泵和氣路轉換裝置連接。
全文摘要
一種利用無創檢測手段測量人體全身動脈順應性C(p)＝ae-bp的方法和裝置，其方法為將人體基本信息輸入主機，測量人體血壓，使用三維定位鎖定裝置采集特定部位的橈動脈脈搏波，然后對采集到的脈搏波進行分析計算，使用最優化方法計算動脈順應性。本發明能夠采集并計算人體動脈的非線性順應性，為評估動脈彈性提供更客觀的依據。
文檔編號A61B5/02GK101224106SQ20081001422
公開日2008年7月23日 申請日期2008年2月1日 優先權日2008年2月1日
發明者劉常春, 欣 孫, 王曉東, 劉澄玉 申請人:山東大學