一種無創中心動脈血壓測量方法和設備的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種無創人體中心動脈血壓測量方法和設備。無創人體中心動脈血壓測量方法包括：基于粘性流體力學的人體動脈血管網絡模型，由測量出的橈動脈和肱動脈的脈搏波信號和手臂血壓值計算被測者動脈血管網絡模型個性化參數的方法，計算升主動脈-橈動脈傳遞函數的方法，從測出的橈動脈血壓波形計算出中心動脈血壓波形的方法。無創人體中心動脈血壓連續測量設備由一脈搏波信號處理和分析單元和一戴在手腕上的橈動脈和肱動脈脈搏波信號采集單元組成。與現有的通用傳遞函數法不同，本發明對每個被測者，測量和計算其動脈血管網絡模型參數，這些參數，和計算出的中心動脈血壓波形一起，是被測者心血管系統狀態的數字特征，對于心血管病，特別是高血壓、冠心病等高危疾病的防治和控制具有重要意義。
【專利說明】一種無創中心動脈血壓測量方法和設備
【技術領域】
[0001]本發明屬于醫學檢測【技術領域】，特別是涉及一種無創中心動脈血壓波形測量系統。
【背景技術】
[0002]中心動脈壓(Central aortic pressure)指升主動脈根部血壓。2006年，歐洲最大規模高血壓研究ASCOT的亞組研究CAFE (Conduit Artery Function Evaluation)的研究結果顯示，中心動脈壓和中心脈壓比外周肱動脈血壓更能反映心臟負荷，與心血管事件的發生更加密切相關。近年，中心動脈壓得到了醫療界越來越多的重視，歐洲高血壓協會和歐洲心臟病協會聯合發布的高血壓管理指導手冊已經將中心動脈壓作為血壓管理的單獨指標。
[0003]準確的中心動脈血壓估計是心血管領域的關鍵技術。現有獲取中心動脈血壓的方法分為有創方式和無創方式兩大類。有創方法是指采用導管介入法直接獲取中心動脈血壓。該方法主要用于急救領域、心血管外科和重癥監護病房等領域，具有準確直觀的優點；但該方法具有創傷性，且需要專業人員進行操作，不易大范圍應用。人體中心動脈血壓不能無創測量，無創方法主要通過對橈動脈血壓波形等生理信號的分析，估計得到中心動脈血壓。
[0004]由O’ Rourke撰寫的美國專利5，265，011提出了一種通用傳遞函數(GTF)法，通過對大樣本數據的分析，估計得到中心動脈壓-橈動脈壓的通用傳遞函數，從測量到的橈動脈血壓,利用GTF估計 得到被試者的中心動脈血壓。該方法已經被澳大利亞AtCor Medical公司的產品SphygmoCor采用。O’ Rourke還有一系列類似技術，包括美國專利7，628，758等。新加坡HealthSTATS提出了多點移動平均(N-Point Moving Average)法,對人體燒動脈血壓波形進行N點移動平均處理(N為采樣率的四分之一)后得到人體中心動脈血壓波形。
[0005]上述方法雖然得到了大量臨床試驗的驗證，但存在以下問題:(I)通用傳遞函數法和多點移動平均法都來自臨床經驗，沒有理論支撐。(2)這兩種方法均為通用方法，其假設前提是，每個人，不管年齡、性別、身體狀況如何，他們的中心動脈壓-橈動脈壓的傳遞函數都是一樣的。這種假設忽略了一個事實，表征疾病的血管個性化參數一定會反應在傳遞函數上，不同患者的心血管特性有著很大的不同(如血管順應性，血流阻力等)，這必然影響結果的準確性，同時也丟掉了診斷的重要信息。我們認為，每個人的中心動脈壓-橈動脈壓的傳遞函數都是不一樣的，傳遞函數的參數本身，也是人們的心血管系統的數字特征，是心血管病診斷的重要信息。
[0006]我國有2億多高血壓病人，高血壓病的預防、診斷、治療和控制的關鍵技術的連續血壓測量和中心動脈壓的測量和分析。因此，本發明“無創中心動脈血壓測量方法和設備”具有重要意義。
[0007]
【發明內容】

[0008]有別于現有技術，本發明是個性化的無創中心動脈血壓測量方法和設備，其技術方按包括:
本發明中的設備有一個可戴在手腕上的脈搏波信號采集單元，包括測量橈動脈和肱動脈的傳感器、控制器和手腕附著和緊固裝置，采集被測者的繞動脈、肱動脈脈搏波信號，放大和數字化所測得的信號。
[0009]本發明的理論基礎是人體動脈血管網絡模型，該可計算模型從動脈血管的理想彈性微元開始，建立流體力學控制方程組、大中動脈血管模型和等效電路、小微動脈血管模型和等效電路，從而獲得人體動脈血管網絡模型。
[0010]本發明的設備中還有一個運行在便攜式計算設備上的信號處理和分析單元，實時同步控制脈搏波信號采集單元，實現同步采集和處理橈動脈和肱動脈脈搏波信號，由橈動脈和肱動脈脈搏波計算被測者橈動脈血管參數、中心動脈到橈動脈的傳遞函數、由橈動脈血壓波形和傳遞函數計算中心動脈血壓波型，為醫生和使用者提供動脈血管參數和中心動脈血壓波型的分析工具，生成檢測報告，打印報告，或將檢測結果和報告上傳到服務器。
[0011]根據本發明的實施例，脈搏波信號采集單元是一微型嵌入式硬件和軟件系統，包括測量橈動脈和肱動脈脈搏波的傳感器、前置放大器、模數轉換和控制器，其中橈動脈傳感器由一附著裝置保證傳感器與橈動脈外表穩定接觸，保證測量肱動脈脈搏波時，橈動脈脈搏波傳感器輸出脈搏波信號的質量，所測脈搏波信號經前置放大器放大并轉換為數字信號，送往信號處理和分析單元。
[0012]根據本發明的實施例，脈搏波傳感器采用壓力傳感器、光學傳感器或電磁傳感器，橈脈搏波傳感器的附著裝置采用類似手表的結構，肱動脈傳感器嵌入易于手工操作的探頭中，脈搏波傳感器采用單個傳感器電極或傳感器電極陣列。
[0013]根據本發明的實施例，建立了可計算的人體動脈血管網絡模型，包括:推導出了理想彈性動脈血管微元的粘性流體力學控制方程組、人體主要大中動脈血管和小微血管的粘性流體力學控制方程組和等效電路，建立了可計算的人體全身動脈血管網絡模型。
[0014]根據本發明的實施例，信號處理和分析單元，它運行在便攜式計算設備上，以有線或無線方式與脈搏波信號采集單元連接，實時同步控制橈動脈和肱動脈脈搏波信號的采集和處理，并進一步包括脈搏波信號處理和分析模塊、動脈網絡模型計算模塊和測量和分析報告模塊。
[0015]根據本發明的實施例，脈搏波信號處理和分析模塊接收來自脈搏波采集控制器的橈動脈和肱動脈脈搏波波形信號，并對這些波形信號進行評估，輸出評估結果，以便操作者調整傳感器放置位置和方式，直到采集到合格的脈搏波信號為止。脈搏波信號處理和分析模塊也進一步處理所采集到的脈搏波信號序列，從中選取一定數目的橈動脈和肱動脈脈搏波信號對，并將每對脈搏波信號的數據送到動脈血管模型計算模塊。
[0016]根據本發明的實施例，動脈血管模型計算模塊使用被測者肱動脈和橈動脈脈搏波信號數據和所測手臂血壓值，使用最小二乘法，求取被測者橈動脈血管參數:血流阻力、血液流動慣量和血管 順應性。
[0017]根據本發明的實施例，跟據人體動脈血管模型和被測者的橈動脈血管參數，得到個性化動脈血管網絡模型，計算出相應的升主動脈-橈動脈傳遞函數，并由被測者橈動脈脈搏波、測得的手臂血壓和傳遞函數計算其中心動脈血壓波形。
[0018]根據本發明的實施例，測量和分析報告模塊為醫生和使用者提供被測者的中心動脈血壓波形、動脈血管參數、升主動脈-橈動脈傳遞函數，以及分析、顯示工具，中心動脈血壓和動脈血管參數分析和診斷案例庫和分析對照工具，檢測報告生成和打印工具，數據和報告上傳和存檔工具。
[0019]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1、無創中心動脈血壓測量方法和設備的系統方框圖
圖2、無創中心動脈血壓測量方法和設備的系統構成和佩戴方式示意圖 圖3、人體彈性動脈血管微元 圖4、由彈性動脈血管微元級聯而成大中動脈血管Ω 圖5、人體大中動脈血管O的等效電路模型 圖6、人體小微動脈血管的等效電路模型 圖7、人體動脈血管網絡
圖8、人體動脈血管網絡等效電路(圖中鳥為公式中的Λ廣)
圖9、左橈動脈血管等效電路
圖10、左圖為用侵入式方法，將血壓計插入動脈血管測得的橈動脈血壓波形，右圖中實線是侵入式方法測得的中 心動脈血壓波形，虛線是由橈動脈血壓波形推導出的中心動脈血壓波形，與實測波形有高度相似性。
[0021]圖11、侵入式測量的中心動脈血壓與由橈動脈血壓波形推導出的血壓的相關性【具體實施方式】
[0022]下面將結合附圖對本發明加以詳細說明，應指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0023]如圖1本發明無創中心動脈血壓測量方法和設備的系統方框圖所示，其系統構成和佩戴方式示意圖如圖2。本發明是一種基于微型傳感器的嵌入式系統硬件和軟件，以及基于粘性流體力學的可計算的人體動脈血管網絡模型基礎。整個中心動脈血壓測量設備由脈搏波采集單元100和處理和分析單元200組成。中心動脈血壓連續測量設備100由微型信號處理和分析單元101、脈搏波采集單元110和心電采集單元120組成。中心動脈血壓測量設備的基礎是可計算人體動脈血管網絡模型300。
[0024]人體動脈網絡模型有多種，一類簡化模型不具備嚴謹的理論推導，另一類著重血液在血管中流動中復雜物理現象的理論分析和模擬，嚴謹但在實際應用中沒有“可計算”性。本發明的基于粘性流體力學的可計算的人體動脈血管網絡模型既有嚴謹的粘性流體力學基礎，又具有可計算性。
[0025]脈搏波采集單元100由橈動脈、肱動脈脈搏波傳感器101、102和脈搏波采集控制器110組成。為保證信號采集的穩定性，橈動脈脈搏波傳感器由一附著裝置緊固在手腕上。肱動脈傳感器則由操作員手動測量脈搏波形。在測量脈搏波信號的同時，也測量橈動脈脈搏波傳感器101和肱動脈脈搏波傳感器102之間的距離。脈搏波采集控制器110至于橈動脈脈搏波傳感器附著裝置之上，它包括控制器、前置放大器、電源調節芯片，藍牙模塊或其它無線或有線傳輸模塊。脈搏波采集單元100通過橈動脈脈搏波傳感器101和肱動脈脈搏波傳感器102采集脈搏波信號，經放大和數字化后送到信號處理和分析單元200。
[0026] 脈搏波傳感器可以選擇各種材料的壓力傳感器，包括形變、壓敏電阻、聚偏二氟乙烯等，也可以采用基于光學和電磁學的傳感器。由于橈動脈的最佳測量位置范圍較小，為了減小傳感器位置的微小移動所帶來的測量誤差，也可以采用傳感器陣列。
[0027]處理和分析單元200包括脈搏波波形處理和分析201，動脈網絡模型計算202，和測量和分析報告203三個模塊。脈搏波波形處理和分析201接收來自脈搏波采集控制器110的橈動脈和肱動脈脈搏波波形信號，并對這些波形信號進行評估，以免因傳感器放置不當或其它原因引起信號失真，影響測量結果。選取數組橈動脈和肱動脈脈搏波信號，進行處理和分析。動脈網絡模型計算202根據脈搏波對分析結果，計算被測者的動脈網絡參數。并進一步算橈動脈到中心動脈的傳遞函數，和中心動脈血壓波形。測量和分析報告203根據被測者的動脈網絡參數、傳遞函數和中心動脈血壓模型，結合被測者的年齡、性別和其它指標，給出綜合評估，生成報告。打印或將有關數據和結果上傳到指定的服務器。
[0028]人體動脈血管網絡模型300是整個無創中心動脈血壓測量設備的方法論基礎。本發明使用粘性流體力學理論，分三步建立了一個嚴謹的可計算人體動脈血管網絡模型:首先推導出了理想彈性動脈血管微元的粘性流體力學控制方程組，然后，根據人體動脈長度遠小于脈搏波波長的事實，獲得了人體主要大中動脈血管和小微血管的粘性流體力學控制方程組和等效電路，最后建立了可計算的人體全身動脈血管網絡模型。
[0029]下面詳細介紹本發明的實施例:
一、脈搏波的采集、處理和分析
本發明同步采集橈動脈和肱動脈脈搏波波形信號。采用的是壓力傳感器。壓力傳感器必須直接置于動脈之上，才能取得好的測量效果。為了獲得好的同步測量結果，先固定好橈動脈傳感器101，然后放置肱動脈傳感器102。脈搏波采集控制器110同步采集這兩個脈搏波信號，經放大和轉換為數字信號后，送往脈搏波處理和分析201。該模塊評估脈搏波采集質量。在固定橈動脈傳感器時，如果采集的脈搏波信號符合預期，系統將給出滿意信息，以便操作者固定橈動脈傳感器。
[0030]在兩個傳感器同時操作時，如果采集的兩種脈搏波信號對序列符合預期，將脈搏波處理和分析201存儲一定數目的橈動脈和肱動脈脈搏波對，并給出“信號采集滿意結束”的信息。隨后，脈搏波處理和分析201轉入脈搏波信號分析，從存儲的信號對序列中找出數個(記為η個)完整的橈動脈和肱動脈脈搏波信號對，將每對橈動脈和肱動脈脈搏波波形信號，送往動脈網絡模型計算模塊202。
[0031]以一定的采樣率采樣這兩種脈搏波，記一個周期的樣點數為m，將此兩個脈搏波的數據樣點送往動脈網絡模型計算模塊202，計算出被測者橈動脈血管參數。最后的結果將取η個脈搏波對的數據處理結果的重心值。
[0032]二、人體動脈網絡模型300
本發明提出了一種基于動脈血管網絡模型的由上肢動脈血壓波形估計人體中心動脈血壓波形的方法(Model-based Central Aortic Pressure, MCAP,簡稱“模型法”)。該方法從理想彈性血管微元的粘性流體力學控制方程組出發，建立人體動脈血管模型，進而獲得人體全身動脈血管網絡模型；通過對不同被試者肱動脈和橈動脈血壓波形信號的分析，估計出血管網絡模型參數，得到個性化動脈血管網絡模型，并計算出相應被試者的升主動脈-橈動脈傳遞函數，最后由橈動脈血壓波形計算出中心動脈血壓波形。與現有GTF和N-Point方法的對比實驗表明，模型法在精度和個性化方面具有明顯的優勢。
[0033]動脈血管的血液粘性流體力學基本參數有:
血管順應性，又稱為血管彈性，指血管壁的緩沖能力。
[0034]由于外周阻力的存在以及主動脈和大動脈管壁具有較大的順應性，心室收縮時，主動脈和大動脈彈性擴張，主動脈壓升高的速度和和幅度得到緩沖而達到適中水平；心室舒張時，被擴張的主動脈和大動脈彈性回縮，將心縮期儲存的那部分勢能釋放出來，并將血液繼續推向外周，使主動脈壓在心舒期仍能維持較高水平。
[0035]血管順應性定義為容積改變量rfF與相應壓力改變量rfP的比值，單位為:
【權利要求】
1.一種無創中心動脈血壓測量方法和設備，包括: 可戴在手腕上的脈搏波信號采集單元，包括測量橈動脈和肱動脈的傳感器、控制器和手腕附著和緊固裝置，采集被測者的繞動脈、肱動脈脈搏波信號，放大和數字化所測得的信號; 人體動脈血管網絡模型，該可計算模型從動脈血管的理想彈性微元開始，建立流體力學控制方程組、大中動脈血管模型和等效電路、小微動脈血管模型和等效電路，從而獲得人體動脈血管網絡模型 ，奠定了本發明的方法論基礎； 運行在便攜式計算設備上的信號處理和分析單元，實時同步控制脈搏波信號采集單元，實現同步采集和處理橈動脈和肱動脈脈搏波信號，由橈動脈和肱動脈脈搏波計算被測者橈動脈血管參數、中心動脈到橈動脈的傳遞函數、由橈動脈血壓波形和傳遞函數計算中心動脈血壓波型，為醫生和使用者提供動脈血管參數和中心動脈血壓波型的分析工具，生成檢測報告，打印報告，或將檢測結果和報告上傳到服務器。
2.根據權利要求1所述的無創中心動脈血壓測量方法和設備，其特征在于:脈搏波信號采集單元是一微型嵌入式硬件和軟件系統，包括測量橈動脈和肱動脈脈搏波的傳感器、前置放大器、模數轉換和控制器，其中橈動脈傳感器由一附著裝置保證傳感器與橈動脈外表穩定接觸，保證測量肱動脈脈搏波時，橈動脈脈搏波傳感器輸出脈搏波信號的質量，所測脈搏波信號經前置放大器放大并轉換為數字信號，送往信號處理和分析單元。
3.根據權利要求1所述的無創中心動脈血壓測量方法和設備，其特征在于:脈搏波傳感器采用壓力傳感器、光學傳感器或電磁傳感器，橈脈搏波傳感器的附著裝置采用類似手表的結構，肱動脈傳感器嵌入易于手工操作的探頭中，脈搏波傳感器采用單個傳感器極或傳感器極陣列。
4.根據權利要求1所述的無創中心動脈血壓測量方法和設備，其特征在于:建立了可計算的人體動脈血管網絡模型，包括:推導出了理想彈性動脈血管微元的粘性流體力學控制方程組、人體主要大中動脈血管和小微血管的粘性流體力學控制方程組和等效電路，建立了可計算的人體全身動脈血管網絡模型。
5.根據權利要求1所述的無創中心動脈血壓測量方法和設備，其特征在于:信號處理和分析單元，它運行在便攜式計算設備上，以有線或無線方式與脈搏波信號采集單元連接，實時同步控制橈動脈和肱動脈脈搏波信號的采集和處理，并進一步包括脈搏波信號處理和分析模塊、動脈網絡模型計算模塊和測量和分析報告模塊。
6.根據權利要求5所述的無創中心動脈血壓測量方法和設備中的信號處理和分析單元，其特征在于:脈搏波信號處理和分析模塊接收來自脈搏波采集控制器的橈動脈和肱動脈脈搏波波形信號，并對這些波形信號進行評估，輸出評估結果，以便操作者調整傳感器放置位置和方式，直到采集到合格的脈搏波信號為止； 脈搏波信號處理和分析模塊也進一步處理所采集到的脈搏波信號序列，從中選取一定數目的橈動脈和肱動脈脈搏波信號對，并將每對脈搏波信號的數據送到動脈血管模型計算模塊。
7.根據權利要求5所述的無創中心動脈血壓測量方法和設備中的信號處理和分析單元，其特征在于:動脈血管模型計算模塊使用被測者肱動脈和橈動脈脈搏波信號數據和所測手臂血壓值，使用最小二乘法，求取被測者橈動脈血管參數:血流阻力、血液流動慣量和血管順應性。
8.根據權利要求5所述的無創中心動脈血壓測量方法和設備中的微型信號處理和分析單元，其特征在于:跟據人體動脈血管模型和被測者的橈動脈血管參數，得到個性化動脈血管網絡模型，計算出相應的升主動脈-橈動脈傳遞函數，并由被測者橈動脈脈搏波、測得的手臂血壓和傳遞函數計算其中心動脈血壓波形。
9.根據權利要求5所述的無創中心動脈血壓測量方法和設備中的微型信號處理和分析單元，其特征在于:測量和分析報告模塊為醫生和使用者提供被測者的中心動脈血壓波形、動脈血管參數、升主動脈-橈動脈傳遞函數，以及分析、顯示工具，中心動脈血壓和動脈血管參數分析和診斷案例庫和 分析對照工具，檢測報告生成和打印工具，數據和報告上傳和存檔工具。
【文檔編號】A61B5/0225GK103892818SQ201210584475
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月28日 優先權日:2012年12月28日
【發明者】吳健康, 蔣升, 冀連營 申請人:吳健康