一種無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種無創(chuàng)人體動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備。無創(chuàng)人體中心動脈血壓連續(xù)測量方法包括：由采集的橈動脈和肱動脈脈搏波波形計算被測者動脈血管網(wǎng)絡(luò)模型個性化參數(shù)的方法，由橈動脈脈搏波速度和動脈血管網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算橈動脈血壓收縮壓、舒張壓和血壓波形的方法，計算升主動脈-橈動脈傳遞函數(shù)，并進(jìn)而計算中心動脈血壓的方法。無創(chuàng)人體中心動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備由信號處理和分析單元、戴在手腕上的脈搏波和運(yùn)動信號采集單元、以及戴在胸前的心電和運(yùn)動信號采集單元組成。本發(fā)明同時監(jiān)測心電、橈動脈血壓和中心動脈血壓壓、以及運(yùn)動和姿態(tài)，在各種運(yùn)動狀態(tài)下分析心率和心電形態(tài)參數(shù)，分析動脈網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)和血壓參數(shù)，特別是中心動脈壓波形參數(shù)，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】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種無創(chuàng)連續(xù)血壓測量和監(jiān)測系統(tǒng)。 一種無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備
【背景技術(shù)】
[0002] 血壓的連續(xù)測量是預(yù)防、診斷、治療和控制高血壓的需要。高血壓病是心血管疾病 重要的危險因素。但高血壓病患者常常直到發(fā)生祀器官損傷（Target Organ Damage, T0D) 時才有明顯臨床表現(xiàn)而引起注意。因此早期監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)高血壓，并在TOD前即開始治療，具 有十分重要的意義?，F(xiàn)在市面上傳統(tǒng)的24小時血壓監(jiān)測儀采用充氣法，使用程序定時測量 和記錄血壓。其缺點是精度低，干擾被測者，不能獲得連續(xù)測量。由新加坡健資國際申請的 中國專利CN1477942A是血壓的扁平測量法。它在橈動脈上加一壓力傳感器，將血管壓至扁 平時，令傳感器所受壓力等與血管內(nèi)壁壓力。其缺點是需要精準(zhǔn)的佩戴，長期壓力造成不舒 月艮。美國專利6413223發(fā)明了一種基于光體積描記器（PPG)測得的血液容積信號和血液動 力學(xué)的方法，然而沒有經(jīng)過臨床，也沒有實際應(yīng)用。美國專利5865755的發(fā)明，使用測得的 心電信號和PPG信號，計算脈搏波到達(dá)時間、PPG波形和心率，進(jìn)一步計算血壓。這種基于 脈搏波傳播速度的方法，只能得到一個平均血壓或收縮壓。而且，由心電信號和PPG信號來 計算血壓，其原理不清楚，測量精度得不到保障，因此，這一技術(shù)也沒有得到真正應(yīng)用。
[0003] 中心動脈壓（Central aortic pressure)指升主動脈根部血壓。近年，中心動脈 壓得到了醫(yī)療界越來越多的重視，歐洲高血壓協(xié)會和歐洲心臟病協(xié)會聯(lián)合發(fā)布的高血壓管 理指導(dǎo)手冊已經(jīng)將中心動脈壓作為血壓管理的單獨指標(biāo)。
[0004] 現(xiàn)有連續(xù)獲取中心動脈血壓的方法分僅為有創(chuàng)方式。它采用導(dǎo)管介入法直接用壓 力計測量血管內(nèi)部血壓。該方法主要用于急救領(lǐng)域、心血管外科和重癥監(jiān)護(hù)病房等領(lǐng)域。它 準(zhǔn)確、連續(xù)，同時具有創(chuàng)傷性，需要專業(yè)人員操作，不可能大范圍應(yīng)用。
[0005] 人體中心動脈血壓不能無創(chuàng)測量，無創(chuàng)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。美國專利5, 265, 011提出了一種通用傳遞函數(shù)（GTF) 法，通過對大樣本數(shù)據(jù)的分析，估計得到中心動脈壓-橈動脈壓的通用傳遞函數(shù)，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(jīng)被澳大利亞AtCor Medical公司的產(chǎn)品SphygmoCor采用。類似技術(shù)還包括美國專利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(jìn)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。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：（1)通用傳遞函數(shù)法和多點移動平均 法都來自臨床經(jīng)驗，沒有理論支撐。（2)這兩種方法的假設(shè)前提都是，不管年齡、性別、身體 狀況如何，人們的中心動脈壓-橈動脈壓的傳遞函數(shù)都是一樣的。這種假設(shè)忽略了一個事 實，每個人的血管參數(shù)因年齡、性別、疾病不同而不同，這一定會反應(yīng)在傳遞函數(shù)上。這兩種 方法結(jié)果的準(zhǔn)確性一定有問題，也丟掉了診斷的重要信息。
[0006] 由本專利 申請人:申請的中國專利"一種無創(chuàng)中心動脈測量方法和設(shè)備"，申請?zhí)枺?201210584475,所發(fā)明的無創(chuàng)人體中心動脈血壓測量方法包括：基于粘性流體力學(xué)的人體 動脈血管網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)模型個性化參數(shù)的方法，計算升主動脈-橈動脈傳遞函數(shù)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(chuàng)人體中心動脈血壓連續(xù)測量設(shè)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。
[0007] 本發(fā)明公開的是無創(chuàng)連續(xù)動脈血壓測量方法和設(shè)備，是基于粘性流體力學(xué)的人體 動脈血管網(wǎng)絡(luò)模型的連續(xù)血壓測量和監(jiān)測。本發(fā)明根據(jù)動脈網(wǎng)絡(luò)模型，給出了準(zhǔn)確的由脈 搏波速度推導(dǎo)血壓的公式、方法和設(shè)備。
[0008] 我國有2. 3億高血壓病人，連續(xù)血壓測量是高血壓病的預(yù)防、診斷、治療和控制的 關(guān)鍵技術(shù)。因此，本發(fā)明"一種無創(chuàng)連續(xù)動脈血壓測量方法和設(shè)備"具有重要意義。
[0009]
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010] 有別于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明是無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，其技術(shù)方案包 括： 無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法：使用同步測得的橈動脈和肱動脈脈搏波序列計算橈動脈 血管模型參數(shù)的方法，由橈動脈脈搏波速計算平均血壓、收縮壓和舒張壓的方法，血管網(wǎng)絡(luò) 中每段血管的脈搏波速比例關(guān)系，計算升主動脈到橈動脈的傳遞函數(shù)的方法，以及由橈動 脈血壓計算中心動脈血壓的方法。
[0011] 無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備包括：脈搏波和運(yùn)動信號采集單元，包括采集橈動脈 和肱動脈脈搏波的傳感器、運(yùn)動傳感器、控制器和附著裝置，在各種運(yùn)動和姿態(tài)情況下采集 被測者的橈動脈、肱動脈脈搏波信號和小臂的運(yùn)動信號，放大和數(shù)字化所測得的信號。
[0012] 進(jìn)一步包括：信號處理和分析單元，以有線或無線方式與脈搏波和運(yùn)動信號采集 單元連接，實時同步控制脈搏波和運(yùn)動信號采集單元，實時同步采集和處理橈動脈和肱動 脈脈搏波信號，由采集到的橈動脈和肱動脈脈搏波信號對序列計算動脈網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，由 連續(xù)采集的每一對橈動脈和肱動脈脈搏波及相應(yīng)兩個傳感器距離計算橈動脈脈搏波波速， 并進(jìn)而計算血壓值和波形，計算升主動脈到橈動脈的傳遞函數(shù)并進(jìn)而計算中心動脈血壓和 波形、計算中心動脈血壓波形反射波拐點和擴(kuò)增指數(shù)(AIX)，根據(jù)人體和小臂運(yùn)動數(shù)據(jù)，分 類軀干和小臂的運(yùn)動類型、強(qiáng)度、姿態(tài)和俯仰角，處理和分析在不同運(yùn)動和姿態(tài)下的血壓和 心電數(shù)據(jù)，向計算機(jī)或服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)和計算分析結(jié)果。
[0013] 還包括：計算機(jī)或服務(wù)器，連接和管理多個無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備，接收和分 析佩戴者在不同運(yùn)動狀態(tài)和姿態(tài)下、不同時辰、的心電、血壓和呼吸數(shù)據(jù)，計算心肺健康指 數(shù)等一系列指標(biāo)，根據(jù)佩戴者的年齡、性別、病史，提供報告和咨詢意見。
[0014] 無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備還包括第二種實施方案，即，以心電信號和橈動脈脈 搏波來計算橈動脈脈搏波波速。這種技術(shù)方案的無創(chuàng)中心血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，包括： 脈搏波和運(yùn)動信號采集單元，包括采集橈動脈和肱動脈脈搏波的傳感器、運(yùn)動傳感器、控制 器和附著裝置，在各種運(yùn)動和姿態(tài)情況下采集被測者的橈動脈脈搏波信號和小臂的運(yùn)動信 號，在測量開始的時候，同步測量橈動脈和肱動脈脈搏波序列信號，放大和數(shù)字化所測得的 信號。
[0015] 無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備的第二種實施方案還包括心電和運(yùn)動信號采集單元， 包括測量心電的電極、運(yùn)動傳感器、控制器和佩戴裝置，采集、放大心電信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號，該裝置同時嵌入運(yùn)動傳感器，測量人體軀干的運(yùn)動和姿態(tài)信號。
[0016] 無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備的第二種實施技術(shù)方案還包括信號處理和分析單元， 以有線或無線方式與脈搏波和運(yùn)動信號采集單元以及心電和運(yùn)動信號采集單元連接，實時 同步控制脈搏波和運(yùn)動信號采集單元和心電和運(yùn)動信號采集單元，實時同步采集和處理橈 動脈和肱動脈脈搏波以及心電和運(yùn)動信號，由采集到的橈動脈和肱動脈脈搏波信號對序列 計算動脈網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，由連續(xù)測量的每一對橈動脈脈搏波和心電信號波形，計算橈動脈 脈搏波速度并進(jìn)而計算血壓和波形，計算升主動脈到橈動脈的傳遞函數(shù)并進(jìn)而計算中心動 脈血壓和波形、計算中心動脈血壓波形反射波拐點和擴(kuò)增指數(shù)(AIX)，根據(jù)人體和小臂運(yùn)動 數(shù)據(jù)，分類軀干和小臂的運(yùn)動類型、強(qiáng)度、姿態(tài)和俯仰角，處理和分析在不同運(yùn)動和姿態(tài)下 的血壓和心電數(shù)據(jù)，向計算機(jī)或服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)和計算分析結(jié)果。
[0017] 無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備的第二種實施方案也包括計算機(jī)或服務(wù)器，連接和管 理多個無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備，接收和分析佩戴者在不同運(yùn)動狀態(tài)和姿態(tài)下、不同時 辰、的心電、血壓和呼吸數(shù)據(jù)，計算心肺健康指數(shù)等一系列指標(biāo)，根據(jù)佩戴者的年齡、性別、 病史，提供報告和咨詢意見。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，脈搏波和運(yùn)動信號采集單元是佩戴在手腕上的微型嵌入式 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它包括測量橈動脈和肱動脈脈搏波的傳感器、運(yùn)動傳感器、前置放大器、模 數(shù)轉(zhuǎn)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(wěn)定接觸，不 受或極少受運(yùn)動和其它因素影響，以便在長時間內(nèi)穩(wěn)定測量橈動脈脈搏波信號，在同步、連 續(xù)測量肱動脈脈搏波的同時測量橈動脈和肱動脈脈搏波的傳感器之間的距離，所測脈搏波 信號經(jīng)前置放大器放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，與該裝置中的運(yùn)動傳感器信號一起，送往信號 處理和分析單元。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，小臂動脈血壓參考值有兩種獲取方法，其一是在脈搏波和 運(yùn)動信號采集單元中的橈動脈傳感器上裝有手動或自動加壓裝置，使橈動脈脈搏波傳感器 將橈動脈血管壓扁，達(dá)到橈動脈脈搏波傳感器測得的血壓值與血管內(nèi)血壓值相等，其二是 用常規(guī)血壓計測量小臂血壓值。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的實施例第二種實施方案，心電和運(yùn)動信號采集裝置是用一胸帶佩戴 于胸前的微型嵌入式系統(tǒng)，為了保證心電信號質(zhì)量，其中一個電極應(yīng)置于心電胸導(dǎo)V3或 V4位置，采集的心電信號經(jīng)前置放大后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，與該裝置中的運(yùn)動傳感器信號 一起送到微型信號處理裝置，運(yùn)動傳感器包括3軸加速度計，增加陀螺儀和磁力計會增加 軀干和小臂三維角度估計精度，肱動脈脈搏波傳感器只在開始時由操作員或被測者自己操 作，同步測量橈動脈和肱動脈脈搏波序列，供計算動脈網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之用。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的實施例第二種實施方案，心電信號采集裝置，進(jìn)一步包括基于胸阻 抗測量方法測量呼吸波，將恒定幅度的調(diào)制電流源激勵到人體，并測量電流產(chǎn)生的電壓，得 到人體的胸部阻抗，該阻抗隨著人體呼吸而變化，從而推出呼吸波。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，信號處理和分析單元是一微型計算設(shè)備，以類似手表的方 式戴在腕上，或佩帶在腰間，它以有線或無線方式與脈搏波和運(yùn)動信號采集單元和心電和 運(yùn)動信號采集單元連接，實時同步控制脈搏波信號采集單元和心電信號采集單元，實時同 步采集和處理橈動脈和肱動脈脈搏波以及心電和運(yùn)動信號，計算動脈網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，連續(xù) 計算橈動脈血壓和中心動脈血壓，分析人體軀干和小臂的運(yùn)動和姿態(tài)，存儲數(shù)據(jù)、提供報 告，以有線或無線方式向計算機(jī)或服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法包括：建立了基于粘性流體力 學(xué)的動脈血管模型，使用同步測得的橈動脈和肱動脈脈搏波序列，計算橈動脈血管模型參 數(shù)，即橈動脈的血流阻力、血液流動慣量和血管順應(yīng)性，建立了基于動脈血管模型的橈動脈 這一段無分叉均勻血管的血壓與脈搏波速關(guān)系，以及由脈搏波速計算平均血壓、收縮壓和 舒張壓的公式，建立了血管網(wǎng)絡(luò)中每段血管的脈搏波速比例關(guān)系，從而將血壓與脈搏波速 關(guān)系擴(kuò)展到動脈網(wǎng)絡(luò)中的任意血管段，包括中心動脈到橈動脈，可從心電圖和橈動脈脈搏 波波形計算出脈搏波波速，建立了基于動脈血管網(wǎng)絡(luò)模型計算升主動脈到橈動脈的傳遞函 數(shù)的方法，以及由橈動脈血壓計算中心動脈血壓的公式。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，信號處理和分析單元從心電和運(yùn)動信號采集單元獲得心電 數(shù)據(jù)和呼吸波數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行濾波、去除基線漂移，對心電信號提取QRS波、ST段、檢測心電 異常、計算心率、心率變異度。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，信號處理和分析單元從心電和運(yùn)動信號采集單元獲得人體 軀干運(yùn)動信號，包括加速度計信號、陀螺儀和磁力計信號，根據(jù)其中一組信號，或融合多組 信號，推斷人體姿態(tài)和運(yùn)動類型，包括：躺、坐、站、走、跑、摔、坐起、躺下、站起、坐下，以及走 和跑時的步頻，計算軀干的俯仰角和姿態(tài)，從脈搏波和運(yùn)動信號采集單元獲得的小臂運(yùn)動 數(shù)據(jù)分析小臂的運(yùn)動和靜止?fàn)顟B(tài)，計算小臂的俯仰角和姿態(tài)。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，處理采集到的橈動脈和肱動脈脈搏波信號對序列，找出合 適的波形點序列對，列出參數(shù)矩陣和觀測矩陣，使用最小二乘算法，求出動脈網(wǎng)絡(luò)模型參 數(shù)，包括橈動脈血流阻力、血液流動慣量和血管順應(yīng)性。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，由連續(xù)測量的每一對橈動脈和肱動脈脈搏波及相應(yīng)兩個傳 感器距離計算橈動脈脈搏波傳播速度，或由連續(xù)測量的每一對橈動脈脈搏波和心電信號波 形，計算中心動脈到橈動脈的脈搏波平均傳播速度，再根據(jù)動脈網(wǎng)絡(luò)中血管間的脈搏波傳 播速度的比例關(guān)系，得到橈動脈的脈搏波傳播速度，根據(jù)脈搏波傳播速度和血壓的關(guān)系公 式，計算橈動脈血壓收縮壓和舒張壓和波形，根據(jù)人體動脈血管網(wǎng)絡(luò)模型計算升主動脈到 橈動脈的傳遞函數(shù)，并進(jìn)而計算中心動脈血壓波型。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，根據(jù)測量和計算出的動脈網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)、橈動脈和中心動 脈連續(xù)血壓及其波形、軀干和小臂的運(yùn)動類型、強(qiáng)度、姿態(tài)和俯仰角數(shù)據(jù)，以及時間標(biāo)簽，分 析和顯示橈動脈和中心動脈血壓隨時間，以及運(yùn)動和姿態(tài)的變化，計算和顯示動脈硬化指 數(shù)、心肺系統(tǒng)健康指數(shù)、中心動脈血壓波形反射波拐點、擴(kuò)增指數(shù)(AIX)，作為高血壓病的診 斷依據(jù)。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，根據(jù)人體和小臂運(yùn)動和姿態(tài)類型，融合血壓、心電、呼吸信 號和它們隨時辰和運(yùn)動的變化，計算佩戴者的多器官變異性參數(shù)，作為其心肺系統(tǒng)健康指 數(shù)，表征該佩戴者的健康狀況，預(yù)測可能的疾病。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，每個連續(xù)動脈血壓測量設(shè)備可以獨立運(yùn)行，也可以通過無 線或有線(如USB)與計算機(jī)或服務(wù)器聯(lián)接，將測量和計算出的數(shù)據(jù)，以及連續(xù)動脈血壓測量 設(shè)備的即時狀態(tài)，如電池水平、脈搏波和心電采樣率、各單元的工作狀態(tài)和自檢結(jié)果，上傳 到計算機(jī)或服務(wù)器，計算機(jī)或服務(wù)器連接和管理多個無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備，接受和 分析佩戴者在不同運(yùn)動狀態(tài)和姿態(tài)下、不同時辰、的心電、呼吸和血壓數(shù)據(jù)，根據(jù)佩戴者的 年齡、性別、病史，提供綜合報告，對特定個人，分析和跟蹤健康狀況和病情，對所有人員，研 究心肺系統(tǒng)健康和疾病對不同人群的發(fā)生、發(fā)展、防治、康復(fù)進(jìn)行跟蹤和深入研究。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031] 圖1、無創(chuàng)連續(xù)動脈血壓測量方法和設(shè)備的系統(tǒng)方框圖； 圖2、無創(chuàng)連續(xù)動脈血壓測量方法和設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)成和佩戴方式示意圖； 圖3、無創(chuàng)連續(xù)動脈血壓測量方法和設(shè)備第二實施方案的系統(tǒng)方框圖； 圖4、無創(chuàng)連續(xù)動脈血壓測量方法和設(shè)備的系統(tǒng)第二實施方案構(gòu)成和佩戴方式示意 圖； 圖5、左橈動脈血管等效電路； 圖6、脈搏波傳輸時間計算時脈搏波參考點的選取； 圖7、佩戴在胸前的加速度傳感器的三個坐標(biāo)軸和人體俯仰角計算。
[0032]
【具體實施方式】
[0033] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明加以詳細(xì)說明，應(yīng)指出的是，所描述的實施例僅旨在便 于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0034] 無創(chuàng)連續(xù)動脈血壓測量方法和設(shè)備的系統(tǒng)方框圖如圖1所示，其系統(tǒng)構(gòu)成和佩戴 方式示意圖如圖2。無創(chuàng)連續(xù)動脈血壓測量方法和設(shè)備的第二實施方案系統(tǒng)方框圖如圖3 所示，其系統(tǒng)構(gòu)成和佩戴方式示意圖如圖4。無創(chuàng)連續(xù)動脈血壓測量方法和設(shè)備的基本方案 和第二實施方案的差別僅在于，基本方案以連續(xù)測量的橈動脈和肱動脈脈搏波對來計算橈 動脈脈搏波波速，第二實施方案以連續(xù)測量的橈動脈脈搏波和心電信號對來計算橈動脈脈 搏波波速。為了敘述的方便，我們將重點敘述第二實施方案，基本方案只是不包括心電和運(yùn) 動信號的采集、處理和應(yīng)用部分。
[0035] 本發(fā)明是一種基于身體傳感網(wǎng)絡(luò)的穿戴式實時連續(xù)動脈血壓、心電和呼吸監(jiān)測系 統(tǒng)硬件和軟件。整個連續(xù)動脈血壓測量方法和設(shè)備由穿戴式連續(xù)動脈血壓測量設(shè)備100和 計算機(jī)/服務(wù)器200組成。連續(xù)動脈血壓測量設(shè)備100由脈搏波和運(yùn)動信號采集單元110、 心電和運(yùn)動信號采集單元120、和信號處理和分析單元130組成。
[0036] 脈搏波和運(yùn)動信號采集單元110置于脈搏波傳感器附著裝置之上，包括控制器、 前置放大器、小臂運(yùn)動傳感器113、橈動脈脈搏波傳感器111、肱動脈脈搏波傳感器112。小 臂運(yùn)動傳感器由一個三軸加速度計組成，該加速度信號由兩部分組成，一是大地重力加速 度，它在加速度傳感器三個坐標(biāo)軸上的分量可以算出小臂相對于地平面的俯仰角。二是傳 感器本身，也即小臂本身的加速度，它表示小臂的運(yùn)動狀態(tài)。加速度信號中重力加速度和本 身加速度的分離，以及小臂運(yùn)動狀態(tài)和俯仰角的計算可在脈搏波和運(yùn)動信號采集單元110 中進(jìn)行，也可將加速度信號送至信號處理和分析單元130中進(jìn)行。脈搏波和運(yùn)動信號采集 單元110通過橈動脈脈搏波傳感器111和肱動脈脈搏波傳感器112采集脈搏波信號，經(jīng)放 大和數(shù)字化后送到微型信號處理和分析單元130。橈動脈脈搏波傳感器111須連續(xù)不斷地 采集信號，為保證信號采集的穩(wěn)定性，由一附著裝置將傳感器緊固在手腕上，保證傳感器對 準(zhǔn)橈動脈位置。同時，為了獲得橈動脈血壓，傳感器同時裝有將傳感器壓向橈動脈的自動裝 置。當(dāng)將橈動脈壓扁時，獲得此時橈動脈血壓波形，作為連續(xù)測量的參考血壓。這樣的測量 操作只需要一次，由操作員或被測者操作。
[0037] 肱動脈脈搏波傳感器112在采集脈搏波的時候，是由操作者或被測者放置肱動脈 脈搏波傳感器完成的，同時也測量燒動脈脈搏波傳感器111和肱動脈脈搏波傳感器112之 間的距離。
[0038] 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(xué)和電磁學(xué)的傳感器。由于橈動脈的最佳測量位置較小，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。
[0039] 脈搏波和運(yùn)動信號采集單元110同步采集橈動脈和肱動脈脈搏波信號，并對這些 信號進(jìn)行評估，以免因傳感器放置不當(dāng)或其它原因引起信號失真，影響測量結(jié)果。當(dāng)脈搏波 和運(yùn)動信號采集單元110獲得一定數(shù)目質(zhì)量符合要求的橈動脈和肱動脈脈搏波信號序列 時，脈搏波和運(yùn)動信號采集單元110給出完成肱動脈脈搏波采集的信號，操作者即可停止 肱動脈脈搏波采集。
[0040] 心電和運(yùn)動信號采集單元120包括控制器、前置放大器、運(yùn)動傳感器122、和心電 電極121組成。它通過心電電極121按照常規(guī)動態(tài)心電圖電極連接方法采集心電信號，根 據(jù)需要，導(dǎo)聯(lián)數(shù)可從1到12不等。由于血壓測量中用到的是主胸導(dǎo)，因此，其中一個電極應(yīng) 該置于胸導(dǎo)聯(lián)點V3或V4。胸阻抗的測量和心電共用兩個電極。將恒定幅度的調(diào)制電流源 通過這兩個電極激勵到人體，測量電流產(chǎn)生的電壓，得到人體的胸部阻抗，該阻抗隨著人體 呼吸而變化，從而推出呼吸波。該阻抗也隨著心臟射血而發(fā)生變化，因此，在確定心臟射血 點上有一定意義。心電和運(yùn)動信號采集單元120以胸帶或黏貼方式固定在胸前或腰間。其 中的運(yùn)動傳感器包括三軸加速度計、陀螺儀和磁力計。視需要可采用其中部分或全部傳感 器。分析三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)可以得到人體的姿態(tài)和運(yùn)動類型：包括：躺、坐、站、走、跑、 摔、坐起、躺下、站起、坐下，以及走和跑時的步頻。加入陀螺儀可以較為準(zhǔn)確地得到三維角 度，加入磁力計可以獲得方位角。
[0041] 信號處理和分析單元130從脈搏波和運(yùn)動信號采集單元110和心電和運(yùn)動信號采 集單元120接收信號，同時監(jiān)測、控制和同步這兩個單元的運(yùn)行。信號處理和分析單元130 運(yùn)行在微型計算設(shè)備上，該微型計算設(shè)備可以如手表一樣戴在手腕上。信號處理和分析單 元130與脈搏波和運(yùn)動信號采集單元110和心電和運(yùn)動信號采集單元120之間可以采用無 線或有線連接方式。
[0042] 信號處理和分析單元130包括脈搏波和心電圖處理模塊131、動脈網(wǎng)絡(luò)模型計算 模塊132、脈搏波速和血壓計算模塊133、運(yùn)動和姿態(tài)分析模塊134、存儲和報告模塊135， 和本地數(shù)據(jù)庫136。它處理和分析橈動脈脈搏波和肱動脈脈搏波，計算被測者動脈網(wǎng)絡(luò)參 數(shù)，處理和分析心電信號和橈動脈脈搏波，計算脈搏波波速，計算橈動脈血壓，和中心動脈 血壓。
[0043] 每個連續(xù)動脈血壓測量設(shè)備可以獨立運(yùn)行，也可以通過無線或有線（如USB)與計 算機(jī)或服務(wù)器200聯(lián)接。計算機(jī)或服務(wù)器200將對該連續(xù)動脈血壓測量設(shè)備提供系統(tǒng)監(jiān)測 和進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析，為佩戴者提供健康咨詢和服務(wù)。
[0044] 下面詳細(xì)介紹本發(fā)明的實施例： 1、基于粘性流體力學(xué)的血管模型 從橈動脈到中心動脈的人體血管網(wǎng)絡(luò)包含升主動脈、肱動脈、橈動脈以及周邊毛細(xì) 血管幾個部分，其中除周邊動脈外，其它幾段動脈符合同樣的大中動脈血管模型，只是參 數(shù)不同。所以我們將建立兩種模型，分為大中動脈模型，和周邊毛細(xì)動脈模型，然后通 過級聯(lián)構(gòu)成所需的血管網(wǎng)絡(luò)。中國專利"一種無創(chuàng)中心動脈測量方法和設(shè)備"，申請?zhí)枺?201210584475,使用粘性流體力學(xué)，推導(dǎo)了整個人體動脈網(wǎng)絡(luò)及其方程。借用其結(jié)果，我們 可以使用同步測得的橈動脈和肱動脈脈搏波序列，計算橈動脈血管模型參數(shù)，如下： 參照圖5的左橈動脈血管等效電路，其中
【權(quán)利要求】
1. 一種無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，包括： 使用同步測得的橈動脈和肱動脈脈搏波序列計算橈動脈血管模型參數(shù)的方法，由橈動 脈脈搏波速計算平均血壓、收縮壓和舒張壓的方法，血管網(wǎng)絡(luò)中每段血管的脈搏波速比例 關(guān)系，計算升主動脈到橈動脈的傳遞函數(shù)的方法，以及由橈動脈血壓計算中心動脈血壓的 方法； 脈搏波和運(yùn)動信號采集單元，包括采集橈動脈和肱動脈脈搏波的傳感器、運(yùn)動傳感 器、控制器和附著裝置，在各種運(yùn)動和姿態(tài)情況下采集被測者的橈動脈、肱動脈脈搏波信號 和小臂的運(yùn)動信號，放大和數(shù)字化所測得的信號； 信號處理和分析單元，以有線或無線方式與脈搏波和運(yùn)動信號采集單元連接，實時 同步控制脈搏波和運(yùn)動信號采集單元，實時同步采集和處理橈動脈和肱動脈脈搏波信號， 由采集到的橈動脈和肱動脈脈搏波信號對序列計算動脈網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，由連續(xù)采集的每一 對橈動脈和肱動脈脈搏波及相應(yīng)兩個傳感器距離計算橈動脈脈搏波波速，并進(jìn)而計算血壓 值和波形，計算升主動脈到橈動脈的傳遞函數(shù)并進(jìn)而計算中心動脈血壓和波形、計算中心 動脈血壓波形反射波拐點和擴(kuò)增指數(shù)(AIX)，根據(jù)人體和小臂運(yùn)動數(shù)據(jù)，分類軀干和小臂的 運(yùn)動類型、強(qiáng)度、姿態(tài)和俯仰角，處理和分析在不同運(yùn)動和姿態(tài)下的血壓和心電數(shù)據(jù)，向計 算機(jī)或服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)和計算分析結(jié)果； 計算機(jī)或服務(wù)器，連接和管理多個無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備，接收和分析佩戴者 在不同運(yùn)動狀態(tài)和姿態(tài)下、不同時辰、的心電、血壓和呼吸數(shù)據(jù)，計算心肺健康指數(shù)等一系 列指標(biāo)，根據(jù)佩戴者的年齡、性別、病史，提供報告和咨詢意見。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，其特征在于：包括其第 二實施方案，即心電信號和橈動脈脈搏波來計算橈動脈脈搏波波速，該第二實施方案下的 無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，包括： 脈搏波和運(yùn)動信號采集單元，包括采集橈動脈和肱動脈脈搏波的傳感器、運(yùn)動傳感 器、控制器和附著裝置，在各種運(yùn)動和姿態(tài)情況下采集被測者的橈動脈脈搏波信號和小臂 的運(yùn)動信號，在測量開始的時候，同步測量橈動脈和肱動脈脈搏波序列信號，放大和數(shù)字化 所測得的信號； 心電和運(yùn)動信號采集單元，包括測量心電的電極、運(yùn)動傳感器、控制器和佩戴裝置， 采集、放大心電信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該裝置同時嵌入運(yùn)動傳感器，測量人體軀干的運(yùn)動 和姿態(tài)信號； 信號處理和分析單元，以有線或無線方式與脈搏波和運(yùn)動信號采集單元以及心電 和運(yùn)動信號采集單元連接，實時同步控制脈搏波和運(yùn)動信號采集單元和心電和運(yùn)動信號采 集單元，實時同步采集和處理橈動脈和肱動脈脈搏波以及心電和運(yùn)動信號，由采集到的橈 動脈和肱動脈脈搏波信號對序列計算動脈網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，由連續(xù)測量的每一對橈動脈脈搏 波和心電信號波形，計算橈動脈脈搏波速度并進(jìn)而計算血壓和波形，計算升主動脈到橈動 脈的傳遞函數(shù)并進(jìn)而計算中心動脈血壓和波形、計算中心動脈血壓波形反射波拐點和擴(kuò)增 指數(shù)（AIX)，根據(jù)人體和小臂運(yùn)動數(shù)據(jù)，分類軀干和小臂的運(yùn)動類型、強(qiáng)度、姿態(tài)和俯仰角， 處理和分析在不同運(yùn)動和姿態(tài)下的血壓和心電數(shù)據(jù)，向計算機(jī)或服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)和計算分 析結(jié)果； 計算機(jī)或服務(wù)器，連接和管理多個無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備，接收和分析佩戴者 在不同運(yùn)動狀態(tài)和姿態(tài)下、不同時辰、的心電、血壓和呼吸數(shù)據(jù)，計算心肺健康指數(shù)等一系 列指標(biāo)，根據(jù)佩戴者的年齡、性別、病史，提供報告和咨詢意見。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，其特征在于：脈搏波和 運(yùn)動信號采集單元是佩戴在手腕上的微型嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它包括測量橈動脈和肱動 脈脈搏波的傳感器、運(yùn)動傳感器、前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換和控制器，其中燒動脈傳感器由一 附著裝置保證傳感器與橈動脈外表穩(wěn)定接觸，不受或極少受運(yùn)動和其它因素影響，以便在 長時間內(nèi)穩(wěn)定測量橈動脈脈搏波信號，在同步、連續(xù)測量肱動脈脈搏波的同時測量橈動脈 和肱動脈脈搏波的傳感器之間的距離，所測脈搏波信號經(jīng)前置放大器放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號，與該裝置中的運(yùn)動傳感器信號一起，送往信號處理和分析單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，其特征在于：小臂動脈 血壓參考值有兩種獲取方法，其一是在脈搏波和運(yùn)動信號采集單元中的橈動脈傳感器上裝 有手動或自動加壓裝置，使橈動脈脈搏波傳感器將橈動脈血管壓扁，達(dá)到橈動脈脈搏波傳 感器測得的血壓值與血管內(nèi)血壓值相等，其二是用常規(guī)血壓計測量小臂血壓值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，其特征在于：心電和運(yùn) 動信號采集裝置是用一胸帶佩戴于胸前的微型嵌入式系統(tǒng)，為了保證心電信號質(zhì)量，其中 一個電極應(yīng)置于心電胸導(dǎo)V3或V4位置，采集的心電信號經(jīng)前置放大后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 與該裝置中的運(yùn)動傳感器信號一起送到微型信號處理裝置，運(yùn)動傳感器包括3軸加速度 計，增加陀螺儀和磁力計會增加軀干和小臂三維角度估計精度，肱動脈脈搏波傳感器只在 開始時由操作員或被測者自己操作，同步測量橈動脈和肱動脈脈搏波序列，供計算動脈網(wǎng) 絡(luò)參數(shù)之用。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，其特征在于：心電信號 采集裝置，進(jìn)一步包括基于胸阻抗測量方法測量呼吸波，將恒定幅度的調(diào)制電流源激勵到 人體，并測量電流產(chǎn)生的電壓，得到人體的胸部阻抗，該阻抗隨著人體呼吸而變化，從而推 出呼吸波。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，其特征在于：信號處理 和分析單元是一微型計算設(shè)備，以類似手表的方式戴在腕上，或佩帶在腰間，它以有線或無 線方式與脈搏波和運(yùn)動信號采集單元和心電和運(yùn)動信號采集單元連接，實時同步控制脈搏 波信號采集單元和心電信號采集單元，實時同步采集和處理橈動脈和肱動脈脈搏波以及心 電和運(yùn)動信號，計算動脈網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，連續(xù)計算橈動脈血壓和中心動脈血壓，分析人體軀 干和小臂的運(yùn)動和姿態(tài)，存儲數(shù)據(jù)、提供報告，以有線或無線方式向計算機(jī)或服務(wù)器上傳數(shù) 據(jù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，其特征在于：無創(chuàng)動脈 血壓連續(xù)測量方法包括：建立了基于粘性流體力學(xué)的動脈血管模型，使用同步測得的橈動 脈和肱動脈脈搏波序列，計算橈動脈血管模型參數(shù)，即橈動脈的血流阻力、血液流動慣量和 血管順應(yīng)性，建立了基于動脈血管模型的橈動脈這一段無分叉均勻血管的血壓與脈搏波速 關(guān)系，以及由脈搏波速計算平均血壓、收縮壓和舒張壓的公式，建立了血管網(wǎng)絡(luò)中每段血管 的脈搏波速比例關(guān)系，從而將血壓與脈搏波速關(guān)系擴(kuò)展到動脈網(wǎng)絡(luò)中的任意血管段，包括 中心動脈到橈動脈，可從心電圖和橈動脈脈搏波波形計算出脈搏波波速，建立了基于動脈 血管網(wǎng)絡(luò)模型計算升主動脈到橈動脈的傳遞函數(shù)的方法，以及由橈動脈血壓計算中心動脈 血壓的公式。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備中的信號處理和分析單 元，其特征在于：信號處理和分析單元從心電和運(yùn)動信號采集單元獲得心電數(shù)據(jù)和呼吸波 數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行濾波、去除基線漂移，對心電信號提取QRS波、ST段、檢測心電異常、計算心 率、心率變異度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備中的信號處理和分析單 元，其特征在于：信號處理和分析單元從心電和運(yùn)動信號采集單元獲得人體軀干運(yùn)動信號， 包括加速度計信號、陀螺儀和磁力計信號，根據(jù)其中一組信號，或融合多組信號，推斷人體 姿態(tài)和運(yùn)動類型，包括：躺、坐、站、走、跑、摔、坐起、躺下、站起、坐下，以及走和跑時的步頻， 計算軀干的俯仰角和姿態(tài)，從脈搏波和運(yùn)動信號采集單元獲得的小臂運(yùn)動數(shù)據(jù)分析小臂的 運(yùn)動和靜止?fàn)顟B(tài)，計算小臂的俯仰角和姿態(tài)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的無創(chuàng)一種無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備 動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備中的信號處理和分析單元，其特征在于：處理采集到的 橈動脈和肱動脈脈搏波信號對序列，找出合適的波形點序列對，列出參數(shù)矩陣和觀測矩陣， 使用最小二乘算法，求出動脈網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，包括橈動脈血流阻力、血液流動慣量和血管順 應(yīng)性。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備中的信號處理和分析單 元，其特征在于：由連續(xù)測量的每一對橈動脈和肱動脈脈搏波及相應(yīng)兩個傳感器距離計算 橈動脈脈搏波傳播速度，或由連續(xù)測量的每一對橈動脈脈搏波和心電信號波形，計算中心 動脈到橈動脈的脈搏波平均傳播速度，再根據(jù)動脈網(wǎng)絡(luò)中血管間的脈搏波傳播速度的比例 關(guān)系，得到橈動脈的脈搏波傳播速度，根據(jù)脈搏波傳播速度和血壓的關(guān)系公式，計算橈動脈 血壓收縮壓和舒張壓和波形，根據(jù)人體動脈血管網(wǎng)絡(luò)模型計算升主動脈到橈動脈的傳遞函 數(shù)，并進(jìn)而計算中心動脈血壓波型。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備中的信號處理和分析單 元，其特征在于：根據(jù)測量和計算出的動脈網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)、橈動脈和中心動脈連續(xù)血壓及其 波形、軀干和小臂的運(yùn)動類型、強(qiáng)度、姿態(tài)和俯仰角數(shù)據(jù)，以及時間標(biāo)簽，分析和顯示橈動脈 和中心動脈血壓隨時間，以及運(yùn)動和姿態(tài)的變化，計算和顯示動脈硬化指數(shù)、心肺系統(tǒng)健康 指數(shù)、中心動脈血壓波形反射波拐點、擴(kuò)增指數(shù)(AIX)，作為高血壓病的診斷依據(jù)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，其特征在于：根據(jù)人體 和小臂運(yùn)動和姿態(tài)類型，融合血壓、心電、呼吸信號和它們隨時辰和運(yùn)動的變化，計算佩戴 者的多器官變異性參數(shù)，作為其心肺系統(tǒng)健康指數(shù)，表征該佩戴者的健康狀況，預(yù)測可能的 疾病。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量方法和設(shè)備，其特征在于：每個連 續(xù)動脈血壓測量設(shè)備可以獨立運(yùn)行，也可以通過無線或有線（如USB)與計算機(jī)或服務(wù)器聯(lián) 接，將測量和計算出的數(shù)據(jù)，以及連續(xù)動脈血壓測量設(shè)備的即時狀態(tài)，如電池水平、脈搏波 和心電采樣率、各單元的工作狀態(tài)和自檢結(jié)果，上傳到計算機(jī)或服務(wù)器，計算機(jī)或服務(wù)器連 接和管理多個無創(chuàng)動脈血壓連續(xù)測量設(shè)備，接受和分析佩戴者在不同運(yùn)動狀態(tài)和姿態(tài)下、 不同時辰、的心電、呼吸和血壓數(shù)據(jù)，根據(jù)佩戴者的年齡、性別、病史，提供綜合報告，對特定 個人，分析和跟蹤健康狀況和病情，對所有人員，研究心肺系統(tǒng)健康和疾病對不同人群的發(fā) 生、發(fā)展、防治、康復(fù)進(jìn)行跟蹤和深入研究。
【文檔編號】A61B5/0205GK104138253SQ201310172583
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月11日
【發(fā)明者】吳健康, 蔣升, 冀連營 申請人:吳健康