本發(fā)明涉及基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前，我國大約有2.9億心血管病患者，其中2.7億為高血壓患者。由此可見，心血管疾病的首要危險因素是高血壓。高血壓不僅會導(dǎo)致心腦血管疾病的發(fā)生，還會使高血壓患者產(chǎn)生焦慮、恐懼、抑郁等心理問題。因此，在日常生活中檢測及監(jiān)測血壓的變化情況非常重要。
間歇式無創(chuàng)血壓檢測法主要包括柯氏音法、示波法和容積振動法。采用柯氏音法檢測原理的代表性檢測裝置是水銀血壓計，它是無創(chuàng)血壓測量的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但一般需專業(yè)人士操作，且易引入主觀誤差，在日益廣泛的家庭日常醫(yī)療監(jiān)測尤其是血壓監(jiān)測中帶來一定困難，測量操作要求高，穩(wěn)定性差。
目前市場上的電子血壓計大都采用壓力示波法，一般通過波形特征法和幅度系數(shù)法計算收縮壓和舒張壓，并且經(jīng)過不斷的研究，相繼提出了各種改進(jìn)算法及新的算法。但這些算法都是各生產(chǎn)廠家在大量實驗的基礎(chǔ)上通過概率統(tǒng)計推算出的，無統(tǒng)一的計算標(biāo)準(zhǔn)，檢測原理不夠明晰，所以測量結(jié)果離散性大，穩(wěn)定性差。
容積振動法是利用血管的非線性力學(xué)特性形成的，并且規(guī)定當(dāng)容積脈搏波的振幅是容積脈搏波中最大振幅的1/4～1/8時，該處所對應(yīng)的袖帶壓力為收縮壓，容積脈搏波最大振幅處所對應(yīng)的袖帶壓力為血管內(nèi)血流的平均壓力。這種方法原理清晰也已得到認(rèn)可，但它無法直接測出舒張壓，只能利用血流的壓力波與容積脈搏波的相似性原理，間接計算出舒張壓，測量結(jié)果準(zhǔn)確率低。而且，在計算容積脈搏波的振幅與容積脈搏波中最大振幅的比值時會帶來一定的誤差，測量結(jié)果受檢測條件影響大，穩(wěn)定性差。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有測量方法無法直接測出舒張壓以及測量結(jié)果準(zhǔn)確率低，穩(wěn)定性差的問題，而提出一種基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測裝置及方法。
一種基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測裝置包括：壓力傳感器、信號處理器、a/d轉(zhuǎn)換器、控制單元、顯示裝置、放大濾波器、光電容積傳感器、微型氣泵、袖帶、電空變換器；
微型氣泵的輸出氣流端連接電空變換器的氣流輸入端，電空變換器的氣流輸出端連接袖帶的氣流輸入端，微型氣泵通過電空變換器為袖帶供氣，壓力傳感器的氣流接收端連接袖帶，袖帶內(nèi)壓力由壓力傳感器檢出并轉(zhuǎn)換成袖帶壓力信號，壓力傳感器的信號輸出端連接信號處理電路的接收端，袖帶壓力信號經(jīng)信號處理電路的輸出端送到a/d轉(zhuǎn)換器的接收端；
光電容積傳感器設(shè)置于袖帶的內(nèi)側(cè)，用于測量手腕部位橈動脈的光電容積信號，光電容積傳感器將測到的光電容積信號傳遞給放大濾波器的接收端，得到容積脈搏波信號，容積脈搏波信號經(jīng)放大濾波器的輸出端送入到a/d轉(zhuǎn)換器的接收端；
袖帶壓力信號和容積脈搏波信號轉(zhuǎn)換后經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器的輸出端送入到控制單元的接收端，容積脈搏波信號和袖帶壓力信號經(jīng)控制單元的輸出端送入到顯示裝置進(jìn)行顯示。
一種基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測方法具體過程為：
步驟一、將基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測裝置的袖帶固定于人體待檢測手腕處，將袖帶與待檢測手腕部位的皮膚表面接觸，通過粘帶將血壓檢測裝置的袖帶固定于待檢測手腕部位的皮膚表面；
步驟二、微型氣泵的輸出氣流端連接電空變換器的氣流輸入端，電空變換器的氣流輸出端連接袖帶的氣流輸入端，微型氣泵通過電空變換器為袖帶供氣，電空變換器通過調(diào)節(jié)自身電磁閥開口的大小控制微型氣泵進(jìn)入到袖帶內(nèi)的空氣量；
壓力傳感器的氣流接收端連接袖帶，袖帶內(nèi)壓力由壓力傳感器檢出并轉(zhuǎn)換成袖帶壓力信號，壓力傳感器的信號輸出端連接信號處理電路的接收端，信號處理電路對袖帶壓力信號進(jìn)行濾波、去噪，將濾波、去噪后的袖帶壓力信號經(jīng)信號處理電路的輸出端送到a/d轉(zhuǎn)換器的接收端；
袖帶壓力信號轉(zhuǎn)換后經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器的輸出端送入到控制單元的接收端，控制單元對袖帶壓力信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、記錄與存儲，控制單元計算出進(jìn)入袖帶的空氣量的袖帶壓力信號，控制電空變換器電磁閥的開口，使進(jìn)入袖帶的空氣量以規(guī)定的勻速速率給袖帶加壓；
步驟三、光電容積傳感器設(shè)置于袖帶的內(nèi)側(cè)，并通過袖帶壓在手腕處橈動脈的正上方皮膚表面，用于測量手腕部位橈動脈的光電容積信號，光電容積傳感器將測到的光電容積信號傳遞給放大濾波器的接收端，放大濾波器對光電容積信號進(jìn)行放大、濾波處理得到光電容積交流部分的信號pgac，即光電容積脈搏波信號；
步驟四、容積脈搏波信號經(jīng)放大濾波器的輸出端送入到a/d轉(zhuǎn)換器的接收端；光電容積脈搏波信號轉(zhuǎn)換后經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器的輸出端送入到控制單元的接收端，控制單元對光電容積脈搏波信號和袖帶壓力信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、記錄與存儲，找到光電容積脈搏波的最大振幅點m，計算出m點前相鄰波形波谷的振幅梯度和m點后相鄰波形波峰的振幅梯度；波谷的振幅梯度最大點對應(yīng)的袖帶壓力為舒張壓；波峰的振幅梯度最大點所對應(yīng)的袖帶壓力為收縮壓；
步驟五、當(dāng)袖帶壓力達(dá)到規(guī)定的壓力，電空變換器的電磁閥閥口完全打開，袖帶放氣，檢測結(jié)束，將步驟四得到的舒張壓和收縮壓經(jīng)控制單元的輸出端送入到顯示裝置進(jìn)行顯示。
本發(fā)明的有益效果為：
本發(fā)明依據(jù)血管壁的非線性力學(xué)特性，即血管壁在外部給與不同壓力時其變形剛度不同，而且處于非線性狀態(tài)，當(dāng)血管內(nèi)部壓力與外部所加壓力相等時，血管壁最為柔軟，即最易變形的特性，提出了基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測法。人體從心臟左心室泵到大動脈血管中的血液是呈較穩(wěn)定的波動狀態(tài)，形成壓力波。而血壓檢測時需通過袖帶從外部由低到高或由高到低給血管加壓，當(dāng)袖帶壓力正好與壓力波的波峰或波谷瞬時相等時，血管在波峰或波谷處的變形最大，而與壓力波的波峰或波谷不相等時，血管在波峰或波谷處的變形相對較小。這種壓力波的波峰與波谷所對應(yīng)的血管變形的差異可以通過觀察血管容積脈搏波的振幅大小來實現(xiàn)。本發(fā)明中兩個相鄰容積脈搏波的振幅差被定義為容積脈搏波的梯度。波谷的最大梯度處所對應(yīng)的袖帶壓力為舒張壓，波峰的最大梯度處所對應(yīng)的袖帶壓力為收縮壓。解決了電子血壓計的測量結(jié)果準(zhǔn)確率低，穩(wěn)定性差的問題，提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性，而且可直接測出收縮壓和舒張壓；便于實現(xiàn)家庭醫(yī)療檢測和監(jiān)測。該方法與水銀式血壓計結(jié)果相比，測量結(jié)果準(zhǔn)確率高，穩(wěn)定性好，檢測誤差在5％以內(nèi)；與容積振動法相比，測量結(jié)果準(zhǔn)確率高，穩(wěn)定性好，檢測精度可提高5％以上，而且可直接測出收縮壓和舒張壓；與市場上銷售的電子血壓計相比，測量結(jié)果準(zhǔn)確率高，穩(wěn)定性好。
附圖說明
圖1為血管壁變形能力與血管內(nèi)外壓差的關(guān)系圖；
圖2為勻速加壓過程中袖帶壓力與血管脈壓的變化圖，橫坐標(biāo)為時間，單位為s，縱坐標(biāo)為壓力，單位為mmhg，a為波谷，b為波峰，m為光電容積脈搏波的最大振幅點；
圖3為勻速加壓過程中光電容積脈搏波的變化圖，橫坐標(biāo)為時間，單位為s，縱坐標(biāo)為電壓，單位為v；
圖4為容積脈搏波波谷梯度圖，橫坐標(biāo)為時間，單位為s，縱坐標(biāo)為電壓，單位為v；
圖5為容積脈搏波波峰梯度圖，橫坐標(biāo)為時間，單位為s，縱坐標(biāo)為電壓，單位為v；
圖6為基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測裝置圖；
圖7為實施例中袖帶壓力信號和容積脈搏波信號圖，橫坐標(biāo)為時間，單位為s，縱坐標(biāo)為電壓信號，單位為v,pgac為血管光電容積交流部分的信號，pressure為壓力信號；
圖8為振幅最大點前相鄰波形波谷的振幅梯度圖，橫坐標(biāo)為波谷位置，縱坐標(biāo)為振幅梯度，用電壓差表示，單位為v；
圖9為振幅最大點后相鄰波形波峰的振幅梯度圖，橫坐標(biāo)為波峰位置，縱坐標(biāo)為振幅梯度，用電壓差表示，單位為v。
具體實施方式
具體實施方式一：本實施方式的一種基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測裝置包括：壓力傳感器1、信號處理器2、a/d轉(zhuǎn)換器3、控制單元4、顯示裝置5、放大濾波器6、光電容積傳感器7、微型氣泵8、袖帶9、電空變換器10；
微型氣泵8的輸出氣流端連接電空變換器10的氣流輸入端，電空變換器10的氣流輸出端連接袖帶9的氣流輸入端，微型氣泵8通過電空變換器10為袖帶9供氣，電空變換器10通過調(diào)節(jié)自身電磁閥開口的大小控制微型氣泵8進(jìn)入到袖帶9內(nèi)的空氣量，壓力傳感器1的氣流接收端連接袖帶9，袖帶9內(nèi)壓力由壓力傳感器1檢出并轉(zhuǎn)換成袖帶壓力信號(簡稱：電信號)，壓力傳感器1的信號輸出端連接信號處理電路2的接收端，信號處理電路2對袖帶壓力信號進(jìn)行濾波、去噪，將濾波、去噪后的袖帶壓力信號經(jīng)信號處理電路2的輸出端送到a/d轉(zhuǎn)換器3的接收端；
光電容積傳感器7設(shè)置于袖帶9的內(nèi)側(cè)，用于測量手腕部位橈動脈的光電容積信號，光電容積傳感器7將測到的光電容積信號傳遞給放大濾波器6的接收端，放大濾波器6對光電容積信號進(jìn)行放大、濾波處理，得到容積脈搏波信號，容積脈搏波信號經(jīng)放大濾波器6的輸出端送入到a/d轉(zhuǎn)換器3的接收端；
袖帶壓力信號和容積脈搏波信號轉(zhuǎn)換后經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器3的輸出端送入到控制單元4的接收端，控制單元4對容積脈搏波信號和袖帶壓力信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、記錄與存儲，經(jīng)控制單元4的輸出端送入到顯示裝置5進(jìn)行顯示。
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述光電容積傳感器7包括一個led和一個pd。
led作為光源，pd作為接收器。光源為近紅外光，光電二極管的感光中心波長與光源相同。將pd接收到的光電容積信號，通過放大、濾波處理得到光電容積交流部分的信號pgac，即容積脈搏波信號。
所述led為發(fā)光二極管，pd為光電二極管。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：所述控制單元4為pic單機(jī)片。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：所述控制單元4的輸出端口分別連接微型氣泵8的輸入端和電空變換器10的輸入端，控制微型氣泵8和電空變換器10的電能輸入，用于控制袖帶9內(nèi)的空氣量。
壓力傳感器1型號為adp5131，日本松下公司產(chǎn)。
光電容積傳感器1中的發(fā)光二極管型號為el302，韓國工電公司產(chǎn)；
光電容積傳感器1中的光電二極管型號為hpi-2464r5，韓國工電公司產(chǎn)。
微型氣泵8型號為p22d03r，日本應(yīng)研精工公司產(chǎn)。
電空變換器10型號為vso，美國parkerhannifin公司產(chǎn)。
具體實施方式五：本實施方式的一種基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測裝置的方法具體過程為：
本發(fā)明中所涉及的依據(jù)血管壁的非線性力學(xué)特性，基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測法的原理是：血管壁的力學(xué)性質(zhì)取決于血管壁中層的膠原纖維和彈性纖維，它的非線性力學(xué)特性可用血管內(nèi)外壓差與血管容積的變化來表示。如圖1所示，橫坐標(biāo)為血管內(nèi)外壓差，縱坐標(biāo)為血管內(nèi)容積變化，圖中由右向左是袖帶壓力增加的方向。顯然，來自心臟的脈壓δp是近似不變的。當(dāng)血管內(nèi)外壓差較大時，膠原纖維在受力方面起主要作用，血管不易變形，相應(yīng)的血管內(nèi)容積的變化δv較小。當(dāng)血管內(nèi)外壓差δp接近零即在縱軸附近時，彈性纖維在受力方面起主要作用，其中，當(dāng)袖帶壓力正好等于血管內(nèi)平均壓力、血管內(nèi)外壓差等于零時，血管最易變形，δv出現(xiàn)最大值。
袖帶加壓過程中袖帶壓力與血管內(nèi)脈壓的關(guān)系如圖2所示。光電容積脈搏波的變化如圖3所示。由圖2所知，在袖帶加壓過程中，袖帶壓力與脈壓波谷的最接近點以及袖帶壓力與脈壓波峰的最接近點分別只出現(xiàn)一次，也表明袖帶壓力與脈壓波谷的瞬時壓力最接近值以及袖帶壓力與脈壓波峰的瞬時壓力最接近值也分別只出現(xiàn)一次，除此之外，沒有其它的脈壓波谷以及脈壓波峰的瞬時壓力值與袖帶壓力值最接近。
根據(jù)前述的血管壁非線性力學(xué)特性，當(dāng)血管壁內(nèi)外壓差相等時血管壁最軟也最易變形，由此推論，在袖帶加壓過程中只有袖帶壓力與脈壓波谷的最接近點以及袖帶壓力與脈壓波峰的最接近點，其光電容積脈搏波的振幅變化最大。將光電容積脈搏波相鄰波形的振幅變化計算出來，并考慮如圖3所示光電容積脈搏波的整體變化趨勢，分別做出光電容積脈搏波波谷的梯度變化和波峰的梯度變化，可得到圖4和圖5所示的容積脈搏波波谷梯度變化圖和波峰梯度變化圖。其中，圖4中的a點所對應(yīng)的袖帶壓力就是圖2中壓力波a點的壓力，即舒張壓；圖5中的b點所對應(yīng)的袖帶壓力就是圖2中壓力波b點的壓力，即收縮壓。
步驟一、將基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測裝置的袖帶9固定于人體待檢測手腕處，將袖帶9與待檢測手腕部位的皮膚表面接觸，通過粘帶將血壓檢測裝置的袖帶9固定于待檢測手腕部位的皮膚表面；
步驟二、微型氣泵8的輸出氣流端連接電空變換器10的氣流輸入端，電空變換器10的氣流輸出端連接袖帶9的氣流輸入端，微型氣泵8通過電空變換器10為袖帶9供氣，電空變換器10通過調(diào)節(jié)自身電磁閥開口的大小控制微型氣泵8進(jìn)入到袖帶9內(nèi)的空氣量；
壓力傳感器1的氣流接收端連接袖帶9，袖帶9內(nèi)壓力由壓力傳感器1檢出并轉(zhuǎn)換成袖帶壓力信號(簡稱：電信號)，壓力傳感器1的信號輸出端連接信號處理電路2的接收端，信號處理電路2對袖帶壓力信號進(jìn)行濾波、去噪，將濾波、去噪后的袖帶壓力信號經(jīng)信號處理電路2的輸出端送到a/d轉(zhuǎn)換器3的接收端；
袖帶壓力信號轉(zhuǎn)換后經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器3的輸出端送入到控制單元4的接收端，控制單元(4)對袖帶壓力信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、記錄與存儲，控制單元4計算出進(jìn)入袖帶9的空氣量的袖帶壓力信號，控制電空變換器10電磁閥的開口，使進(jìn)入袖帶9的空氣量以規(guī)定的勻速速率給袖帶9加壓；
步驟三、光電容積傳感器7設(shè)置于袖帶9的內(nèi)側(cè)，并通過袖帶9壓在手腕處橈動脈的正上方皮膚表面，用于測量手腕部位橈動脈的光電容積信號，光電容積傳感器7將測到的光電容積信號傳遞給放大濾波器6的接收端，放大濾波器6對光電容積信號進(jìn)行放大、濾波處理得到光電容積交流部分的信號pgac，即光電容積脈搏波信號；
步驟四、容積脈搏波信號經(jīng)放大濾波器6的輸出端送入到a/d轉(zhuǎn)換器3的接收端；光電容積脈搏波信號轉(zhuǎn)換后經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器3的輸出端送入到控制單元4的接收端，控制單元4對光電容積脈搏波信號和袖帶壓力信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、記錄與存儲，找到光電容積脈搏波的最大振幅點m(圖3m點)，計算出m點前相鄰波形波谷的振幅梯度和m點后相鄰波形波峰的振幅梯度；波谷的振幅梯度最大點對應(yīng)的袖帶壓力為舒張壓；波峰的振幅梯度最大點所對應(yīng)的袖帶壓力為收縮壓；
步驟五、當(dāng)袖帶9壓力達(dá)到規(guī)定的壓力，電空變換器9的電磁閥閥口完全打開，袖帶9放氣，檢測結(jié)束，將步驟四得到的舒張壓和收縮壓經(jīng)控制單元4的輸出端送入到顯示裝置5進(jìn)行顯示。
具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式五不同的是：所述步驟二中規(guī)定的勻速速率為3～5mmhg/s。
具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式五或六不同的是：所述步驟五中規(guī)定的壓力為200mmhg。
具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式六至七之一不同的是：所述電空變換器10通過調(diào)節(jié)自身電磁閥開口的大小控制微型氣泵8進(jìn)入到袖帶9內(nèi)的空氣量。
具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式六至八之一不同的是：所述光電二極管pd的感光中心波長與發(fā)光二極管led的波長相同。
所述光電容積傳感器7包括一個led和一個pd；
所述led為一個發(fā)光二極管，pd為光電二極管。
led作為光源，pd作為接收器；光源為近紅外光，pd的感光中心波長與led的波長相同；將pd接收到的光電容積信號，通過放大、濾波處理得到光電容積交流部分的信號pgac，即容積脈搏波信號。
檢測系統(tǒng)的組成如圖6所示。該系統(tǒng)主要由四部分組成，即：
(1)加壓裝置及壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)；由微型氣泵、電空變換器和壓力傳感器組成
(2)光電容積檢出系統(tǒng)；由光電傳感裝置組成，包括一個發(fā)光二極管(led)和一個光電二極管(pd)。
(3)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)；由信號處理電路、放大濾波電路、a/d轉(zhuǎn)換器和控制單元組成
(4)基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測數(shù)據(jù)分析與計算。
采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：
實施例一：
本實施例一種基于容積脈搏波梯度變化的血壓檢測裝置及方法具體是按照以下步驟制備的：
下面采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：
步驟一，將袖帶用醫(yī)用粘帶固定于手腕處，光電傳感裝置位于袖帶內(nèi)側(cè)橈動脈正上方，距離手腕邊界20～30mm；
步驟二，打開電源，由微型氣泵、電空變換器和壓力傳感器組成的加壓裝置和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作，以3～5mmhg/s的勻速速率給袖帶加壓；
步驟三，光電傳感裝置工作，將袖帶加壓過程中血管光電容積交流部分的信號pgac，即容積脈搏波信號檢出；
步驟四，由壓力傳感器檢測到的袖帶壓力信號和由光電傳感裝置檢測到的容積脈搏波信號通過電子回路濾波、放大處理并經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后送到控制單元，記錄袖帶壓力信號和容積脈搏波信號，如圖7所示；
步驟五，控制單元對容積脈搏波信號分析處理，找到容積脈搏波信號的振幅最大點，并計算振幅最大點前相鄰波形波谷的振幅梯度和振幅最大點后相鄰波形波峰的振幅梯度，如圖8、圖9所示，得到波谷的振幅梯度最大點對應(yīng)的袖帶壓力信號和波峰的振幅梯度最大點所對應(yīng)的袖帶壓力信號，確定波谷的振幅梯度最大點對應(yīng)的袖帶壓力信號就是舒張壓信號，波峰的振幅梯度最大點所對應(yīng)的袖帶壓力信號就是收縮壓信號，將袖帶壓力信號轉(zhuǎn)換成壓力信號，就可得到橈動脈的收縮壓和舒張壓。
實驗準(zhǔn)確找到了波谷的振幅梯度最大點和波峰的振幅梯度最大點及其所對應(yīng)的袖帶壓力信號。
本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。