无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统

摘要

本发明公开了一种无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统，包括如下模块：动脉血压测量模块、脑血流测量模块、多通道实时采集/通讯模块、主机模块以及显示模块。这种无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统通过动脉血压测量模块和脑血流测量模块测量动脉血压和脑血流速率信号，并转成相应的模拟电压信号，多通道实时采集/通讯模块将接收到的模拟电压信号转换成同步数字信号，并传输到主机模块，主机模块对接收到的动脉血压信号和脑血流速率信号的同步数字信号进行实时分析处理，推算出血流调节机能的动态情况数据。该系统具有实时、无创、定量、准确、重复性高、可测量个体动态调节机能的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及生理学领域，特别是涉及一种无创脑血流自动调节机能个体化 实时测量系统。

背景技术

脑血流自动调节机能(以下简称“血流调节机能”)，是指当平均动脉压(MABP) 在一定范围内波动时，通过小动脉和毛细血管平滑肌的代偿性扩张或收缩，改 变脑血管阻力(CVR)，使脑血流(CBF)保持相对恒的生理机能。血流调节机能可 通过CBF=MABP/CVR表示，对于正常人，当平均动脉压在50mmHg~170mmHg 范围内波动时，血流调节机能使MABP与CVR成正比变化，从而保证CBF维持相 对恒定。而对于卒中患者，由于动脉粥样硬化使血管的舒缩功能障碍，血流调 节机能的上下限都高于正常人，所以能耐受高血压，但不能耐受低血压。此时 若使用药物导致血压低于血流调节机能范围下限，CBF随MABP被动下降，可造 成灶区脑组织梗死面积增大及神经功能恶化，情况严重时甚至导致患者死亡。 解决这一问题的关键在于对血流调节机能的准确测量。因此，及时、准确的评 价患者的血流调节机能，对于脑血管疾病的诊断及治疗有重要的指导意义。

传统的方法是将血流调节机能视为输入-输出时不变系统的系统辨识方法， 这是一种相对静态的思维方式，其优点是计算简单且非常便于理解，能准确区 分受试群，如区分健康人群和卒中人群。但是对于个体测量，采用这样的模式 过于理想化。导致的实际问题是个体测量结果的可重复性低、短时变化大，即 便是健康受试者在不同时间段的测量结果亦可出现较大差异，因此造成临床医 生难以用此类方法量化评估个体调节机能水平。

发明内容

基于此，有必要提供一种个体测量结果的可重复性较高、短时变化较小的 无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统。

一种无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统，包括如下模块：

动脉血压测量模块、脑血流测量模块、多通道实时采集/通讯模块、主机模 块以及显示模块；

所述动脉血压测量模块用于测量动脉血压信号，并转成相应的模拟电压信 号，并将所述动脉血压信号的模拟电压信号输入到所述多通道实时采集/通讯模 块；

所述脑血流测量模块用于测量得到脑血流速率信号，并转成相应的模拟电 压信号，并将所述脑血流速率信号的模拟电压信号输入到所述多通道实时采集/ 通讯模块；

所述多通道实时采集/通讯模块用于将接收到的所述动脉血压信号的模拟电 压信号和所述脑血流速率信号的模拟电压信号转换成同步数字信号，并传输到 所述主机模块；

所述主机模块用于对接收到的所述动脉血压信号和脑血流速率信号的同步 数字信号进行处理，推算出血流调节机能的动态情况数据，并将所述血流调节 机能的动态情况信息输入到所述显示模块；

所述显示模块用于接收并显示所述血流调节机能的动态情况信息。

在一个实施例中，所述主机模块为工控机、ARM机、PC机和笔记本电脑 的任意一种。

在一个实施例中，所述主机模块包括接口、预处理器、周期检测器、平均 值计算器、降采样处理器、实时脑血流调节机能系统函数估计器和系统特征相 位计算器；

所述接口用于接收所述动脉血压数字信号和所述脑血流速率数字信号，并 将所述动脉血压数字信号和所述脑血流速率数字信号输入到所述预处理器；

所述预处理器基于数字滤波器对所述动脉血压数字信号和所述脑血流速率 数字信号进行20Hz的数字低通滤波，并将预处理后的所述动脉血压数字信号和 所述脑血流速率数字信号输入到所述周期检测器；

所述周期检测器用于对预处理后的所述动脉血压数字信号和所述脑血流速 率数字信号实时进行心动起点检测，并将经过起点检测后的所述动脉血压数字 信号和所述脑血流速率数字信号输入到所述平均值计算器；

所述平均值计算器基于前后两个心动起点计算周期内的经过起点检测后的 所述动脉血压数字信号和所述脑血流速率数字信号的平均值，并将计算得到的 所述动脉血压数字信号和所述脑血流速率数字信号的平均值输入到所述降采样 处理器；

所述降采样处理器基于样条插值法对所述动脉血压数字信号和所述脑血流 速率数字信号的平均值信号进行5Hz重采样，然后基于抗混叠滤波器将所述动 脉血压数字信号和所述脑血流速率数字信号的平均值信号的采样率降低至1Hz， 最后将采样率降低至1Hz的所述动脉血压数字信号和所述脑血流速率数字信号 的平均值信号输入到所述实时系统函数估计器；

所述实时系统函数估计器对所述采样率降低至1Hz的所述动脉血压数字信 号和所述脑血流速率数字信号的平均值信号进行滤波、比较后，进行权值计算， 并将计算得到的结果输入到所述系统特征相位计算器；

所述系统特征相位计算器对所述实时系统函数估计器计算得到的结果求系 统相位响应，并取1/12Hz下的相位，最后将得到的数据输入到所述显示模块。

在一个实施例中，所述实时系统函数估计器包括滤波器、比较器和自适应 权值控制器，所述自适应权值控制器采用递推最小二乘RLS算法、最小均方LMS 算法。

在一个实施例中，所述动脉血压测量模块的检测位置为手指中段末端动脉 或手腕桡动脉。

在一个实施例中，所述动脉血压测量模块包括探头、发光二极管驱动器、 光电管信号调理器、压力传感器、压力信号调理器、动脉血压模拟输出器、模 数采集器、动脉血压核心处理器、阀驱动器、比例阀、气路、气源驱动器和气 源；

所述动脉血压核心处理器包括通讯模块、预处理器、平均压计算器、跟踪 点计算器、比例积分微分调节器、阀控制器、气源控制器和发光二极管控制器；

所述光电管信号调理器、发光二极管驱动器、压力传感器均与所述探头相 连，所述模数采集器、发光二极管驱动器、阀驱动器和气源驱动器均与所述动 脉血压核心处理器相连；所述比例阀、压力传感器、气源和探头均与所述气路 相连；

所述探头包括红外发光二极管、光电管和小气囊；

所述光电管信号调理器和压力信号调理器用于滤波、自动增益放大，进行 工频干扰、基线漂移、运动伪迹、传感器移位的噪声预处理及有用信号的放大、 基线平移；

所述动脉血压模拟输出器进行数字与模拟信号的转换；

所述模数采集器进行模拟与数字信号的转换；

所述气源包括泵、稳压器和缓冲器，用于提供稳定气压。

在一个实施例中，所述动脉血压模拟输出器为位数在10位以上的数模DA 电路或芯片；

所述模数采集器为位数在14位以上的模数AD电路或芯片；

所述动脉血压核心处理器为单片机MCU、精简指令处理器ARM芯片或现 场可编程门阵列FPGA芯片；

所述阀驱动模块、发光二极管驱动器和气源驱动器为脉冲宽度调制PWM控 制电路或DA输出控制电路。

在一个实施例中，所述脑血流测量模块包括经颅超声探头模块、探头驱动 模块、超声调理模块、采样模块、脑血流核心模块、脑血流模拟输出模块；

所述脑血流核心模块包括接口模块、预处理器、血流频谱计算器、频谱包 络计算器、DA输出控制器、探头控制器；所述探头模块与超声调理模块相连；

所述超声调理模块与采样模块相连；所述采样模块、探头驱动模块、脑血 流模拟信号输出模块均与脑血流核心模块相连；所述经颅超声探头模块与探头 驱动模块相连；所述脑血流模拟输出模块与脑血流核心模块相连。

在一个实施例中，所述经颅超声探头模块为固有频率2MHz的脉冲超声发 射和接收器；

所述探头驱动模块为深度选通为30~65cm的脉冲宽度调制PWM控制电路；

所述超声调理模块为超声共振信号的放大、带通滤波电路；

所述采样模块为位数在14位以上的模数AD电路或芯片；

所述脑血流模拟输出模块为位数在10位以上的数模DA电路或芯片；

所述动脉血压核心处理器为精简指令处理器ARM芯片、现场可编程门阵列 FPGA芯片和数字处理DSP芯片的一种或多种组合。

这种无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统通过动脉血压测量模块 测量动脉血压信号，并转成相应的模拟电压信号，通过脑血流测量模块测量得 到脑血流速率信号，并转成相应的模拟电压信号，多通道实时采集/通讯模块将 接收到的动脉血压信号的模拟电压信号和脑血流速率信号的模拟电压信号转换 成同步数字信号，并传输到主机模块，主机模块对接收到的动脉血压信号和脑 血流速率信号的同步数字信号，推算出血流调节机能的动态情况数据。相对于 传统的将血流调节机能视为输入-输出时不变系统的系统辨识方法，这种无创脑 血流自动调节机能个体化实时测量系统个体测量结果的可重复性较高、短时变 化较小。

附图说明

图1为一实施方式的无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统的示意 图；

图2为如图1所示的无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统的动脉血 压测量模块的示意图；

图3为如图1所示的无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统的脑血流 测量模块的示意图；

图4为如图1所示的无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统的主机模 块的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。 附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实 现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本 发明的公开内容的理解更加透彻全面。

如图1所示的一实施方式的无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统， 包括如下模块：

动脉血压测量模块10、脑血流测量模块20、多通道实时采集/通讯模块30、 主机模块40以及显示模块50。

动脉血压测量模块10用于测量动脉血压信号，并转成相应的模拟电压信号， 并将动脉血压信号的模拟电压信号输入到多通道实时采集/通讯模块30。

脑血流测量模块20用于测量得到脑血流速率信号，并转成相应的模拟电压 信号，并将脑血流速率信号的模拟电压信号输入到多通道实时采集/通讯模块30。

多通道实时采集/通讯模块30用于将接收到的动脉血压信号的模拟电压信 号和脑血流速率信号的模拟电压信号转换成同步数字信号，并传输到主机模块 40。

主机模块40用于对接收到的动脉血压信号和脑血流速率信号的同步数字信 号进行处理后，推算出血流调节机能的动态情况数据，并将血流调节机能的动 态情况信息输入到显示模块50。

显示模块50用于接收并显示血流调节机能的动态情况信息。

如图2所示的动脉血压测量模块10，其检测位置可以是手指中段末端动脉 或手腕桡动脉，包括探头、发光二极管驱动器、光电管信号调理器、压力传感 器、压力信号调理器、动脉血压模拟输出器、模数采集器、动脉血压核心处理 器、阀驱动器、比例阀、气路、气源驱动器和气源。

其中，动脉血压核心处理器包括通讯模块、预处理器、平均压计算器、跟 踪点计算器、比例积分微分调节器、阀控制器、气源控制器和发光二极管控制 器。

光电管信号调理器、发光二极管驱动器、压力传感器均与探头相连，模数 采集器、发光二极管驱动器、阀驱动器和气源驱动器均与所述动脉血压核心处 理器相连，比例阀、压力传感器、气源和探头均与气路相连。

探头包括红外发光二极管、光电管和小气囊。

光电管信号调理器和压力信号调理器用于滤波、自动增益放大，进行工频 干扰、基线漂移、运动伪迹、传感器移位的噪声预处理及有用信号的放大、基 线平移。

动脉血压模拟输出器进行数字与模拟信号的转换。

模数采集器进行模拟与数字信号的转换。

气源包括泵、稳压器和缓冲器，用于提供300mmHg左右的稳定气压。

动脉血压模拟输出器为位数在10位以上的数模DA电路或芯片。

模数采集器为位数在14位以上的模数AD电路或芯片。

动脉血压核心处理器为高性能的单片机MCU、精简指令处理器ARM芯片 或现场可编程门阵列FPGA芯片。

阀驱动模块、发光二极管驱动器和气源驱动器可以是脉冲宽度调制PWM控 制电路或DA输出控制电路。

如图3所示的脑血流测量模块20包括经颅超声探头模块、探头驱动模块、 超声调理模块、采样模块、脑血流核心模块、脑血流模拟输出模块。

脑血流核心模块包括接口模块、预处理器、血流频谱计算器、频谱包络计 算器、DA输出控制器、探头控制器，所述探头模块与超声调理模块相连。

超声调理模块与采样模块相连，采样模块、探头驱动模块、脑血流模拟信 号输出模块均与脑血流核心模块相连，经颅超声探头模块与探头驱动模块相连， 脑血流模拟输出模块与脑血流核心模块相连。

经颅超声探头模块为固有频率2MHz的脉冲超声发射和接收器。

探头驱动模块为脉冲宽度调制PWM控制电路，由探头控制器决定脉冲超声 发射的强度、长度、间隔，从而决定其深度选通为30~65cm。

超声调理模块为超声共振信号的放大、带通滤波电路。

采样模块为模数AD电路或芯片，进行模拟与数字信号的转换，为了保证 精度，其位数需要在14位以上。

脑血流模拟输出模块为一个数模DA电路或芯片，进行数字与模拟信号的 转换，为了保证精度，其位数需要在10位以上。

动脉血压核心处理器为精简指令处理器ARM芯片、现场可编程门阵列 FPGA芯片和数字处理DSP芯片的一种或多种组合。

如图4所示，主机模块30包括接口、预处理器、周期检测器、平均值计算 器、降采样处理器、实时脑血流调节机能系统函数估计器和系统特征相位计算 器。

主机模块30可以为工控机、精简指令集处理器ARM机、个人电脑PC机/ 笔记本电脑的任意一种。

接口接收动脉血压数字信号和脑血流速率数字信号，并将动脉血压数字信 号和脑血流速率数字信号输入到预处理器。

预处理器基于数字滤波器对所述动脉血压数字信号和所述脑血流速率数字 信号进行20Hz的数字低通滤波，并将预处理后的所述动脉血压数字信号和所述 脑血流速率数字信号输入到所述周期检测器。

周期检测器基于预处理后的动脉血压数字信号和脑血流速率数字信号实时 进行心动起点检测，并将经过起点检测后的动脉血压数字信号和脑血流速率数 字信号输入到平均值计算器。

平均值计算器基于前后两个心动起点计算周期内的经过起点检测后的所述 动脉血压数字信号和所述脑血流速率数字信号的平均值，并将计算得到的动脉 血压数字信号和脑血流速率数字信号的平均值输入到降采样处理器。

降采样处理器基于样条插值法对动脉血压数字信号和脑血流速率数字信号 的平均值信号进行5Hz重采样，然后基于抗混叠滤波器将动脉血压数字信号和 脑血流速率数字信号的平均值信号的采样率降低至1Hz，最后将采样率降低至 1Hz的动脉血压数字信号和脑血流速率数字信号的平均值信号输入到实时系统 函数估计器。

实时系统函数估计器对所述采样率降低至1Hz的动脉血压数字信号和脑血 流速率数字信号的平均值信号进行滤波、比较后，进行权值计算，并将计算得 到的结果输入到系统特征相位计算器。

系统特征相位计算器对所述实时系统函数估计器计算得到的结果求系统相 位响应，并取1/12Hz下的相位，最后将得到的数据输入到显示模块50。

实时系统函数估计器包括滤波器、比较器和自适应权值控制器，自适应权 值控制器采用递推最小二乘RLS算法、最小均方LMS算法。

这种无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统通过动脉血压测量模块 10测量动脉血压信号，并转成相应的模拟电压信号，通过脑血流测量模块20测 量得到脑血流速率信号，并转成相应的模拟电压信号，多通道实时采集/通讯模 块30将接收到的动脉血压信号的模拟电压信号和脑血流速率信号的模拟电压信 号转换成同步数字信号，并传输到主机模块40，主机模块40对接收到的动脉血 压信号和脑血流速率信号的同步数字信号，推算出血流调节机能的动态情况数 据。相对于传统的将血流调节机能视为输入-输出时不变系统的系统辨识方法， 这种无创脑血流自动调节机能个体化实时测量系统个体测量结果的可重复性较 高、短时变化较小。

该系统具有实时、无创、定量、准确、重复性高、可测量个体动态调节机 能的特点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。