基于左右肱动脉脉搏波传输时间差的动态血压测量装置及方法

摘要

本发明公开了基于左右肱动脉脉搏波传输时间差的动态血压测量装置及方法。本发明装置包括脉搏波采集探头、数据处理模拟电路单元、动态血压计主体部分，脉搏波采集探头与数据处理模拟电路单元电连接，数据处理模拟电路单元与动态血压计主体部分电连接，脉搏波采集探头采集血压数据并传输给数据处理模拟电路单元，数据处理模拟电路单元将接收到的数据进行预处理，并将预处理数据发送给动态血压计主体部分，动态血压计主体部分进行脉搏波数据的处理和血压数值的计算。本发明动态血压测量可以动态的监测血压，并降低对测量者姿态的要求，可以在正常生活中进行测量，方便实现24小时全天血压监测而基本不影响被测者正常生活。

说明书

【技术领域】

本发明属于血压测量技术领域，涉及一种动态输出血压数值的装置及方法，具体是一种 利用脉搏波传输速度法进行非侵入式连续血压测量的装置及方法。

【背景技术】

目前，常用的血压测量装置有水银血压计、基于测振法的电子血压计等，这些血压计都 需要一个可以进行充气的袖带，将其环绕于被测者的手臂上进行测量。关于此类血压测量装 置的专利已有公布，例如美国专利4625277、5215096和6602200等。基于测振法的电子血压计 和水银血压计采用的柯式音法均基于血管卸载理论。以基于测振法的电子血压计为例，当袖 带内静压力大于收缩压时，动脉关闭，袖带内因近端脉搏的冲击而出现小幅度的振荡波；当 静压力小于收缩压时，波幅逐渐增大；静压力等于平均动脉压时，动脉管壁处于去负荷状态， 波幅达到最大。静压力小于平均动脉压时波幅逐渐减小，当静脉压小于舒张压后，动脉管壁 在舒张期已经充分扩展，波幅维持在较小水平。这样就可以通过压力传感器的自动测量获取 舒动脉血压。

袖带式血压测量方法已经在临床上得到广泛的应用，但是袖带式血压计存在以下几个缺 点：第一、充放气需要一个过程，这就决定了测量一次血压需要花费较长的时间，两次血压 测量过程之间的血压信号无法得到监测，而这段时间的血压很可能发生了波动，这样血压信 号就会被遗漏，显然过去的定时血压测量已经无法满足需求。第二、袖带环绕于手臂上进行 充放气，会引起被测者的不适感，尤其是在频繁测量的情况下，严重时，甚至会对被测者的 皮肤等组织造成损害。因此，需要研制一种新型非袖带式动态血压计。

连续无创血压测量是在每一个心动周期内完成血压的测量。目前已经出现了一些无创连 续血压监测方法，其中一种方法就是利用脉搏波传输速度来计算血压。心脏的间歇性收缩舒 张和射血将产生从动脉根部出发，沿着动脉网传播的脉搏波。脉搏波传输速度(Pulse wave  velocity，PWV)是指脉搏沿动脉传导的速度也就是指脉搏波从动脉的一特定点沿管壁传播至 另一点的速率。相关研究证明，脉搏波传输速度与血压相关，美国专利5649543、5865543和 6599251以及其他一些专利文献已公开利用脉搏波传输时间或者脉搏波传输速度来预测血压 的方法。

目前，脉搏波传输速度的获取方法主要包括以下几类：(1)采样手腕桡动脉和手臂肱动 脉处脉搏波的单臂采样计算脉搏波传输速度法；(2)采样手腕桡动脉结合心电信号特征点计 算脉搏波速度法；(3)利用光电容积描述法采样指端脉搏波信号的脉搏波速度计算方法。

上述第(2)种采样脉搏波，根据脉搏波传输速度测量血压的优势是能够实现动态监测， 最大程度的获取血压信息，不会出现关键数据的遗漏；而且这种方法不需要袖带，这样就避 免了长时间重复测量可能造成的肌体损伤。但是，现有利用脉搏波传输速度测量血压的方法 也有其自身的不足，主要有以下几点：

第一、脉搏波针对不同的使用者要进行校准，也就是建立脉搏波传输速度和被测者血压 的关系，而且即使同一使用者也需要定期进行校准，以提高血压测量精度。但是校准技术存 在问题，通过动脉两点间的脉搏波计算脉搏波传输速度，和当时通过袖带血压计测得的血压 值进行校准，而在以后使用中，采样点的位置有可能发生偏移，这样就存在一个血管长度即 脉搏波传输距离的误差，它将直接导致最终血压输出误差的增加。如果要克服这个误差，需 要在每次使用时进行校准，但显然是很麻烦的。

第二、采样缺乏稳定性，由于采样方法一般选用手腕桡动脉或者通过光电容积描述法采 样指端脉搏波，这些点对于人体的活动比较敏感，因此要求被测者在测量期间保持静止，这 不利于实现24小时的动态监测。

【发明内容】

为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明公开了一种基于左右肱动脉脉搏波传输时 间差的动态血压测量装置及方法。

本发明采取以下技术方案：基于左右肱动脉脉搏波传输时间差的动态血压测量装置，包 括脉搏波采集探头、数据处理模拟电路单元、动态血压计主体部分，脉搏波采集探头与数据 处理模拟电路单元电连接，数据处理模拟电路单元与动态血压计主体部分电连接，脉搏波采 集探头采集血压数据并传输给数据处理模拟电路单元，数据处理模拟电路单元将接收到的数 据进行预处理，并将预处理数据发送给动态血压计主体部分，动态血压计主体部分进行脉搏 波数据的处理和血压数值的计算。

所述的动态血压测量装置，动态血压计主体部分包括数据采集单元、数据处理单元、数 据输出单元和控制单元，数据采集单元与数据处理模拟电路单元相连而通讯，数据采集单元 与数据处理单元相连，数据处理单元又与数据输出单元、控制单元相连，所述的数据采集单 元将数据处理模拟电路单元采集的模拟信号转换成数据处理单元可以处理的数字信号；数据 处理单元将数据采集单元输出的脉搏波信号进行处理，计算出血压数值，向数据输出单元输 出，同时具有向控制单元发送指令的功能；控制单元将测量结果提供给数据处理单元，用于 校准；数据输出单元将数据处理单元传输的最终血压值和脉搏波波形输出。

所述的动态血压测量装置，数据采集单元采用AD转换器。

所述的动态血压测量装置，数据输出单元采用LCD液晶屏。

所述的动态血压测量装置，脉搏波采集探头采用脉搏波传感器，输出为微弱电信号。

所述的动态血压测量装置，脉搏波传感器采用双采集点的差分脉搏波传感器。

所述的动态血压测量装置，数据处理单元直接插接于所述的动态血压机主体部分上。

本发明基于左右肱动脉脉搏波传输时间差的动态血压测量方法，其按如下步骤进行：

首先，将脉搏波波传感器贴附于左右臂肱动脉处，采样左右臂肱动脉脉搏波信号，经A/D 转换成数值信号；

然后，判断是否是第一次使用，若是，则开始校准过程：利用血压计测量血压，依次测 得第一个特征血压、第二个特征血压，而后进入等待并读取A/D转换结果；若否，则等待并读 取A/D转换结果；

等待并读取A/D转换结果后，依次进行数据滤波、计算相位差、计算血压、系统滤波；

而后，判断是否有协议请求，若是，则请求数据输出，再进入脉搏波、血压、脉率输出 及显示；若否，则进入脉搏波、血压、脉率输出及显示；

最后，返回至等待并读取A/D转换结果。

本发明的理论基础是：由于绝大多数人的心脏偏左，这就决定了从心脏出发到达左右手 臂肱动脉的距离不同，而这段距离差就每个个体而言相对固定，这样脉搏波到达左右臂肱动 脉采集点就有了一个稳定的传输距离差。因而，在测得相应的脉搏波传输时间差后，结合电 子血压计进行初始化标定，就可以建立脉搏波传输速度与血压的关系。

本发明动态血压测量克服了传统袖带型血压计无法动态监测和充放气操作可能对被测者 肌体组织造成损伤的缺点，也实现了正常活动情况下的血压监测并降低动态血压监测校准频 率，它可以实现全天持续监测血压，且由于被测者的非剧烈运动对该装置血压输出值造成的 波动较小，所以该血压测量装置对被测者日常活动的影响较小。

本发明动态血压测量可以动态的监测血压，并降低对测量者姿态的要求，可以在正常生 活中进行测量，方便实现24小时全天血压监测而基本不影响被测者正常生活。此外，由于每 个个体的左右臂肱动脉到达心脏的距离差是一个恒定量，这样就避免了基于脉搏波传输速度 法的血压测量装置中常见的由于两点测量距离变化导致的测量误差。

【附图说明】

图1是本发明动态血压测量装置的结构示意图。

图2是本发明动态血压计主体部分的结构框图。

图3是左右臂肱动脉脉搏波传输时间差示意图。

图4是脉搏波采集探头结构设计图。

图5是脉搏波采集探头的仰视图。

图6是脉搏波采集探头的左视图。

图7是本发明数据处理模拟电路单元的电路图。

图8是本发明动态血压测量方法的流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本专利作进一步说明。

参照图1，动态血压测量装置包括脉搏波采集探头101、数据处理模拟电路单元102、动态 血压计主体部分103。脉搏波采集探头101与数据处理模拟电路单元102通过定制接口电连接， 数据处理模拟电路单元102与动态血压计主体部分103电连接。其中，脉搏波采集探头101可以 采用PVDF膜等柔软材料制作，也可以是光电二极管、压电陶瓷片等封装而成的脉搏波传感器， 输出为微弱电信号。本实施例采用差分脉搏波传感器，如图4-6所示，优选采用双采集点的设 计，其能对信号进行差分处理，相比现有脉搏波传感器能够更稳定的采集脉搏波信号。脉搏 波采集探头101分别贴附于被测者的两手臂肱动脉处(使测量脉搏波传输时间差的动脉血管长 度差保持恒定，避免了因采样点偏移引起的测量误差)，负责采集血压数据并传输给数据处理 模拟电路单元102。脉搏波传感器可以贴附于手臂肱动脉处而不需要袖带，不会对肌体造成伤 害(胶粘即可，采用医药胶布粘贴也可)。数据处理模拟电路单元102可直接插接于主体部分103 上，也可通过导线与主体部分103相连。数据处理模拟电路单元102将左右肱动脉信号进行预 处理，包括放大、滤波(包括差分)等处理，并将预处理数据发送给动态血压计主体部分103。 数据处理模拟电路单元102的电路原理详见图7。主体部分103进行脉搏波数据的处理和血压数 值的计算及输出。

参照图2，动态血压计主体部分103包括数据采集单元201、数据处理单元202、数据输出 单元203和标定数据输入单元，数据采集单元201与数据处理模拟电路单元102相连而通讯，数 据采集单元201与数据处理单元202电相连，数据处理单元202又与数据输出单元203、标定数 据输入单元204电相连。上述数据采集单元201、数据处理单元202、数据输出单元203和标定 数据输入单元204都可以采用现有技术来实现通常他们做在同一块电路板上。例如，数据采集 单元201可以采用各种AD转换器，它负责将数据处理模拟电路单元102采集的模拟信号转换到 数据处理单元202可以处理的数字信号。数据处理单元202可以采用以各种微处理器为核心搭 建，负责将数据采集单元201输出的脉搏波信号进行处理，计算出血压数值，向数据输出单元 203输出，同时具有接受标定数据输入单元204传输过来的标定数据用于血压值计算。标定数 据输入单元204负责在首次使用时输入标定数据，通常标定数据单元优选键盘。数据输出单元 203可采用各种数字化输出工具，如LCD液晶屏，负责将数据处理单元202传输的最终血压值和 脉搏波波形输出。

具体测量过程：首先，将两个脉搏波采集探头101平行固定于手臂肱动脉处，这样就能确 保两个动脉采样点到达心脏的距离差保持不变，避免了脉搏波传输距离误差。因为当左右采 样点对称时，采样点到达心脏距离差是由心脏偏离中心位置程度决定的，而心脏偏离中心程 度就个体而言是个定值，这也就决定了脉搏波传输时间差是个定值，如图3所示。然后，将主 体部分103、数据处理模拟电路单元102通过腰带等织物固定与被测者身体上，即可开始进行 血压的测量。

将脉搏波波传感器贴附于左右臂肱动脉处，采样左右臂肱动脉脉搏波传输时间差，提高 了脉搏波传输时间差采样精度。利用血压计进行校准，这需要在首次使用和以后的使用中定 期进行通常为每月一次，利用血压计数值和脉搏波传输时间建立关系方程，并记录方程系数 (参见下文血压计算)。首先使用传统血压计测得两个特征血压值P0和P1，通过标定数据输入 单元204输入到数据处理单元202，这时数据处理单元202的程序会处于标定子程序，数据处理 单元202会采集前端脉搏波信号计算测量脉搏波传输时间差，建立脉搏波传输时间与血压的关 系方程，并将方程系数存放到内存中去。这样就完成了一次校准。大多数情况下，已经获得 血压与脉搏波传输时间关系方程系数，不需要血压计进行校准。

脉搏波数据采集过程：

1、两个脉搏波采集探头101贴附于左右手臂肱动脉处获取微弱脉搏波信号；

2、数据采集单元201对前端信号进行模拟电路数据处理，包括滤波电路、放大电路等；

3、模数转换电路将数据采集单元201输出的模拟信号转换成数字信号，本文模数转换器 包含在数据处理单元202。

经过这三个步骤，脉搏波数字信号已经采集完成。

脉搏波的数据处理过程包括：

1、数字滤波包括中值滤波等，这些数字滤波程序已经很成熟，比较常见，不再详述。

2、周期T的计算：周期计算通过判断脉搏波数字信号峰值来计算，计算相邻波峰采样点 时间差即为脉搏波周期T。

3、相位差的计算，计算两路脉搏波数据的相位差，由于已经将两路脉搏波信号转换成 为了数字信号，假设为Y[n]、X[n]。这样就可以通过数据处理单元202采用数字信号处理的方 法来计算，优选的方案是利用DFT来计算相位差，也可以采用波峰检测，即监测两路信号波峰 采样点时间差的方法。DFT计算血压的方案是：对两路脉搏波数字信号分别做DFT计算，直接 计算出基波的初相，然后做差求出相位差。计算过程如下：

$X\left(m\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}x\left(n\right)e^{(-j2\mathrm{\pi nm}/N)}---\left(1\right)$

$=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}x\left(n\right)[\cos (2\mathrm{\pi nm}/N)-j\sin (2\mathrm{\pi nm}/N)]$

其中n为采样点数，m为谐波次数，这里取1。

令X(m)的实部为Re[X(m)]，虚部为Im[X(m)]，则可以计算出信号初相：

同理可以计算出另外一路信号初相位：

则(4)

(4)式即为计算的相位差结果。

4、将相位差转换为时间差，假设传输时间差是t，则

血压的计算：现有文献和专利已经论证血压变化量和脉搏传导时间变化量成正比。这样 也就可以根据脉搏波传输时间的变化量来估算出血压的变化量。假设血压为P，传输时间为t， 则可得下式：

ΔP＝aΔt       P-P₀＝a(t-t₀)            (5)

P＝at-(at₀+P₀)                           (6)

式(6)可以简化为P＝at-b                               (7)

这样就可以看出血压和传输时间大致是一个一次线性关系，而人体的血管壁厚度等参数 可以认为短时间内是不会变化的，那么就可以通过一次或者多次的传统血压测量来对获取参 数a、b，然后由式(7)计算动态血压值。

电子血压计现已很成熟，利用传统血压计测量一次血压数值，代入式(7)，结合(4)式计算 的相位差，即可计算得到参数a，b。这样以后数据处理单元202就能实时输出血压数值。

与现有血压计相比，本发明提供的血压参数测量装置具有能够实现舒适测量和减少校准 次数的优点，其可以方便地佩戴在被测者的身上，而不会对被测者的日常生活造成影响。

参见图8，本发明基于左右肱动脉脉搏波传输时间差的动态血压测量的方法，步骤如下：

首先，将脉搏波波传感器贴附于左右臂肱动脉处，采样左右臂肱动脉脉搏波信号，经A/D 转换成数值信号；

然后，判断是否是第一次使用，若是首次使用需要进行校准，开始校准过程：利用血压 计测量血压，依次测得第一个特征血压、第二个特征血压，而后进入等待并读取A/D转换结果； 若否，则等待并读取A/D转换结果；

等待并读取A/D转换结果后，依次进行数据滤波、计算相位差、计算血压、系统滤波；

而后，判断是否有协议请求，若是，则请求数据输出，再进入脉搏波、血压、脉率输出 及显示；若否，则进入脉搏波、血压、脉率输出及显示；

最后，返回至等待并读取A/D转换结果。

前述过程中：

计算相位差计算两路脉搏波数据的相位差，由于已经将两路脉搏波信号转换成为了 数字信号，假设为Y[n]、X[n]。这样就可以通过数据处理单元202采用数字信号处理的方法来 计算，优选的方案是利用DFT来计算相位差，也可以采用波峰检测，即监测两路信号波峰采样 点时间差的方法。DFT计算血压的方案是：对两路脉搏波数字信号分别做DFT计算，直接计算 出基波的初相，然后做差求出相位差。计算过程如下：

$X\left(m\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}x\left(n\right)e^{(-j2\mathrm{\pi nm}/N)}---\left(1\right)$

$=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}x\left(n\right)[\cos (2\mathrm{\pi nm}/N)-j\sin (2\mathrm{\pi nm}/N)]$

其中n为采样点数，m为谐波次数，这里取1。

令X(m)的实部为Re[X(m)]，虚部为Im[X(m)]，则可以计算出信号初相：

同理可以计算出另外一路信号初相位：

则(4)

(4)式即为计算的相位差结果。

将相位差转换为时间差，假设传输时间差是t，则

计算血压：现有文献和专利已经论证血压变化量和脉搏传导时间变化量成正比。这样也 就可以根据脉搏波传输时间的变化量来估算出血压的变化量。假设血压为P，传输时间为t， 则可得下式：

ΔP＝aΔt             P-P₀＝a(t-t₀)           (5)

P＝at-(at₀+P₀)                                (6)

式(6)可以简化为P＝at-b                        (7)

这样就可以看出血压和传输时间大致是一个一次线性关系，而人体的血管壁厚度等参数 可以认为短时间内是不会变化的，那么就可以通过一次或者多次的传统血压测量来对获取参 数a、b，然后由式(7)计算动态血压值。

系统滤波和数据滤波只是简单的数据滤波，去除高频干扰让数字信号更加稳定，这是通 用技术，不再详述。

本发明动态血压测量的方法可以基于本发明动态血压测量装置而进行，也可以独立进行。

以上结合特定的优选实施方案详细地阐述了本发明。然而，这些详细的描述和具体的例 子仅是一种说明而非对本发明的限定，对于本领域普通技术人员而言，根据这些详细的说明 显然可以做出各种在本发明范围内的修改和变形。