基于柯氏音产生机理的无创血压模拟器

摘要

本发明公开了一种基于柯氏音产生机理的无创血压模拟器，包括血流动力学模拟装置和上臂模型，其中，所述血流动力学模拟装置，用于产生一个幅度、频率可调的模拟血流，提供符合上臂模型的肱动脉输入所需的脉动流；所述上臂模型，整体呈圆柱状，用于模拟人体肱动脉和肌肉组成的上臂，其外部套设有血压袖带，在袖带的压力下产生振动，形成柯氏音信号；本发明设计的模拟器属于一种体外循环模拟系统，实现对主动脉以及肱动脉内血压以及血流量分配的模拟，且在基于对柯氏音及振荡波产生机理进行分析的基础上，实现对人体血压无创测量过程的模拟，从而实现对电子血压计的计量检定。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗机械领域，尤其涉及一种基于柯氏音产生机理的无创血压模拟器。

背景技术

血压计测量的血压量值通常是指动脉血压，即动脉血管内血液对于单位面积血管壁的侧压力，包括收缩压和舒张压。血压计依据测量方式可以分为有创式和无创式两类，目前应用比较广泛的是无创式血压计，而电子血压计是无创式血压计的典型代表。

电子血压计通常利用示波法来测量血压，即通过对袖带内高频压力振荡波信号的自动分析来测量收缩压、舒张压以及平均压。但是，当袖带压力处于收缩压或舒张压附近时，袖带内的振荡波幅度并无显著的变化特征，只能通过经验公式利用平均压“算出”收缩压和舒张压的量值，这个经验公式会随着血压计制造商的不同而各异，因此在收缩压和舒张压的测量准确性方面，不同血压计的生产商之间存在着差别。

无创血压模拟器即是用于对电子血压计的测量准确性进行评估的仪器。目前已有的一类模拟器的工作原理是采集一部分人群的振荡波数据以及对应的收缩压和舒张压，在与被测血压计相连时再根据被测血压计的放气压力变化向袖带内输出对应的振荡波，再由被测血压计计算出收缩压/舒张压结果，然后将这一结果与模拟器内记录的收缩压/舒张压数据进行对比，得到评估结果，如在《A simulator for oscillometric blood-pressure signalsto test automated noninvasive sphygmomanometers》文献中即是采用如此原理。

另一类模拟器则是建立模拟血压测量过程完整机理的仿真模型，包括：一个血液动力学循环系统，提供符合生理特征的血压和血流；一个上臂模型包括模拟的肱动脉及其外包裹组织。通过向模拟肱动脉内输入符合生理特征的血液流动，将被测血压计的袖带缠绕在上臂模型上，柯氏音信号与振荡波信号的产生过程与人体上测量血压的过程一致。如专利公开号为CN102247132的专利中即是采用该原理制成。

然而，上述第一类无创血压模拟器虽然是目前市场上的普遍产品，因为其产生的振荡波数据是事先采集的，采集时的放气速度是一定的。在检测电子血压计时，电子血压计本身的放气速度随着厂家的不同而不同，虽然此类无创血压模拟器是根据袖带内放气过程中的压力值来输出相应的振荡波信号，但是很难保证所产生的振荡波曲线与被检血压计在实际人体测量时的振荡波曲线一致。

第二类模拟器建立的是一套完整的上臂力学模型，与血压测量相关信号例如柯氏音、振荡波的产生是袖带压力与模型内的血管以及外包过组织的共同作用产生，其产生的机理与人体实际测量血压过程一致，因此，该模拟器的结果输出不受被测电子血压计的不同而发生改变。此类模拟器用于检测电子血压计具有较好的重复性和准确性。但是，由于人体血压测量过程的力学机理较为复杂，目前未出现成熟的类似产品。专利公开号为CN102247132中没有对柯氏音产生机理的模拟方案，相应的振荡波产生模拟方案亦缺失，所建立的流体系统仅有肱动脉一支，没有相应的流体网络，在肱动脉受压关闭时，肱动脉入口的压力必然大幅度增加。

因此，如何设计一种基于柯氏音产生机理的并能够模拟人体血压测量过程的无创血压模拟器便成为了亟待解决的问题。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明现提出基于柯氏音产生机理的无创血压模拟器，以解决原有的电子血压计的放气速度和不同品牌造成的对检测结果的影响，以及没有建立基于柯氏音及振荡波产生机理的模拟器等问题。

本发明所公开的基于柯氏音产生机理的无创血压模拟器，包括血流动力学模拟装置和上臂模型，其中，

所述血流动力学模拟装置，连接所述上臂模型，用于循环产生一个幅度、频率可调的模拟血流，提供符合上臂模型的模拟肱动脉输入所需的脉动流；

所述上臂模型，整体呈圆柱状，用于模拟人体肱动脉和肌肉组成的上臂，其外部套设有血压袖带，通过给所述袖带加压并放气，使所述上臂模型中产生柯氏音信号及电子血压计测量所需的振荡波信号。

进一步地，所述血流动力学模拟装置包括一个由直线电机带动活塞进行运动的动力源，活塞内置于一缸体中，在所述缸体的侧壁和底壁均开设有小孔，侧壁小孔至底壁小孔之间安装有呈方形绕回的主回流管道，主回流管道中设有至少一个单向阀门，在所述主回流管道上还开设有孔形成至少一个分流管道，所述分流管道中的液体流经过所述上臂模型后再重新回流至主回流管道中，最后经过一单向阀门回流至所述缸体内。

进一步地，所述单向阀门包括第一单向阀和第二单向阀，其中，所述第一单向阀，设于靠近所述侧壁小孔的主回流管道中，所述第二单向阀，设于靠近所述底壁小孔的主回流管道中，在所述第一单向阀后还安装有第一传感器，所述第一传感器之后还设有第一流体组件，所述分流管道的入口设于所述第一传感器和第一流体组件之间，在靠近所述上臂模型的分流管道中也还分别设有第二流体组件和第三流体组件，所述第二流体组件、第三流体组件与所述上臂模型之间还分别设有第二传感器和第三传感器。

进一步地，所述流体组件包括流体阻力器和流体液容器，所述第一流体组件的液容器的截面积大于所述主回流管道的截面积，所述第二流体组件和第三流体组件中的液容器的截面积也均大于分流管道的截面积。

进一步地，所述上臂模型包括一个邵氏硬度极低的模拟肱动脉的软管，所述软管外侧设有弹性与人体肌肉类似的外包裹组织，外包裹组织外侧包覆有一层薄型硅胶，形成两个连通的第一密闭腔和第二密闭腔，在其中所述一密闭腔中还充满水，且通过连通管与设置在外部的储液罐相连，还包括一回流管，引导模拟血流回流至分流管道中。

进一步地，所述外包裹组织包括第一模拟肌肉和第二模拟肌肉，分别设在所述软管的两侧，用于对所述软管进行挤压。

优选地，所述第一和/或第二模拟肌肉的内表面设计成凸缘形。

优选地，所述回流管为硬性材料制成，其穿过其中的第一和/或第二模拟肌肉。

优选地，所述外包裹组织整体呈圆柱形，其圆直径为90mm。

进一步地，所述储液罐中还密闭有一定体积的空气。

与现有技术相比，本发明所提供的基于柯氏音产生机理的无创血压模拟器，立足于对柯氏音以及振荡波信号产生的源头进行模拟，而非简单地仅仅在袖带内通过气动的方式产生振荡波，本模拟器的柯氏音信号、振荡波信号均是连续信号，且是基于柯氏音产生机理产生的，避免了现有的模拟器在信号采集与回放过程中的失真，同时避免了由于血压计的不同所造成的检测重复性差的问题。

附图说明

图1是本发明所述的基于柯氏音产生机理的无创血压模拟器的的结构示意图；

图2是图1中的上臂模型的结构示意图。

图中，各附图标记如下：1—直线电机；2—活塞；3—缸体；4—主回流管道；5—第二单向阀；6—第二流体组件；7—第三流体组件；8—第三传感器；9—第二传感器；10—上臂模型；11—袖带；12—电子血压计；13—液体流向；14—第一流体组件；15—第一传感器1；16—主控计算机；17—第一单向阀；21—软管；22—第一密闭腔；23—第一模拟肌肉；24—第二模拟肌肉；25—回流管；26—密闭腔连通管；27—第二密闭腔；28—输入口。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定部件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分部件的方式，而是以部件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本新型的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

柯氏音产生的机理是，通过袖带加气压挤血管，使血流完全堵断，这时用听诊器听血管的波动声是没有的，然后慢慢放气至听到脉搏声，此时认为是高压即收缩压。继续放气通过听诊器能听到强而有力的脉搏声，且慢慢变轻，直至听到很平稳较正常脉搏声。这时认为血管完全未受挤压，也就是作为低压，即舒张压。本发明是在对柯氏音及振荡波产生机理进行分析的基础上，设计了一套上臂模型，配以相应的血流动力学模拟装置，建立一个能够模拟人体血压测量过程的无创血压模拟系统。如图1所示，本发明所述的无创血压模拟器主要由血流动力学模拟装置、上臂模型10以及电子血压计组成，其中，

所述血流动力学模拟装置，通过一管道连接所述上臂模型10，用于循环产生一个幅度、频率可调的模拟血流，提供符合上述上臂模型10中的肱动脉输入所需的脉动流，模拟血流流经所述上臂模型10，经过上臂模型10的作用重新回流至血流动力学模拟装置中，循环利用。

所述上臂模型10，整体呈圆柱状，主要用于模拟由人体肱动脉及肌肉组成的上臂，此外，所述上臂模型10外部套设有袖带，在袖带11的压力及模拟血流的作用下，使模拟血管发生振动，形成柯氏音信号以及血压计检测所需的振荡波信号。因为人体肱动脉位于肘窝位置表浅，能清楚地摸到搏动，临床上常做为测血压时的听诊部位。血压袖带11的一端连接在电子血压计12上，测试时，我们按照血压计12本身的使用流程给所述袖带11加压并放气，进而压缩到所述上臂模型10，进而检测出产生的柯氏音信号及与其相伴的振荡波信号，通过将被测电子血压计12的测量结果与已知的模拟器数据进行对比，完成被测电子血压计12的检测。

具体来说，所述血流动力学模拟装置包括一个由直线电机1带动活塞2进行往复运动的动力源，所述直线电机1的运转速度由主控计算机16进行编程控制，活塞2的往复运动可产生模拟的收缩压和舒张压，活塞2的运动速度由电机1控制，活塞2内置于一圆柱状的缸体3中，缸体3内存储有一定量的液体，其密度和特性与血液基本相同，可模拟人体的血液，在此可称作模拟血流，在所述缸体3的侧壁和底壁均开设有小孔，侧壁处的小孔至底壁小孔之间还安装有呈方形绕回或圆环形绕回的主回流管道4，在靠近两小孔的主回流管道4中设有至少一个单向阀门，主要用于控制液体的流向，在本发明中，所述单向阀门包括两个，即第一单向阀17和第二单向阀5，所述第一单向阀17设在靠近侧壁的小孔的主回流管道4中，第二单向阀5设在靠近所述底壁小孔的主回流管道4中，单向阀门将控制所述液体流沿特定的方向流动，图中箭头13表示本发明的液体流向，为逆时针方向。

在所述主回流管道4中的两个不同部位也开设有孔使其形成一分流管道18，所述分流管道18可以开设多个，本发明中仅开设一条，所述分流管道中的液体从其中的一个孔中流出，经过所述上臂模型10的作用再重新从另一孔中回流至主回流管道4中，最后经过所述第二单向阀5回流至缸体3内，其中，通过活塞2运动速度的变化可实现主回流管道4及分流管道中的液体流动的不同速度，活塞2的运动速度由电机控制，其中，所述主回流管道4的横截面积大于所述分流管道18的横截面积。

在所述第一单向阀17后还安装有第一传感器15，在所述第一传感器15之后还设有第一流体组件14，所述分流管道的入口设于所述第一传感器15和第一流体组件14之间，在流入和流出所述上臂模型10的分流管道中还分别设有第二流体组件6和第三流体组件7，所述第二流体组件6、第三流体组件7与所述上臂模型10之间还设有第二传感器9和第三传感器8，用于检测出流入或流出的液体流量的大小或者压力值，其中，第二、第三传感器分别设于靠近所述第二、第三流体组件处，第一传感器15设在靠近所述第一单向阀17之后，这样检测的值将更加精确。

所述流体组件主要由流体阻力器和流体液容器组成，所述第一流体组件14的液容器的截面积大于所述主回流管道4的截面积，所述第二流体组件6和第三流体组件7中的液容器的截面积也均大于分流管道的截面积，这样可以很方便的控制液体流量的大小，也可以起到缓冲的作用。

通过上述各个流体组件的作用，以及第一传感器15、第二传感器9以及第三传感器8检测到的数据，可以分配模拟主动脉根部和上臂模型肱动脉入口处的压力和流量，使之符合人体中主动脉根部和肱动脉的血压和血流分配关系，各个传感器检测到的压力和血流信号均传输至主控计算机16中。本发明中的血流动力学模拟装置除了给所述上臂模型10的肱动脉输入所需的脉动流，也按照人体生理实际分配了肱动脉输入脉动流与动力源输出的总脉动流之间的比例关系，这样在袖带11加压至收缩压以上时，模拟肱动脉的输入压力不会发生大幅度增加，从而与人体真实的测量过程保持一致。

参照如2所示，本发明还包括一个主要对无创测量血压这一力学过程的模拟的上臂模型10，所述上臂模型10采用特制材料完全模拟人体真实的上臂结构，达到准确测试的目的。具体来说，其包括一个邵氏硬度极低的软管21，软管21采用硅胶制造，其弹性与人体肱动脉接近，且可以更换不同硬度的软管以模拟不同硬度的肱动脉。所述软管21外侧为外包裹组织，其弹性与人体肌肉接近，外包裹组织上包覆有一层薄型的硅胶，形成两个连通的第一密闭腔22和第二密闭腔27，所述外包裹组织包括有模拟肌肉，设在软管21周边，实现对软管的挤压特性，本发明是在软管21的两边设有两块模拟肌肉，即第一模拟肌肉23和第二模拟肌肉24，两者在外部袖带压力的挤压下对位于两者之间的模拟肱动脉(即软管)进行挤压，其挤压方式为两面式而非圆周式，这样可以最大限度的克服模拟血管壁表面张力的影响。此外，我们将所述第一和/或第二模拟肌肉的内表面设计成凸缘形，这样在压迫模拟血管时形成点式压缩，确保模拟血管开启时的瞬间流量以产生声音。需要说明的是，本发明中所述的模拟血管实质上是分流管道中的液体流过上臂模型中的软管21形成的类似血管模型。

其中，在所述其中一密闭腔中充满水，优选为第一密闭腔22中注入水，且通过连通管26与设置在外部的储液罐(图中未示出)相连，所述储液罐中还密闭有一定体积的空气，也就是采用一定密度的气体和液体混合而成，且气体的体积可调。密闭腔的作用有两个，一是将袖带11压力传导至模拟血管的外壁，二是通过调节储液罐中的密闭空气体积调节上臂模型整体的弹性，通过密闭腔内的液体实现袖带压力的向内传导。从分流管道18中进入的模拟血流从输入口28进入软管21中，这样，模拟血管在密闭腔中处于较深的位置以利于被压缩，而在柯氏音传出区域(从第二密闭腔27中传出)则走行至模型表面，其上只有一层薄型硅胶，这个区域同样充满水，以利于声音传导至表面被听诊器侦测到。该模拟肱动脉的走行方式，由深入浅，在实现对模拟肱动脉的加压前提下，确保声音及振动的有效传导。

所述上臂模型10中还包括一回流管25，回流管25能够平滑的引导液体回流至分流管道18中进而至血流动力学模拟装置中，所述回流管25材质为硬性材料，如不锈钢等，穿过模拟肌肉，以对整个上臂模型10提供支撑。

采用本发明所述的基于柯氏音产生机理的无创血压模拟器进行血压检测的原理如下：

模拟器运作时，按照需要产生的收缩压、舒张压数值以及血压波形，由主控计算机16通过电机1控制活塞的运动速度曲线，往复推动缸内液体经由第一单向阀17射入主回流管道4，进入主回流管道4中的流体分两路，一路流经原来的主回流管道4的路线，另一路通过分流管道18，流经上臂模型中的模拟肱动脉，再经过第二单向阀5回流至缸体。通过调整相应的第一、第二以及第三流体组件，使得主回流管道4的起始处(通过第一传感器15检测)以及上臂模型10的出、入口(通过第二、第三传感器检测)处的压力波型符合要求。被测血压计的袖带11套至上臂模型外，按照血压计的工作模式进行加压，第一模拟肌肉23和第二模拟肌肉24在袖带11压力的作用下对软管(模拟血管)进行对夹式的点区域压缩，在袖带内压力增加至收缩压以上时，模拟血管将关闭，之后血压计12进行放气，随着袖带压逐步降低至收缩压时，由于模拟血管只发生了极小区域的关闭，输入端的血流将间断性冲开模拟血管，从而导致下游的血管发生振动，这一振动将在柯氏音传出区域传递至上臂模型表面，形成柯氏音；振荡波信号是从属于柯氏音的振动信号，在柯氏音信号正常产生的前提下，袖带内随之会出现振荡波信号，该信号可用于电子血压计的检测。

与现有技术相比，本发明设计的模拟器属于一种体外循环模拟系统，实现对主动脉以及肱动脉内血压以及血流量分配的模拟，在对柯氏音及振荡波产生机理进行分析的基础上，建立了一套上臂模型，配以相应的血流动力学模拟装置，建立一个能够模拟人体血压测量过程的无创血压模拟器。本模拟器的柯氏音信号、振荡波信号均是连续信号，且是基于柯氏音产生机理产生的，排除了被测血压计的放气速度、品牌的不同对检测结果的影响。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。