基于光电容积脉搏波的血液在体流动性测量装置

摘要

本发明提供一种基于光电容积脉搏波的血液在体流动性测量装置，测量装置包括袖带、袖带压力控制机构、光电容积脉搏波检测装置、检测电路和信号处理模块，通过检测双侧脉搏波波形进行分析，使用公式表示要测量的血液在体流动性，R表示度量袖带放气后波形恢复的快慢程度，PR表示脉率，BV决定了波形恢复的快慢，此值越大，恢复的越慢，说明血液恢复至充气前的状态所需要的时间越长，则血液的在体流动性越差，反之如果BV的值越小，则血液在体流动性越好。本发明的测量过程中血液是在人体的实际流动环境中进行测量，所得到的测量结果能反映血液在毛细血管中流动的真实的流动性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测定血液在体流动性的装置，特别是利用无创无损的检测手段来测量血液在生命体内流动性的测量装置，属于血液在体流动性测量技术领域。

背景技术

一般来说，血液在体流动性取决于血液在血管中流动的顺畅程度和动脉血管的弹性。血液在血管中流动越顺畅和动脉弹性越好越有利于血液在体的流动。血液在血管流动的顺畅程度取决于血液的粘稠度。血液粘稠度的影响因素有：血细胞因素，如血细胞的浓度、聚集性和变形性；血浆性因素，如血浆蛋白（特别是纤维蛋白原、免疫球蛋白）、血糖、血脂、纤溶活性等。血管性因素，如血管长度、直径和内膜光滑度等。其他因素，如情绪、生活模式、吸烟和饮酒等。一般较小的微动脉血管只允许单个血细胞通过，当血细胞的聚集性增加、变形性降低时，血细胞通过毛细血管的阻力增加，影响血细胞在血管中的流动速度，表现为血液粘稠度的增加，血液在体流动性较差。

随着技术的进步，人们已经能够借助仪器设备从体表观察到某些部位的血液流动的情况，尤其是微循环的血液流动情况。在临床或实验室，人们常使用显微镜来从体表观察手指或足趾甲皱、眼球结膜、舌、唇、皮肤等部位的微循环血液流动情况。所使用的显微镜可以是一般的医用显微镜，也可以是体视显微镜或者专门的微循环显微镜。通过观察这些部位的微循环情况，人们可以直观的评价被观察者的血液流动状况，为临床诊断提供依据。

血液的某些性质至今还为人们所未知，血液离开人体后，其物理和化学性质将会发生改变，所以离体测量具有一定误差。在人体中，血液与血管系统以复杂的方式耦合在一起。血液在体的流动性不仅取决于血液自身的物理化学性质，还和与其相互耦合的血管系统有密切关系。血液的在体流动性是表征血液及其血液流经的血管系统的综合性质的指标，也只有这样，血液的在体流动性才能反映出血液循环的顺畅程度，才能为心脑血管疾病的防治提供更有价值的参考。因此，抛开血液的流动环境来量化血液的流动性是不够客观的。

申请号为WO/2009/069417的国际申请公开了一种血液流动性测量系统及测量方法。该测量系统使事先从人体抽取的经抗凝处理的血液流经装有摄像头的微管道，摄像头能够拍摄到血流流过管道的状态，然后该测量系统再使用图像处理的方法计算出管道内血流的物理化学性质的改变，而且血液流经的是人造管道而不是人体的血管，因此测量的结果只能从一定程度上反映血液的流动性。

中国专利文献CN101692975B公开了一种能够实现无创无损测量的血液在体流动性测量装置，根据心血管流体力学原理建立一个数学模型，通过采集动脉充盈压信号确定动脉充盈压随时间指数衰减的形状来反映血液在体流动性的好坏。但是该装置中固定在被测肢体动脉处的压力检测部件没有一个固定压力的标准，此装置的血液在体流动性是通过动脉充盈压的信号来反映，为正确计算血液在体流动性带来不稳定因素。

光电容积脉搏波是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。由于光电容积脉搏波并不需要复杂的仪器设备，且操作简单、性能稳定，具有无创伤和适应性强等诸多优点，为检测血液在体流动性提供了一种新的方法。一般光电容积脉搏波用来测量血氧饱和度以及估计呼吸率（《先进技术研究通报》，Vol.4 No.6/Jun.2010），被用作测量血液在血管内流动的顺畅程度（即血液在体流动性）的手段还未见报导。

发明内容

本发明针对现有血液流动性测量技术存在的缺陷，提供一种操作简单、能真实反映血液在毛细血管中的流动性的基于光电容积脉搏波的血液在体流动性测量装置。

本发明的基于光电容积脉搏波的血液在体流动性测量装置，包括以下部分：

（1）袖带：绑缚于人体肢体的动静脉处，用于阻断和放开肢体的动静脉血流；

在测量过程中，该袖带先阻断被测肢体的动静脉血流，然后保持一段时间，最后快速放开该肢体的动静脉血流。

需要得到左右手食指指尖处的光电容积脉搏波信号时，将袖带绑缚在人体左侧或右侧的肱动脉处。也可以将袖带绑缚于左侧或右侧的大腿根部或者脚踝部，以得到左右足食趾处的光电容积脉搏波信号。

（2）袖带压力控制机构：与信号处理模块及袖带相连，用于给袖带充放气、保持袖带恒压以及检测袖带内空气的压力值；

在测量过程中，该袖带压力控制机构先给袖带充气使之阻断被测肢体的动静脉血流，然后使袖带保持恒压一段时间，最后给袖带放气使之放开被测肢体的动静脉血流。这样可以得到左右手食指指尖处的包括袖带充气前、袖带压力保持中和袖带放气后三个阶段的光电容积脉搏波信号，或者得到左右足食趾处的包括袖带充气前、袖带压力保持中和袖带放气后三个阶段的光电容积脉搏波信号。

（3）光电容积脉搏波检测装置：与检测电路连接，放于左右手食指的指尖处或左右足的食趾处，用于得到左右手食指指尖处或左右足的食趾处的光电容积脉搏波信号；将左手食指指尖处和左足食趾处的包括袖带充气前、袖带压力保持中和袖带放气后三个阶段的光电容积脉搏波信号称为左侧光电容积脉搏波信号；将右手食指指尖处和右足食趾处的包括袖带充气前、袖带压力保持中和袖带放气后三个阶段的光电容积脉搏波信号称为右侧光电容积脉搏波信号；

（4）检测电路：包括带通滤波器以及与带通滤波器串联的放大电路，与光电容积脉搏波检测装置连接，用于对光电容积脉搏波检测装置采集到的左侧光电容积脉搏波信号和右侧光电容积脉搏波信号分别进行滤波和放大，并分离出经过滤波放大后的交流量；

（5）信号处理模块：与袖带压力控制机构和检测电路相连接，用于控制袖带压力控制机构的充放气，并自动判断血流阻断的袖带压力，并接收经检测电路滤波放大处理后的光电容积脉搏波信号，按以下过程进行数据处理：

①对左侧和右侧光电容积脉搏波信号的交流量进行模数转换，对转换后的数字信号进行重采样，分别得到左侧脉搏波波形序列x(k)和右侧脉搏波波形序列y(k)；利用没有绑缚袖带的那一侧的脉搏波波形（如果是左侧绑缚袖带，因为左侧要绑缚袖带，袖带压力保持阶段就没有波形，计算不出脉率，所以要用右侧的脉搏波波形，反之亦然）上的各特征点（如升支起点、峰值点或切迹）确定脉率PR；

脉率PR是利用没有绑缚袖带的那一侧的脉搏波波形来计算，设没有绑缚袖带的那一侧的脉搏波波形的采样点数为G，采样率为K，升支起点的个数为M，则

②利用左侧脉搏波波形上的升支起点对脉搏波进行分段，得出左侧光电容积脉搏波信号的袖带充气前阶段的第i个心动周期信号的长度L_i，由算术平均得到该阶段心动周期信号的平均周期长度L，以心动周期信号的平均长度L为标准，对左侧光电容积脉搏波信号的袖带充气前阶段进行周期一致化处理，得到左侧脉搏波波形的袖带充气前阶段的第i个心动周期信号采样点{x_ij}，j=1,2,...,L；同理，得到左侧脉搏波波形的袖带放气后阶段的第i个心动周期信号采样点{x′_ij}，j=1,2,...,L；

按照上述同样方法，得到右侧脉搏波波形的袖带充气前阶段的第i个心动周期信号采样点{y_ij}，j=1,2,...,L和右侧脉搏波波形的袖带放气后阶段的第i个心动周期信号采样点{y′_ij}，j=1,2,...,L；

③计算左侧脉搏波波形和右侧脉搏波波形的袖带充气前阶段对应每个心动周期的相似度其中N为平均心动周期的长度，继而得到袖带充气前左右两侧光电容积脉搏波信号的平均相似度其中N为袖带充气前光电脉搏波信号心动周期的个数；

④按照步骤③的方法得到左侧脉搏波波形和右侧脉搏波波形的袖带放气后阶段对应每个心动周期的相似度以袖带充气前光电容积脉搏波信号的平均相似度为标准，建立关系式R=FuzzySD(MSD,SD_i′)来度量袖带放气后波形恢复的快慢程度；

⑤由于每个人的脉率不尽相同，在采集相同时间的脉搏波信号时，每个人的心动周期不相同，由于上式R=FuzzySD(MSD,SD_i')是一个叠加效果，故而要消除脉率的影响，用BV=F(R,PR)来度量血液在血管内流动的顺畅程度，即血液在体流动性。

所述光电容积脉搏波检测装置可采用指夹式光电容积脉搏波传感器，也可以采用其它能够检测光电容积脉搏波的装置。

上述装置进行血液在体流动性测量的具体过程如下：

袖带压力控制机构给袖带充气或放气，阻断或放开进出肢体的血液，并检测袖带内空气的压力值。当袖带没有阻断肢体动静脉时，光电容积脉搏波检测装置所获取的信号经过检测电路处理得到光电容积脉搏波信号。但是当袖带阻断肢体动静脉时，光电容积脉搏波信号则会消失。将得到的左右侧光电容积脉搏波信号送入信号处理模块进行分析，信号处理模块能够根据这两路光电容积脉搏波信号计算出血液在体流动性，最后计算结果通过与信号处理模块相连接的显示器显示出来。

袖带压力控制机构给袖带充气直至肢体动静脉完全阻断后在继续充气使袖带压力再上升一定余量值，以确保在当前以及接下来的测量过程中肢体的动静脉血流是完全阻断的，充气过程中，信号处理模块实时地分析由光电容积脉搏波检测装置检测到的信号经检测电路处理后得到的光电容积脉搏波信号，实时判断脉搏波是否消失，当脉搏波消失时说明袖带压力已经达到收缩压并完全阻断了肢体的动静脉血流，此时信号处理模块发出控制信号给袖带压力控制机构，袖带压力控制机构根据此信号以及前述的余量值来决定何时停止充气。需要说明的是，人体的静脉血压比动脉血压低的多，因此只要判断光电容积脉搏波消失，就可以断定静脉也被阻断了；

当血流被完全阻断后，打乱了袖带充气前原始的血液在血管内的流动状态，袖带压力控制机构在阻断肢体动静脉并停止充气后，会使袖带保持恒压一段时间，恒压时间一般为30秒或不大于5分钟的某个时间，在恒压的这段时间内，血液中的血细胞会发生一些物理结构上的变化。然后给袖带快速放气，恢复肢体血液流动的状态。血液在血管内流动恢复至袖带充气前的状态需要一定的时间，用BV=F(R,PR)式来度量血液恢复至充气前状态的恢复程度，以此来表征血液在体流动性。

由此可见，在上述血液在体流动性恢复的过程中，用袖带加压的一侧的光电容积脉搏波与对侧的光电容积脉搏波相比，需要一定的时间恢复至同侧的脉搏波波形形状（参见图2和图3）。上式中BV决定了波形恢复的快慢，也就是反映了血液在体流动性的好坏：此值越大，恢复的越慢，说明血液恢复至充气前的状态所需要的时间越长，则血液的在体流动性越差，反之如果BV的值越小，则血液在体流动性越好。

本发明在测量血液流动性时不需要抽血，无创无损。由于是在体测量，并且测量过程中血液是在人体的实际流动环境中进行测量，所得到的测量结果能反映血液在毛细血管中流动的真实的流动性，能够为评价血液在体流动性提供更为客观的依据，从而能够为心脑血管疾病的早期诊断和预防提供客观数据。

附图说明

图1是本发明基于光电容积脉搏波的血液在体流动性测量装置的结构原理示意图。

图2是袖带充气前左右两侧光电容积脉搏波信号的波形图（即左侧脉搏波波形和右侧脉搏波波形）。图中虚线是右侧光电容积脉搏波信号，实线是左侧光电容积脉搏波信号。

图3是袖带放气后左右两侧光电容积脉搏波信号的波形图（即左侧脉搏波波形和右侧脉搏波波形）。图中虚线是右侧光电容积脉搏波信号，实线是左侧光电容积脉搏波信号。

图1中：1、信号处理模块，2、袖带压力控制机构，3、袖带，4、光电容积脉搏波检测装置，5、管路，6、光电信号通路，7、检测电路，8、光电容积脉搏波信号通路，9、控制和采集信号通路，10、显示器。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于光电容积脉搏波的血液在体流动性测量装置包括袖带3、袖带压力控制机构2、光电容积脉搏波检测装置4、检测电路7和信号处理模块1。

袖带3绑缚于肢体的动静脉处，用于阻断和放开该肢体动脉、静脉血流，在测量过程中，该袖带3先阻断肢体的动静脉血流，然后保持一段时间，最后放开该肢体的动静脉血流。

袖带压力控制机构2通过管路5与袖带3相连，用于给袖带3充气或放气并检测袖带内空气的压力值。袖带压力控制机构3可以采用现有技术，与现有使用袖带的仪器（如自动电子血压计）所用到的袖带充放气机构的结构类似，具体可由气泵、电动阀和气压传感器组成，气泵和电动阀通过管路连接，电动阀与袖带通过管路连接，气压传感器安装在电动阀与袖带之间的管路上，气阀、电动阀和气压传感器均与信号处理模块连接。开启气泵可以给袖带充气，关闭气泵即可停止充气，打开电动阀可以给袖带放气，关闭气泵和电动阀可使袖带保持恒压，气压传感器可以检测袖带内空气压力值。信号处理模块1控制气泵和电动阀，并采集气压传感器的信号，这样即可实现对袖带3的充放气、保持袖带恒压以及监测袖带内空气的压力值的功能。在测量过程中，该袖带压力控制机构2先给袖带3充气使之阻断被测肢体的动静脉血流，然后使袖带3保持恒压一段时间，最后给袖带3放气使之放开被测肢体的动静脉血流。

本发明中光电容积脉搏波检测装置4采用指夹式光电容积脉搏波传感器，夹在左右手食指指尖处，经光电信号通路6检测安放部位的血流光电容积脉搏波信号。

光电信号通路6与检测电路7相连接，将血流状态检测装置检测到的光电信号经血流光电信号通路6送入检测电路7，再经光电容积脉搏波信号通路8输出光电容积脉搏波信号到信号处理模块1。检测电路7仅允许频率高于截止频率的信号成分通过，因此血流状态检测装置4所获取的光电信号经过检测电路7放大滤波后可以得到光电容积脉搏波信号。该检测电路7带通滤波器低截止频率应根据具体情况设定在0.5Hz-2Hz的范围内，高截止频率应根据具体情况设定在25Hz-40Hz的范围内，本实例中该检测电路7的带通滤波器低截止频率设为0.8Hz，高截止频率设为30Hz。根据现有技术，上述检测电路7可以实现滤波的功能，也可以通过软件来实现滤波功能，也可以软件和硬件相结合的方式来实现滤波功能。

左右侧光电容积脉搏波检测装置4分别通过检测电路7放大滤波与信号处理模块1相连接，将光电容积脉搏波信号送入信号处理模块1进行分析计算。信号处理模块1可以选用一个微处理器。

同时，信号处理模块1与袖带压力控制机构2和显示器10连接，向袖带压力控制机构2发出控制信号9，控制其对袖带3进行充放气。显示器10用于显示采集到的左右侧光电容积脉搏波信号和计算的结果。

以下结合图1以左上肢肱动脉处绑缚袖带为例详细说明本发明的装置进行血液在体流动性测量的整个过程：

测量前，先将袖带3绑缚于人体左侧上肢的肱动脉处，将光电容积脉搏波检测装置4分别夹在左右手食指指尖处。在袖带充气前，信号处理模块1不断采集并记录由检测电路7送来的左右侧光电容积脉搏波信号。在袖带充气前大约采集10秒的数据。

启动袖带压力控制机构2给袖带3充气至左上肢收缩压以上30mmHg。充气过程中，信号处理模块1实时地分析左侧光电容积脉搏波信号，并实时检测光电容积脉搏波是否消失以判断充气是否已经达到左上肢收缩压并经控制和采集信号通路9向与之相连的袖带压力控制机构2发出控制信号，袖带压力控制机构2收到此控制信号后继续充气使袖带3压力再升高30mmHg再停止充气。

充气停止后，袖带压力控制机构2使袖带3继续保持恒压一段时间，本实例中袖带3恒压时间为30秒。

袖带3恒压过后，袖带压力控制机构2使袖带3快速放气，使左上肢的血流状况得到恢复。

如图2所示，从实验的实际结果来看，信号处理模块1所采集到的袖带充气前、袖带恒压和袖带放气后左右侧光电容积脉搏波信号，其中黑色实线表示的脉搏波信号为左手食指指尖处的光电容积脉搏波检测装置经过检测电路滤波放大处理后送入信号处理模块1的光电容积脉搏波信号，虚线表示的脉搏波信号为右手食指指尖处的光电容积脉搏波检测装置经过检测电路滤波放大后送入信号处理模块1的光电容积脉搏波信号。

信号处理模块1则根据袖带3采集到袖带充气前和放气后的左右侧光电容积脉搏波信号计算出血液在体流动性。本发明是通过左右侧光电信号的模糊相似度来度量脉搏波波形的恢复程度和速率，计算血流阻断30秒后脉搏波波形的恢复程度和速率的方法不做过多的限制。信号处理模块1计算出的最后结果通过与之相连的显示器10进行显示。

本发明所述装置也可以从左右双侧下肢测量血液在体流动性。将袖带3绑缚于大腿根部或者脚踝部，将光电容积脉搏波采集装置夹在左右侧足的食趾处，则本发明所述装置即可从下肢测量出血液在体流动性，其具体过程与上肢进行测量是相同的。在实际应用中，测试者可以根据受试者的具体情况进行测量部位的选择，比如有些受试者上肢残疾或者正在实施静脉注射，则可以选择从下肢测量。

信号处理模块1的数据处理过程如下：

（1）对左侧和右侧光电容积脉搏波信号的交流量进行模数转换，对转换后的数字信号进行重采样，分别得到左侧脉搏波波形序列x(k)和右侧脉搏波波形序列y(k)；利用没有绑缚袖带的那一侧的脉搏波波形（如果是左侧绑缚袖带，因为左侧要绑缚袖带，袖带压力保持阶段就没有波形，计算不出脉率，所以要用右侧的脉搏波波形，反之亦然）上的各特征点（如升支起点、峰值点或切迹）确定脉率PR；脉率PR是利用没有绑缚袖带的那一侧的脉搏波波形来计算，设没有绑缚袖带的那一侧的脉搏波波形的采样点数为G，采样率为K，升支起点的个数为M，则

（2）利用左侧脉搏波波形上的升支起点对脉搏波进行分段，得出左侧光电容积脉搏波信号的袖带充气前阶段的第i个心动周期信号的长度L_i，由算术平均得到该阶段心动周期信号的平均周期长度L，以心动周期信号的平均长度L为标准，对左侧光电容积脉搏波信号的袖带充气前阶段进行周期一致化处理，得到左侧脉搏波波形的袖带充气前阶段的第i个心动周期信号采样点{x_ij}，j=1,2,...,L；同理，得到左侧脉搏波波形的袖带放气后阶段的第i个心动周期信号采样点{x′_ij}，j=1,2,...,L；

按照上述同样方法，得到右侧脉搏波波形的袖带充气前阶段的第i个心动周期信号采样点{y_ij},j=1,2,...,L和右侧脉搏波波形的袖带放气后阶段的第i个心动周期信号采样点{y′_ij},j=1,2,...,L；

（3）计算左侧脉搏波波形和右侧脉搏波波形的袖带充气前阶段对应每个心动周期的相似度其中N为平均心动周期的长度，继而得到袖带充气前左右两侧光电容积脉搏波信号的平均相似度其中N为袖带充气前光电脉搏波信号心动周期的个数；

（4）按照步骤（4）的方法得到左侧脉搏波波形和右侧脉搏波波形的袖带放气后阶段对应每个心动周期的相似度以袖带充气前光电容积脉搏波信号的平均相似度为标准，建立关系式R=FuzzySD(MSD,SD_i')来度量袖带放气后波形恢复的快慢程度；

（5）由于每个人的脉率不尽相同，在采集相同时间的脉搏波信号时，每个人的心动周期不相同，由于上式R=FuzzySD(MSD,SD_i')是一个叠加效果，故而要消除脉率的影响，用BV=F(R,PR)来度量血液在血管内流动的顺畅程度，即血液在体流动性。