一种基于四肢血压脉搏的心脏血管功能参数的计算方法

摘要

一种基于四肢血压脉搏的心脏血管功能参数的计算方法，属于生物力学技术领域。利用脉搏波传感器和血压传感器检测四肢的动脉血压和压力脉搏波，实现心脏功能，动脉网硬化程度、心脏和血管功能的血流参数的无创同步检测。其步骤是，先采集四肢肱动脉和踝动脉的血压和脉搏波信息，对采集的一系列脉搏波进行波形平均，分别获取四肢肱动脉和踝动脉的平均波形。基于波形分析获取的波形特征参量和非线性脉搏波理论，建立四肢脉搏波与压力梯度、血流量之间的关系，然后在血流量和四肢脉搏血压数据信息基础上，计算获得心脏血管功能参数。本发明将为心脏血管系统提供一种经常性、无创伤、易操作、快输出、价格低廉的检测手段。

说明书

技术领域

本发明属于生物力学技术，涉及计算机程序，电路设计等，可用于心脏血管功能参 数的无创计算。

背景技术

心血管疾病已经成为危害全球和我国成人健康并导致死亡的首要病症，但是心血 管疾病早期临床症状不明显，直至并发症恶化才会对心血管疾病进行诊断。目前，心血管疾 病的诊断技术主要分为直接法和间接法两种。直接测量法可提供精度较高的、可记录的连 续数据，但是这些参数数据的获取是通过有创检测手段得到，该方法不仅存在着一定的风 险性，而且对医生的临床水平或医疗设备的技术都有当高的要求。间接测量法在临床上应 用较多的是通过心血管仪器诊断，如超声心动图法、心阻抗法、螺旋CT、核医学、磁共振 (MRI)等方法；虽然是无创检测，但是检测环境要求严格、不能随身携带等缺点，被检查者只 能在专门的医疗场所、由专业的医疗人员进行检测。虽然目前的心血管疾病的检测技术在 临床上已经结合应用并提供了好的预测方法，但是仍然有很多高危患者未被发现。

国内外学者一直致力于基于脉搏波研究心脏血管系统的无创检测技术，已经建立 设计了无创检测模型、方法和仪器装置，但仍存在一些问题，如：评价参数单一、模型中涉及 较多的假设和猜测及产品技术壁垒等问题。所以心脏血管系统的无创检测方法有待于进一 步改进与优化。

此外，由于现代人们的健康意识大大提高，针对上述心功能的检测方法成本高、操 作复杂且只适用于专门的医疗机构，离心血管疾病的健康普检及家庭保健还存在很大差 距。本发明提出了基于四肢血压脉搏的心脏血管的无创计算方法，该方法将为心脏血管功 能检测提供一种经常性、无创伤、易操作、快输出、价格低廉的检测方法和手段；同时也为心 脏血管系统的无创检测方法提供理论基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于四肢血压脉搏波的心脏血管系统功能参数的计算 方法，该方法可以无创同步检测人体的四肢肱动脉和踝动脉的血压和脉搏波的8路信息，依 据8路信息和非线性脉搏波理论同步检测人体的心脏功能、动脉网硬化程度、血液流变学指 标等心脏血管功能的状态参数。其目的在于，提高无创检测计算心功能参数的准确性，避免 现有的有创检测手段的有创性及高成本等问题。

所述的四肢肱动脉和踝动脉搏波需进行波形平均，其平均的是四肢压力传感器提 取的压力脉搏波分量，波形平均的步骤，包括：首先读取波形数据，标定完整的波形求出周 期，然后对波形进行周期和幅值归一化处理，使脉搏波单波数据具有统一的幅值和长度，并 求得平均波形。

所述的非线性脉搏波理论，建立四肢血压、血流量两个基本血流动力学参量和四 肢脉搏波之间的关系式，并根据人体心脏血管系统的固有特征参数或者几何参数，推导出 四肢血压脉搏数据、血流量与心脏血管功能参数的关系式并进行计算。

所述的计算方法，主要利用非线性脉搏波理论和四肢血压脉搏波数据，建立压力 梯度与血流量，血流量与心脏血管功能参数的关系模型；利用数值分析计算出一个心动周 期内不同时刻的四肢血流量的数值解，利用统计学的回归方法分别推算四肢血流量的回归 系数，修正得出人体血流量及平均血流量；在血流量和四肢脉搏血压数据信息基础上，计算 求解心脏血管功能参数参量。算法中将通过误差分析对计算结果进行判断是否达到收敛， 若收敛，则输出结果；否则将进行迭代计算。

所述的8路信息的检测装置，包括脉搏波传感器、血压传感器，A/D转换电路、接口 电路及附属电路等，对同步检测并采集的四肢血压及脉搏波8路数据信息，通过USB集线器 传输到PC端，通过上位机的程序控制下位机，并对检测到的血压波形数据进行处理、存储和 输出。该硬件部分，操作简单，易检测，成本低，用时短。

所述的8路信息的检测状态，包括静息状态、定量运动和运动后再次静息状态下的 血压和脉搏波信号。其目的在于，用静态参数表示个体某一时刻的生理状态，用动态参数表 示个体经历运动时的自身调节功能及运动结束后个体做出的自我调节反应。

一种基于四肢血压脉搏的心脏血管功能参数的计算方法，可以为人体的心脏血管 系统提供一种经常性、无创伤、易操作、快输出、价格低廉的检测手段；可以适用于社区医 疗、康复保健、运动健身、休闲疗养等医疗保健机构的健康普检。

本发明的特征在于，在上位机和下位机中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)，上位机和下位机初始化：

上位机输入：被测者的个人信息，包括性别、年龄、身高、体重、肩宽既往病史等信 息。

下位机检测：被测者肱动脉和踝动脉四肢的脉搏波和血压。

上位机记录：被测者肱动脉和踝动脉四肢的脉搏波波形和血压压力值。

步骤(2)，上位机自动检测、记录、保存四肢的脉搏波波形图，对得到的波形图利用 周期和幅值归一化处理进行波形平均，然后按下式计算分别得到一个心动周期内被测者的 四肢平均动脉压P_mf，平均动脉压为一个心动周期内四肢分别对应的动脉压力的平均值。

$P_{mf}=\frac{1}{T}{\int }_0^{T}P{\left(t\right)}_{f}dt$

T为一个心动周期,f为四肢的标号，f＝1，2，3，4分别表示右上肢、左上肢、右下肢、 左下肢，P(t)_f为一个心动周期内不同时刻各采样点对应的脉压值,(f＝1，2，3，4)。

步骤(3)，按下式计算波形因子k_f，(f＝1，2，3，4)。

$k_f=\frac{P_{mf}-P_{df}}{P_{sf}-P_{df}}$

P_df为舒张压，P_sf为收缩压，均为四肢肱动脉和踝动脉的实际测量值,(f＝1，2，3， 4)。

步骤(4)，按下式计算肱动脉和踝动脉压力脉搏波的传播速度c(t)_f：

$c{\left(t\right)}_f=\sqrt{P{\left(t\right)}_f(1+b_f*ln(\frac{P{\left(t\right)}_f}{Pmf}\left)\right)/{\mathrm{\rho b}}_f}$其中：

P(t)_f为一个心动周期内不同时刻各采样点对应的脉压值,(f＝1，2，3，4)；

ρ为血液密度，ρ＝1.05*10^-3kg/cm³；

b_f为脉搏波波形参数，按下式计算,(f＝1，2，3，4)：

$b_f=\frac{a{\left(\frac{0.81}{k_f+0.48}\right)}^2-1}{n}$

a为与速度剖面有关的参数，a＝0.57；

步骤(5)，按下式计算肱动脉和踝动脉压力脉搏波的空间压力梯度F(t)_f,从而得 到一个心动周期内不同时刻的压力梯度,(f＝1，2，3，4)。

$F{\left(t\right)}_f={\left(\frac{\partial p}{\partial z}\right)}_f=-\frac{1}{c_{1f}}{\left(\frac{dP\left(t\right)}{dt}\right)}_f{[1+{\Sigma }_{m=1}^{\infty }\left(b_{mr}cos\right({\omega }_{m}t)-b_{mI}sin({\omega }_{m}t\left)\right)]}_f$其中：

为一个心动周期内不同时时刻压力对时间的导数，c_1f(f＝1，2，3，4)为四肢 动脉内的血液脉搏波的传播速度，ω_m为四肢动脉内脉搏波的角频率，b_mr，b_mI为 四肢动脉内脉搏波的系数m＝1,2,3……，按下式递推得出：

$b_{mr}=u_{m+1}(\frac{c_1}{c_{m+1}}-1)-{\Sigma }_{h=1}^m(u_h{b}_{(m-h)r}-v_h{b}_{(m-h)I})$

$b_{mI}=v_{m+1}(\frac{c_1}{c_{m+1}}-1)-{\Sigma }_{h=1}^m(v_h{b}_{(m-h)r}+u_h{b}_{(m-h)I})$其中

$u_m=\frac{m(a_1{a}_m+d_1{d}_m)}{a_1^2+d_1^2}$

$v_m=\frac{m(a_1{a}_m-d_1{d}_m)}{a_1^2+d_1^2}$

$a_m=\frac{1}{T}{\int }_0^T(P-P_m)cos\left(\frac{2m\pi t}{T}\right)·dt$

$d_m=\frac{1}{T}{\int }_0^T(P-P_m)sin\left(\frac{2m\pi t}{T}\right)·dt$

P_m为平均动脉压，P为血压在动脉内坐标Z和时间t的函数,其傅立叶形式为： $P(Z,t)=P_m+{\Sigma }_{m=1}^{\infty }{B}_m{e}^{{\mathrm{iw}}_m(t-\frac{z}{c_m})},$幅值和频率等由实测波形获得。

步骤(6)，按下式计算一个心动周期内不同时刻肱动脉和踝动脉四肢的血流量Q (t)_f,(f＝1，2，3，4)。

${\left(\frac{dQ\left(t\right)}{dt}\right)}_f+\lambda {\left(t\right)}_{f}Q{\left(t\right)}_f+ϵ{\left(t\right)}_f{Q}^2{\left(t\right)}_f=A{\left(t\right)}_{f}F{\left(t\right)}_f$其中：

λ(t)_f为血流量随时间变化的一次幂系数；ε(t)_f为血流量随时间变化的二次幂系 数；A(t)_f为一个心动周期内血管半径随时间变化的函数，主要描述一个心动周期内血管弹 性收缩扩张的动态过程,Q(t)_f为一个心动周期内不同时刻肱动脉和踝动脉各采样点对应 的血流量值(f＝1，2，3，4)。

λ(t)_f用下式表示,(f＝1，2，3，4)：

$\lambda {\left(t\right)}_f=\frac{8\alpha \gamma }{R^2{\left(t\right)}_f}-\frac{\beta [{\beta }_1^2{\left({\alpha }_2{\beta }_{2m}\right)}^4-1]}{P_{mf}-[{\beta }_1^2{\left({\alpha }_2{\beta }_{2m}\right)}^4-1](P{\left(t\right)}_f-P_{mf})}{\left(\frac{dP\left(t\right)}{dt}\right)}_f$其中：

α为生理条件下人体修正系数，是计算λ(t)_f时涉及一个心动周期内血流量随时间 变化时的非线性脉搏波传播系数，α＝0.57；

β为生理条件下人体修正系数，是计算λ(t)_f时一个心动周期内血管半径随时间 变化时的非线性脉搏波传播系数，与血管半径弹性扩张有关，β＝0.1.173；

γ为血液运动粘度，为血液动力粘度与血液密度的比值；

β₁为正常生理条件下血管在体长度与血管受力平衡时长度的比值，β₁＝0.57；

β_2m为血管受力平衡时半径与未变形时血管半径比值，β_2m＝1.105；

α₂为生理条件下人体修正系数，

ε(t)_f用下式表示，(f＝1，2，3，4):

其中：

为血管中自然状态下的半锥角，

β₀为生理条件下人体修正系数，是计算ε(t)_f时一个心动周期内血管半径随时间变 化时的非线性脉搏波传播系数，与血管半径弹性收缩有关，β₀＝-1.5；

A(t)_f用下式表示，(f＝1，2，3，4):

$A{\left(t\right)}_f={\mathrm{\pi R}}^2{\left(t\right)}_f=\pi {[R_m*\sqrt{1+b_f*ln\frac{P{\left(t\right)}_f}{P_{mf}}}]}^2$其中：

$R_m=0.042+0.000625(1+0.36\sqrt{G})\sqrt{hl}$其中：

G为被测者年龄，h为被测者身高，l为被测者肩宽，均为实测值。

步骤(7)，按下式并利用预估-修正的方法计算肱动脉和踝动脉四肢血流量Q(t)_f的预估值和修正值Q(t)_(n+1)f，(f＝1，2，3，4)从而分析计算出一个心动周期内不同 时刻四肢分别对应的血流量数值解，(f＝1，2，3，4)。

$Q{\left(t\right)}_{(n+1)f}^{*}=Q{\left(t\right)}_{nf}+TG(Q{\left(t\right)}_{nf},{\tau }_{nf})\Delta \tau$

$Q{\left(t\right)}_{(n+1)f}=Q{\left(t\right)}_{nf}+T[G(Q{\left(t\right)}_{nf},{\tau }_{nf})+G\left(\right(t)Q_{(n+1)f}^{*},{\tau }_{(n+1)f})]\Delta \tau /2$

n表示时间序列号，n＝1,2,……N，表示(n+1)时刻的四肢血流量预估值， Q(t)_(n+1)f表示(n+1)时刻的四肢血流量修正值，G(Q(t),τ)为中间函数,而 τ_n＝(n-1)Δτ，τ为时间量纲，N为一个心动周期T内的采样点数，在数值上等于一个心动周 期T内的采样时刻数。

步骤(8)，按下式计算一个心动周期不同时刻的人体血流量Q(t)，

Q(t)＝δ₁Q(t)₁+δ₂Q(t)₂+δ₃Q(t)₃+δ₄Q(t)₄+δ其中：

δ₁，δ₂，δ₃，δ₄是Q(t)₁，Q(t)₂，Q(t)₃，Q(t)₄的修正参数，均为常数项，δ为常数项，且参 数的数值解通过医学统计学中的非线性回归方法确定。

步骤(9)，按下式迭代计算判断血流量的误差：

$\left|\frac{Q\left(t\right)-Q{\left(t\right)}_0}{Q{\left(t\right)}_0}\right|\le 5\%$其中：

Q(t)₀为健康人群的人体血流量的参考值。迭代计算血流量的相对误差应满足误 差率小于5％，若不符合应重复步骤(2)-(8)，至误差判定小于5％；如果执行上述操作后误 差仍然大于5％，则修正血流量拟合公式的回归系数，直至$\left|\frac{Q\left(t\right)-Q{\left(t\right)}_0}{Q{\left(t\right)}_0}\right|\le 5\%.$

步骤(10)，按下式计算一个心动周期内的人体平均血流量Q_m，

$Q_m=\frac{1}{T}{\int }_0^{T}Q\left(t\right)dt$

步骤(11)，按照下式计算心脏功能血流参数，心搏出量SV、心输出量CO、心搏指数 SI、心脏指数CI和总血容量BV。

$SV={\int }_0^{T}Q\left(t\right)dt=Q_{m}T(ml/B)$

$CO=Q_m\frac{HR}{1000}(L/min)$

$SI=\frac{SV}{BSA}(ml/B/m·m)$

$CI=\frac{CO}{BSA}(L/m^{2}min)$

BV＝2.65*BSA(L)其中：

HR为心率，由实际测量获得。BSA为表示人体总表面积，按下式计算。

BSA(m²)＝0.0061H(cm)+0.0128W(kg)-0.1592其中：

H和W分别为身高和体重，由实际测量获得。

步骤(12)，按下式计算外周血管的血管参数，外周阻力TPR和顺应性C两个参数。

$TPR=\frac{P_m}{CO}(mmHg/ml)=80\frac{P_m}{CO}(dyn·s/{\mathrm{cm}}^5)$

$C=\frac{SV}{Ps-Pd}(ml/B/mmhg)$其中：

P_S为右上肢肱动脉收缩压，P_d为右上肢肱动脉舒张压，均有由实际测量获得。P_m为 平均动脉压，按下式计算

$P_m=\frac{P_S+2*P_d}{3}$

步骤(13)，按下式计算微循环的血流参数，血流半更新率ALK、血流半更新时间ALT 和血液平均滞留时间TM等参数。

$ALK=\frac{0.0126*CO}{BSA}(1/s)$

$ALT=\frac{ln2}{ALK}\left(s\right)$

$TM=\frac{1}{ALK}\left(s\right)$

步骤(14)，按下式计算心脏做功参数，心脏平均功率MPP、心脏每搏运动功SKE。

MPP＝P_m*Q_m(mJ)

$SKE={\int }_0^{Ts}{P}_{S}Q\left(t\right)dt+{\int }_0^{Ts}\frac{\rho Q{\left(t\right)}^3}{2S^2}d\left(t\right)\left(mJ\right)$其中：

Ts为收缩间期，S为主动脉瓣口面积2.5-3.5cm²，ρ为血液密度，ρ＝1.05*10^-3kg/ cm³，P_S为右上肢肱动脉收缩压。

本项目组已经基于非线性脉搏波理论和桡动脉的波形信息，已得到血液粘度的无 创检测算法，计算所得的结果满足临床的健康生理值范围。本发明在此基础上改进算法，并 基于肱动脉和踝动脉四肢的血压脉搏数据来评测心脏血管系统的健康状况。此外，本发明 基于的硬件设备，操作简单，检测方便，用时少，花费少，对于心脏功能和动脉硬化早期的健 康普检具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明的测量示意图；

图2为本发明的流程示意图；

图3为本发明的波形、血流量及心功能参数计算示意图。

具体实施方式

下面结合以下实施例对本发明做进一步说明。

参照本发明的流程示意图，具体的实施步骤如下：

步骤一、输入、采集、保存个人信息及四肢血压的波形数据。

步骤二、波形标定、幅值与周期归一化、统一波形中采集点的个数、得到一个完整 的平均波形，计算四肢分别对应的动脉压力平均值，并提取波形中的特征点。

步骤三、计算相关的波形参数，波形因子k_f、脉搏波的传播速度c(t)_f、脉搏波波形 参数b_f、血管半径参数A(t)_f、血流量随时间变化的一次幂系数λ(t)_f、血流量随时间变化的 二次幂系数ε(t)_f；设定人体中与波形相关的生理参数与修正系数，血液密度：ρ＝1.05*10^-3kg/cm³、血液运动粘度γ、血管中自然状态下的半锥角：人体修正系数：a＝ 0.57、β＝0.1.173、β₁＝0.57、β_2m＝1.105、β₀＝-1.5。

步骤四、计算肱动脉和踝动脉压力脉搏波的空间压力梯度F(t)_f。

$F{\left(t\right)}_f={\left(\frac{\partial p}{\partial z}\right)}_f=-\frac{1}{c_{1f}}{\left(\frac{dP\left(t\right)}{dt}\right)}_f{[1+{\Sigma }_{m=1}^{\infty }\left(b_{mr}cos\right({\omega }_{m}t)-b_{mI}sin({\omega }_{m}t\left)\right)]}_f$

步骤五、计算一个心动周期内不同时刻肱动脉和踝动脉四肢的血流量Q(t)_f，并存 储。

${\left(\frac{dQ\left(t\right)}{dt}\right)}_f+\lambda {\left(t\right)}_{f}Q{\left(t\right)}_f+ϵ{\left(t\right)}_f{Q}^2{\left(t\right)}_f=A{\left(t\right)}_{f}F{\left(t\right)}_f$其中：

步骤六、计算一个心动周期不同时刻的人体血流量Q(t)

Q(t)＝δ₁Q(t)₁+δ₂Q(t)₂+δ₃Q(t)₃+δ₄Q(t)₄+δ其中：

δ₁，δ₂，δ₃，δ₄是Q(t)₁，Q(t)₂，Q(t)₃，Q(t)₄的修正参数，均为常数项，δ为常数项，且参 数的数值解通过医学统计学中的非线性回归方法确定。

步骤七、迭代计算判断血流量的误差：

$\left|\frac{Q\left(t\right)-Q{\left(t\right)}_0}{Q{\left(t\right)}_0}\right|\le 5\%$

若误差大于5％，则返回步骤二，并重新执行步骤二至步骤六，至误差判定小于 5％；如果执行上述操作后误差仍然大于5％，则修正血流量拟合公式的回归系数，直至误差 判定小于等于5％。

步骤八、计算一个心动周期内的人体平均血流量Q_m，

$Q_m=\frac{1}{T}{\int }_0^{T}Q\left(t\right)dt$

步骤九、计算心脏功能血流参数，心搏出量SV、心输出量CO、心搏指数SI、心脏指数 CI和总血容量BV。

步骤十、计算外周血管的血管参数，外周阻力TPR和顺应性C两个参数。

步骤十一、计算微循环的血流参数，血流半更新率ALK、血流半更新时间ALT和血液 平均滞留时间TM等参数。

步骤十二、计算心脏做功参数，心脏平均功率MPP、心脏每搏运动功SKE。