專利名稱：基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于針對脈搏波速度生理參數(shù)的測量技術領域，具體涉及一種基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置及方法。
背景技術：
目前脈搏波速度是一種生理參數(shù)，該生理參數(shù)作為從人體獲取的中間結果的信息或者處理信息，在相應的研究領域是非常重要的參數(shù)，因為脈搏波的傳導速度跟血壓具有正相關的關系，所用在動態(tài)血壓監(jiān)護方面可以把對脈搏波的測量來代替對血壓的監(jiān)護。理論研究和實驗驗證表明，脈搏波速度即PWV跟血管壁的彈性有相關性，而當前最為普遍的電子血壓計并不能很好地測量出脈搏波速度生理參數(shù)。20世紀20年代以來，國外在脈搏波速度的測量方面做了大量的研究，并有相應的產品問世。早在1922年，Brammwell等便開始對脈搏波速度進行測量以了解動脈的彈性；國內在這方面的研究工作還比較少，未能生產出用于臨床醫(yī)療的產品。目前在臨床和科研上用得最多的脈搏波速度生理參數(shù)測量系統(tǒng)主要有兩種:由英國 ScanMed Medical Instruments 公司研發(fā)的 SphgmoCor 系統(tǒng)以及由法國 Artech Medical單位研發(fā)的Complior系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng) 均選擇頸動脈和股動脈作為測量點，但是他們采集數(shù)據(jù)所用的傳感器以及計算脈搏波速度所用的方法都有差異。SphgmoCor以三個心電圖作為參照，采用單通道的系統(tǒng)，記錄脈搏波采用了一種動脈張力計，把得到的兩個被測量脈搏波信號的起始點處的時間差當作脈搏波的傳遞時間；Complior是雙通道的系統(tǒng)，把機械式的換能器作為傳感器，把兩個測量點處的脈搏波信號的上升支斜率最大值所在點對應的時間差當作脈搏波信號的傳遞時間。以上的兩種脈搏波測量系統(tǒng)在總體上是采用了壓電傳感器來記錄位于體表動脈的搏動產生的脈搏波，要準確的測量到脈搏波必須經(jīng)過專門的訓練，需要專業(yè)和技能，操作的復雜性以及其昂貴的價格限制其廣泛應用。日本科林公司的VP -1000測量儀和韓國的PP -1000都是利用波形最低點和心音相結合原理進行設計，采用的方法為加壓袖帶和壓力傳感器的方式檢測脈搏波動。利用袖帶進行脈搏波速度測量時，由于采用加壓袖帶的方法測量上臂和下肢的脈搏波波形，對應于每次袖帶中壓力傳感器位置的不同，人為的袖帶松緊程度不同，將導致測量到的波形不同，因而最低點的位置將受到影響。國內的徐燕等研發(fā)人員從流體力學原理出發(fā)，分析動脈彈性與脈搏波速度的關系，研制了同時采用袖帶壓力傳感器和光電容積傳感器的脈搏波速度生理參數(shù)測量系統(tǒng)。這種方法利用加壓袖帶和壓力傳感器采集人體上肢動脈的壓力波波形，利用光電容積脈搏波采集食指指端動脈。這樣就可以在一條手臂上完成測量工作，使測量過程簡單化。此種算法測量簡單，在計算脈搏波速度時，傳導距離為袖帶傳感器到食指端的距離。在軟件數(shù)據(jù)處理上采用峰值法，對于在一個周期內出現(xiàn)多個峰值，只需要通過一個簡單的閾值就可以找出最大峰值，即主波峰值。但是，脈搏波波形的峰值容易受反射波的影響而發(fā)生偏移，導致測量結果和實際值有一定的差距，所以此方法的測量精度有待于臨床證實。
應用光電傳感器來測量脈搏波傳導速度的系統(tǒng)在臨床上目前應用很少，仍然主要處于研發(fā)階段，其中具有代表性的脈搏波測量系統(tǒng)是以Yung-Kang Chen所在的研究小組研究的基于雙通道的脈搏波信號測量系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用的是透射式的光電傳感器，把手指與腳趾作為了兩個被測量點，由于對于不同個體，兩測量點所經(jīng)過的血管的長度不容易準確計算，因此會產生較大誤差，并且因為透射式的光電傳感器在對測量點選擇方面有很大的局限性，因而系統(tǒng)在使用時有很大的不方便。計算脈搏波時間延遲是計算脈搏波速度的關鍵，其測量誤差越大，計算的脈搏波速度誤差越大。求解兩路脈搏波時間延遲，一般的方法是基于脈搏波標示點的方法，通過選擇脈搏波標示點定位脈搏波，從而計算脈搏波延遲時間，基于標示點的選取，測量延時時間的方法有以下幾種:
1.利用切線交點測量脈搏波延遲:切線法會增加計算的誤差，降低測量精度。2.利用最低點法測量:利用袖帶進行PWV測量每次袖帶位置不同，袖帶松緊度不同，都將會導致測量的波形不同，從而導致測量結果存在誤差。3.利用峰值法測量:利用光電傳感器采集人體食指上的脈搏波信號，這樣在一支胳膊上完成了測量工作，但是采集的信號壓力脈搏波和容積脈搏波兩種信號，由于數(shù)據(jù)采集的原理不同，所以選擇了峰值點 作為參考點，但是波峰容易受到反射波影響，導致測量值
與實際值存在一定差距。4.利用斜率最大點:把脈搏波斜率最大點作為測量標示點，采用差分閾值的方法求斜率最大點，根據(jù)脈搏波前沿上升支中的斜率最大點作為標志點，對于一些老年人脈搏波波足的起始點容易受到前一周期的舒張期的影響，不容易提取。通過上述方法測量的結果，延時誤差太大而且非常不可靠。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置及方法，包括第一脈搏波采集通道和第二脈搏波采集通道，第一脈搏波采集通道和第二脈搏波采集通道同脈搏波模擬處理裝置相信號連接，脈搏波模擬處理裝置也同單片機相信號連接，單片機同電源模塊相電連接，單片機通過無線模塊同手持終端相信號連接，單片機還同脈搏波速度測量模塊通信連接，單片機為中央控制處理單元，所述的單片機內部包含有由單片機處理器控制連接的時鐘電路、存儲器、定時器、A/D轉換器以及I/O接口，并結合其測量方法可有效減小延時誤差。為了克服現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明提供了一種基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置及方法，具體如下:
一種基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置，包括第一脈搏波采集通道I和第二脈搏波采集通道2，第一脈搏波采集通道I和第二脈搏波采集通道2同脈搏波模擬處理裝置3相信號連接，脈搏波模擬處理裝置3也同單片機5相信號連接，單片機5同電源模塊4相電連接，單片機5通過無線模塊6同手持終端8相信號連接，單片機5還同脈搏波速度測量模塊7通信連接，單片機5即為中央控制處理單元，所述的單片機5內部包含有由單片機5處理器控制連接的時鐘電路、存儲器、定時器、A/D轉換器以及I/O接口。所述的基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置能夠通過有線通信接口或者無線通信接口分別以有線連接或者無線連接的方式以計算機相連接。所述的單片機5為STM32的CM3系列單片機5，其最大RAM容量大小為20K，其FLASH存儲芯片容量大小為128K。所述的電源模塊4包括穩(wěn)壓電源電路，所述的第一脈搏波采集通道I和第二脈搏波采集通道2由雙通道光電傳感器構成，構成雙通道光電傳感器的第一通道組件和第二通道組件分別形成第一脈搏波采集通道I和第二脈搏波采集通道2，第一通道組件和第二通道組件為同一型號的通道組件，所述的雙通道光電傳感器按工作方式歸屬于光電容積脈搏波傳感器，所述的脈搏波模擬處理裝置3由兩個脈搏波模擬處理分組件構成，每個脈搏波模擬處理分組件由各自的一級放大電路101、二級放大電路102、低通濾波電路103、50HZ帶阻濾波電路104、三級放大電路105、差分放大電路106和低通限幅電路107順次兩兩串聯(lián)連接而成，其中一個脈搏波模擬處理分組件的一級放大電路101同第一脈搏波采集通道I相連接，另一個脈搏波模擬處理分組件的一級放大電路101同第二脈搏波采集通道2相連接，每個脈搏波模擬處理分組件的低通限幅電路107均與單片機5相連接。第一通道組件和第二通道組件均為光電傳感器。所述的基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置的測量方法，步驟如下: 步驟1:首先通過雙通道光電傳感器的第一通道組件和第二通道組件分別通過小拇指
的測量點和無名指的測量點來采集小拇指的脈搏波數(shù)據(jù)和無名指的脈搏波數(shù)據(jù)，小拇指的脈搏波數(shù)據(jù)和無名指的脈搏波數(shù)據(jù)構成了雙路脈搏波數(shù)據(jù)；
步驟2:所采集到的小拇指的脈搏波數(shù)據(jù)和無名指的脈搏波數(shù)據(jù)以光敏輸出電流的形式各自分別經(jīng)由第一脈搏波采集通道I和第二脈搏波采集通道2傳遞到脈搏波模擬處理裝置3中，處理后得到小拇指 的脈搏波模擬信號和無名指的脈搏波模擬信號，由此完成了雙路脈搏波數(shù)據(jù)預處理得到了預處理后的雙路脈搏波信號，另外在雙路脈搏波數(shù)據(jù)預處理過程中脈搏波模擬處理裝置3還實現(xiàn)對雙路脈搏波信號延時不對稱補償中的硬件延時補償；步驟3:將預處理后的雙路脈搏波信號發(fā)送到單片機5中，單片機5處理器進行初始化后操縱A/D轉換器分別對小拇指的脈搏波模擬信號和無名指的脈搏波模擬信號以按預設的時間段切換的方式進行數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)采樣后，單片機5處理器啟動脈搏波速度測量模塊7根據(jù)小拇指的脈搏波模擬信號的采樣均值和無名指的脈搏波模擬信號的采樣均值所反映的脈搏波的波形進行識別，即遍歷對應的所反映的脈搏波的波形，如果波形連續(xù)上升時間在100ms-300ms范圍內，則認為對應的脈搏波輸入正常；
另外在數(shù)據(jù)采樣過程中，結合雙通道光電傳感器的第一通道組件與第二通道組件的數(shù)據(jù)采集的平穩(wěn)過渡過程，單片機5處理器通過判斷如果該平穩(wěn)過渡過程中出現(xiàn)的連續(xù)直線的連續(xù)時間大于1ms，則將此次數(shù)據(jù)采樣做無效處理；
步驟4:脈搏波速度測量模塊7根據(jù)小拇指的脈搏波模擬信號的采樣均值或無名指的脈搏波模擬信號的采樣均值所反映的脈搏波的波形根據(jù)數(shù)據(jù)采樣過程中的采樣率的位數(shù)，從采樣率的最后一位開始向前順序去除掉預設的去除位數(shù)數(shù)量來減小量化誤差的影響，脈搏波速度測量模塊7根據(jù)小拇指的脈搏波模擬信號的采樣均值或無名指的脈搏波模擬信號的采樣均值所反映的脈搏波的波形來確定出小拇指的脈搏波的波形最大值、小拇指的脈搏波的波形最小值、無名指的脈搏波的波形最大值以及無名指的脈搏波的波形最小值，另外脈搏波速度測量模塊7還對小拇指的脈搏波模擬信號的采樣均值和無名指的脈搏波模擬信號的采樣均值所反映的脈搏波的波形進行零點調整和波形幅值歸一化處理，即脈搏波波形的每一個點減去其最小值點來進行零點調整，而小拇指的脈搏波的幅值和無名指的脈搏波的幅值調整得趨于一致就實現(xiàn)了波形幅值歸一化；脈搏波速度測量模塊7根據(jù)脈搏波速度范圍為5m/iTl5m/S的條件以及小拇指的測量點和無名指的測量點的距離，導出小拇指的脈搏波和無名指的脈搏波的時間延遲范圍，再結合基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置的系統(tǒng)延遲和傳感器延遲，預設出待使用的互相關函數(shù)法所需要的互相關函數(shù)值來減小運算量，這樣脈搏波速度測量模塊7根據(jù)所需要的互相關函數(shù)值利用互相關函數(shù)法導出小拇指的脈搏波和無名指的脈搏波的時間延遲；
步驟5:脈搏波速度測量模塊7進行雙路脈搏波信號延時不對稱補償中的軟件延時補償；接著通過手動測量來獲取兩個測量點的血管距離差Ds ；
步驟6:脈搏波速度測量模塊7根據(jù)脈搏波速度PWV求解公式(8)導出脈搏波速度PWV生理參數(shù)值，公式(8)如下所示:
權利要求
1.一種基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置，其特征在于包括第一脈搏波采集通道(I)和第二脈搏波采集通道(2)，第一脈搏波采集通道(I)和第二脈搏波采集通道(2)同脈搏波模擬處理裝置(3)相信號連接，脈搏波模擬處理裝置(3)也同單片機(5)相信號連接，單片機(5)同電源模塊(4)相電連接，單片機(5)通過無線模塊(6)同手持終端(8)相信號連接，單片機(5)還同脈搏波速度測量模塊(7)通信連接，單片機(5)即為中央控制處理單元，所述的單片機(5)內部包含有由單片機(5)處理器控制連接的時鐘電路、存儲器、定時器、A/D轉換器以及I/O接口。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置，其特征在于所述的基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置能夠通過有線通信接口或者無線通信接口分別以有線連接或者無線連接的方式以計算機相連接，所述的手持終端(8)能被計算機所替代。
3.根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置，其特征在于所述的單片機(5)為STM32的CM3系列單片機，其最大RAM容量大小為20K，其FLASH存儲芯片容量大小為128K。
4.根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置，其特征在于所述的電源模塊(4)包括穩(wěn)壓電源電路，所述的第一脈搏波采集通道(I)和第二脈搏波采集通道(2)由雙通道光電傳感器構成，構成雙通道光電傳感器的第一通道組件和第二通道組件分別形成第一脈搏波采集通道(I)和第二脈搏波采集通道(2)，第一通道組件和第二通道組件為同一型號的通道組件，所述的雙通道光電傳感器按工作方式歸屬于光電容積脈搏波傳感器，所述的脈搏波模擬處理裝置(3)由兩個脈搏波模擬處理分組件構成，每個脈搏波模擬處理分組件由各自的一級放大電路(101 )、二級放大電路(102)、低通濾波電路(103 )、50HZ帶阻濾波電路(104 )、三級放大電路(105 )、差分放大電路(106 )和低通限幅電路(107)順次兩兩串聯(lián)連接而成，其中一個脈搏波模擬處理分組件的一級放大電路(101)同第一脈搏波采集通道(I)相連接，另一個脈搏波模擬處理分組件的一級放大電路(101)同第二脈搏波采集通道(2)相連接，每個脈搏波模擬處理分組件的低通限幅電路(107)均與單片機(5)相連接。
5.根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置，其特征在于第一通道組件和第二通道組件均為光電傳感器。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置的測量方法，其特征在于，步驟如下: 步驟1:首先通過雙通道光電傳感器的第一通道組件和第二通道組件分別通過小拇指的測量點和無名指的測量點來采集小拇指的脈搏波數(shù)據(jù)和無名指的脈搏波數(shù)據(jù)，小拇指的脈搏波數(shù)據(jù)和無名指的脈搏波數(shù)據(jù)構成了雙路脈搏波數(shù)據(jù)； 步驟2:所采集到的小拇指的脈搏波數(shù)據(jù)和無名指的脈搏波數(shù)據(jù)以光敏輸出電流的形式各自分別經(jīng)由第一脈搏波采集通道(I)和第二脈搏波采集通道(2 )傳遞到脈搏波模擬處理裝置(3)中，處理后得到小拇指的脈搏波模擬信號和無名指的脈搏波模擬信號，由此完成了雙路脈搏波數(shù)據(jù)預處理得到了預處理后的雙路脈搏波信號，另外在雙路脈搏波數(shù)據(jù)預處理過程中脈搏波模擬處理裝置(3)還實現(xiàn)對雙路脈搏波信號延時不對稱補償中的硬件延時補償；步驟3:將預處理后的雙路脈搏波信號發(fā)送到單片機(5)中，單片機(5)處理器進行初始化后操縱A/D轉換器分別對小拇指的脈搏波模擬信號和無名指的脈搏波模擬信號以按預設的時間段切換的方式進行數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)采樣后，單片機(5)處理器啟動脈搏波速度測量模塊(7)根據(jù)小拇指的脈搏波模擬信號的采樣均值和無名指的脈搏波模擬信號的采樣均值所反映的脈搏波的波形進行識別，即遍歷對應的所反映的脈搏波的波形，如果波形連續(xù)上升時間在100ms-300ms范圍內，則認為對應的脈搏波輸入正常； 另外在數(shù)據(jù)采樣過程中，結合雙通道光電傳感器的第一通道組件與第二通道組件的數(shù)據(jù)采集的平穩(wěn)過渡過程，單片機(5)處理器通過判斷如果該平穩(wěn)過渡過程中出現(xiàn)的連續(xù)直線的連續(xù)時間大于1ms，則將此次數(shù)據(jù)采樣做無效處理； 步驟4:脈搏波速度測量模塊(7)根據(jù)小拇指的脈搏波模擬信號的采樣均值或無名指的脈搏波模擬信號的采樣均值所反映的脈搏波的波形根據(jù)數(shù)據(jù)采樣過程中的采樣率的位數(shù)，從采樣率的最后一位開始向前順序去除掉預設的去除位數(shù)數(shù)量來減小量化誤差的影響，脈搏波速度測量模塊(7)根據(jù)小拇指的脈搏波模擬信號的采樣均值或無名指的脈搏波模擬信號的采樣均值所反映的脈搏波的波形來確定出小拇指的脈搏波的波形最大值、小拇指的脈搏波的波形最小值、無名指的脈搏波的波形最大值以及無名指的脈搏波的波形最小值，另外脈搏波速度測量模塊(7)還對小拇指的脈搏波模擬信號的采樣均值和無名指的脈搏波模擬信號的采樣均值所反映的脈搏波的波形進行零點調整和波形幅值歸一化處理，即脈搏波波形的每一個點減去其最小值點來進行零點調整，而小拇指的脈搏波的幅值和無名指的脈搏波的幅值調整得趨于一致就實現(xiàn)了波形幅值歸一化；脈搏波速度測量模塊(7)根據(jù)脈搏波速度范圍為5m/iTl5m/S的條件以及小拇指的測量點和無名指的測量點的距離，導出小拇指的脈搏波和無名指的脈搏波的時間延遲范圍，再結合基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置的系統(tǒng)延遲和傳感器延遲，預設出待使用的互相關函數(shù)法所需要的互相關函數(shù)值來減小運算量，這樣脈搏波速度測量模塊(7)根據(jù)所需要的互相關函數(shù)值利用互相關函數(shù)法導出小拇指的脈搏波和無名指的脈搏波的時間延遲； 步驟5:脈搏波速度測量模塊(7)進行雙路脈搏波信號延時不對稱補償中的軟件延時補償；接著通過手動測量來獲取兩個測量點的血管距離差Dg ； 步驟6:脈搏波速度測量模塊(7)根據(jù)脈搏波速度PWV求解公式(8)導出脈搏波速度PWV生理參數(shù)值，公式(8)如下所示: PWV= Bi(8) I 式(8)中PWV為脈搏波速度，脈搏波速度取值范圍為5m/iTl5m/S，t為小拇指的脈搏波和無名指的脈搏波的時間延遲。
全文摘要
一種基于光電容積的脈搏波速度生理參數(shù)的測量裝置及方法，包括第一脈搏波采集通道和第二脈搏波采集通道，第一脈搏波采集通道和第二脈搏波采集通道同脈搏波模擬處理裝置相連接，脈搏波模擬處理裝置也同單片機相信號連接，單片機同電源模塊相電連接，單片機通過無線模塊同手持終端相信號連接，單片機還同脈搏波速度測量模塊通信連接，單片機即為中央控制處理單元，所述的單片機內部包含有由單片機處理器控制連接的時鐘電路、存儲器、定時器、A/D轉換器以及I/O接口，并結合其測量方法可有效減小延時誤差。
文檔編號A61B5/02GK103190891SQ201310148670
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月26日 優(yōu)先權日2013年4月26日
發(fā)明者楊剛, 楊文武, 賀志楠, 王雪芳 申請人:西安嵌牛電子科技有限公司