CN110960199B - 一种双变量测量动脉硬化程度的*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双变量测量动脉硬化程度的***，包括生理信号采集单元、人机交互单元、脉搏波传播速度PWV检测单元、血压测量单元、PWV修正单元、动脉硬化测量单元和显示单元；该***通过归一化模型对脉搏波传播速度PWV进行修正，排除生理因素并提取病理性因素对PWV的影响；还利用与收缩压相关的脉搏波传播速度PWVs和与舒张压相关的脉搏波传播速度PWVd分别反映动脉壁的胶原纤维和弹性纤维的病变程度，能够弥补现有技术仅反映弹性纤维特性的不足，使动脉硬化的评估更加全面、准确。

Description

一种双变量测量动脉硬化程度的***

技术领域

本发明涉及一种测量动脉硬化程度的***，具体涉及一种双变量测量动脉硬化程度的***。

背景技术

动脉硬化是动脉的一种非炎症性病变，主要表现为血管壁增厚、弹性变差、管腔狭窄、斑块形成，是一种随年龄增长而出现的血管疾病，也是心肌梗死和脑梗死的重要预测指标。脉搏波传播速度(PWV)法是动脉硬化筛查中最常用的方法，其优势在于测量方法简单、无创，能够量化检测全身动脉硬化程度，是受到广泛认可的心血管疾病的独立预测因子。

目前通过PWV来测量动脉硬化的方法存在两个方面的局限性。

第一方面，日本千叶大学和慈惠医大对PWV影响因子进行研究，发现临床上影响PWV的因素基本可以分为生理因素(如性别、年龄、即时血压)和病理因素(如高血压、高血脂、糖尿病、动脉硬化、末期肾病等)。由生理因素引起的PWV的改变与动脉壁病变的相关性较小，不适合用来检测心脑血管疾病。目前国际上还没有一个公认的方法或公式能够很好地排除生理因素尤其是即时血压对PWV的影响。如何有效排除性别、年龄、即时血压的影响，从而更好地提取出PWV的病理性变化是亟待解决的问题。

第二方面，动脉血管的力学性质主要取决于动脉壁的弹性纤维、胶原纤维、平滑肌这三种组织。在一个心动周期内，动脉壁的硬度或刚性的变化是弹性纤维和胶原纤维的性质决定的。当心脏处于舒张末期尚未射血时，血管壁的应变较小，大部分胶原纤维是松弛和卷曲的，所有应力只有弹性纤维承受。此时，脉搏波的传播速度PWV反映的是弹性纤维的特性，即顺应性。当心脏处于收缩期，向动脉内的射血量迅速增加时，血管壁的应变迅速增大，胶原纤维被拉直，此时的应力主要由胶原纤维承受。由于胶原纤维比弹性纤维刚硬得多，收缩期的血管壁也比舒张期刚硬许多。此时，脉搏波的传播速度PWV反映的是胶原纤维的特性，即韧性。现有技术和设备都是采用一个PWV(通常是与舒张压相关的PWV)来评估动脉硬化，只能反映弹性纤维的特性，对于胶原纤维病变的评估有局限性。然而，胶原纤维的增加是导致血管僵硬的主要原因之一。目前尚未见有技术和设备可以同时评估弹性纤维和胶原纤维的病变程度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种双变量测量动脉硬化程度的***，该***能够排除年龄、性别和即时血压等生理因素对PWV的影响，提取出病理性因素对PWV的作用；还利用与收缩压相关的脉搏波传播速度PWVs和与舒张压相关的脉搏波传播速度PWVd，分别反映动脉壁的胶原纤维和弹性纤维的特性及病变程度，对血管的顺应性和韧性进行一个综合评估，使动脉硬化的评估更加全面，更加精准。

一种双变量测量动脉硬化程度的***，其特征在于：包括生理信号采集单元、人机交互单元、脉搏波传播速度PWV检测单元、血压测量单元、PWV修正单元、动脉硬化测量单元和显示单元；

所述生理信号采集单元，用于采集被测对象的两处身体部位的脉搏波信号，并将采集到的脉搏波信号发送给脉搏波传播速度PWV检测单元；

所述人机交互单元，用于提供一个人机接口，供用户输入基本生理参数(包括年龄、性别)和脉搏波传播传播距离L；脉搏波传播传播距离L发送给脉搏波传播速度PWV检测单元，基本生理参数发送给PWV修正单元；以计算PWV及确定PWV相对于年龄、性别的修正量；

所述脉搏波传播速度PWV检测单元包括脉搏波传播时间识别模块和脉搏波传播速度计算模块，所述脉搏波传播时间识别模块，用于在两个脉搏波信号上识别与收缩压相关的脉搏波传播时间PTTs和与舒张压相关的脉搏波传播时间PTTd，并将PTTs和PTTd发送给脉搏波传播速度计算模块，所述脉搏波传播速度计算模块，用于根据人机交互单元中输入的脉搏波传播距离L以及PTTs和PTTd计算出与收缩压相关的脉搏波传播速度PWVs和与舒张压相关的脉搏波传播速度PWVd；

所述血压测量单元，用于获得被测对象的即时血压(包括收缩压SBP和舒张压DBP)，并将即时血压发送给PWV修正单元；以计算PWV相对于血压的修正量；

所述PWV修正单元包括修正量计算模块和修正模块，所述修正量计算模块，用于根据所述人机交互单元中输入的年龄、性别和血压测量单元中测得的即时血压，计算PWV(分别为PWVs和PWVd)相对于年龄和性别的修正量和相对于血压的修正量；所述修正模块根据所述修正量计算模块中得到的修正量对PWV(分别为PWVs和PWVd)进行修正。

所述动脉硬化测量单元包括评价指标计算模块和动脉硬化测量模块；所述评价指标计算模块，根据修正后的PWVs和PWVd，计算与胶元纤维特性相关的评价指标Ks和与弹性纤维特性相关的评价指标Kd；动脉硬化测量模块，利用所述评价指标计算模块中得到的指标Ks和Kd，分别测量动脉壁的胶元纤维和弹性纤维的病理性硬化程度；

所述显示单元用于显示计算得到的评价指标Ks和Kd，并提供动脉壁的胶元纤维和弹性纤维的病变程度结果的报告。

所述脉搏波传播速度计算模块计算PWVs和PWVd的关系式为：

所述修正量计算模块计算PWV(分别为PWVs和PWVd)相对于年龄、性别以及血压的修正量的具体步骤为：

S1)建立无动脉硬化病灶人群PWV与血压之间的函数族，并获得每个年龄和性别所对应的函数参数，形成参数数据库；

S2)建立PWVs和PWVd在固定年龄、性别和血压状态下的归一化模型；

S3)获得PWVs和PWVd相对于年龄、性别和血压的修正量。

所述步骤S1具体为：通过如下关系式建立无动脉硬化病灶人群PWV与血压之间的函数族：

其中，PWV是脉搏波传播速度，BP是血压；i代表年龄，j代表性别；k_ij和b_ij是与性别和年龄相关的函数参数；其中，kij和bij通过以下方法获得：

针对每个年龄和性别，获取无动脉硬化病灶的人群(样本数量>30)大范围变化的血压BP(通过血压测量单元获得被测对象的SBP和DBP)以及与之对应的PWV(通过脉搏波传播速度计算模块计算的PWVs和PWVd)；通过曲线拟合的方法，获得每个年龄和性别所对应的函数参数kij和bij，形成参数数据库Kij和Bij；

其中，i＝1,2,…,n(1≤n≤100)；j＝M/F(M为男性，F为女性)。

所述步骤S2具体为：

通过以下方法建立PWVs和PWVd在固定年龄、性别和血压状态下的归一化模型：

选择年龄为x、性别为M的函数参数k_xM和b_xM；选定一个血压状态SBPx和DBPx，分别计算在SBPx和DBPx状态下的归一化模型PWV_xM—s和PWV_xM—d：

S3步骤中，通过归一化模型获得PWVs和PWVd相对于年龄、性别和血压的修正量:

在血压SBPx和DBPx状态下，年龄为i岁、性别为j的无动脉硬化病灶人群相对于年龄为x岁、性别为M的无动脉硬化病灶人群，其PWVs和PWVd相对于年龄和性别的修正量为ΔPWV_s1和ΔPWV_d1：

年龄为i岁、性别为j的无动脉硬化病灶人群的实际测量血压为SBPm和DBPm，相对与选定的血压SBPx和DBPx，PWV的修正量为ΔPWV_s2和ΔPWV_d2：

所述修正模块，利用S3步骤中的修正量对年龄为i岁、性别为j的受试者实际测量的PWVs和PWVd进行修正，修正后的PWVs′和PWVd′为：

其中，SBPx和DBPx是归一化模型选定的收缩压和舒张压，SBPm和DBPm是实际测量得到的收缩压和舒张压。

所述评价指标计算模块计算Ks和Kd的计算公式为：

其中，K_s和K_d分别为修正后的PWVs′和PWVd′与归一化模型得到的标准PWV_xM—s和PWV_xM—d的比值，分别用于评估动脉壁的胶元纤维和弹性纤维的病理性硬化程度。

所述动脉硬化测量模块分别测量动脉壁的胶元纤维和弹性纤维的病理性硬化程度的标准为：

当K_s≤1.2，表示动脉壁胶元纤维较正常，没有明显病理性增厚；

当1.6≥K_s>1.2，表示动脉壁的胶元纤维开始产生增厚，韧性增加；

当K_s>1.6，表示动脉壁的胶元纤维产生非常严重的增厚，韧性增加很多；

当K_d≤1.2，表示动脉壁弹性纤维较正常，没有明显病理性改变；

当1.6≥K_d>1.2，表示动脉壁的弹性纤维的顺应性开始变差；

当K_d>1.6，表示动脉壁的弹性纤维的顺应性已经变得很差。

本发明的有益效果体现在：

能够排除年龄、性别和即时血压等生理因素对PWV的影响，更好地反映出高血压、高血脂、糖尿病、动脉硬化、末期肾病等病理性因素引起的PWV的变化；同时，利用PWVs和PWVd分别反映动脉壁的胶原纤维和弹性纤维的特性及病变程度，对血管的顺应性和韧性进行综合评估，能够弥补现有技术仅反映弹性纤维特性的不足，使动脉硬化的评估更加全面、准确。

附图说明

图1为本发明提供的一种双变量测量动脉硬化程度的***的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1所示，本发明提供了一种双变量测量动脉硬化程度的***，该***包括如下几个单元：

生理信号采集单元——用于实时采集所述被测对象一个近心端和一个远心端的脉搏波信号，检测上述脉搏信号的传感器优选红外光电容积描记仪(PPG)。PPG信号的检测部位优选耳朵和脚趾。

人机交互单元——用于提供一个人机接口，供用户输入基本生理参数(包括年龄、性别)和脉搏波传播传播距离L；将脉搏波传播传播距离L发送给脉搏波传播速度PWV检测单元以计算PWV，将基本生理参数(包括年龄、性别)发送给PWV修正单元以确定PWV相对于年龄、性别的修正量。其中脉搏波传播传播距离L可以通过实际测量获得，也可通过身高的百分比或身高减去固定常数来估算，例如检测耳朵和脚趾的脉搏波，L可取身高的70％。

脉搏波传播速度PWV检测单元——其包括两个模块，分别为脉搏波传播时间识别模块和脉搏波传播速度计算模块；

所述脉搏波传播时间识别模块，用于在两个脉搏波信号上识别与收缩压相关的脉搏波传播时间PTTs和与舒张压相关的脉搏波传播时间PTTd；并将PTTs和PTTd发送给脉搏波传播速度计算模块；所述脉搏波传播时间识别模块，是根据两个脉搏波信号的起始点之间的时间差获得与舒张压相关的脉搏波传播时间PTTd，并根据两个脉搏波信号的波峰之间的时间差来获得与收缩压相关的脉搏波传播时间PTTs。PTTd和PTTs的具体识别方法可参考文献YAN CHEN,CHANGYUN WEN,GUOCAI TAO,and MIN BI《Continuous and NoninvasiveMeasurement of Systolic and Diastolic Blood Pressure by One MathematicalModel with the Same Model Parameters and Two Separate Pulse Wave Velocities》2012理解。

所述脉搏波传播速度计算模块，用于根据人机交互单元中输入的脉搏波传播距离L以及PTTs和PTTd计算出与收缩压相关的脉搏波传播速度PWVs和与舒张压相关的脉搏波传播速度PWVd，计算方式如下；

血压测量单元——用于获得被测对象的即时血压，并将即时血压发送给PWV修正单元。即时血压包括收缩压SBPm和舒张压DBPm，其中SBPm和DBPm可以通过振动法自动血压计获得。

PWV修正单元——其包括两个模块，分别为修正量计算模块和修正模块；

所述修正量计算模块，用于根据所述人机交互单元中输入的年龄、性别和血压测量单元中测得的即时血压，计算PWVs和PWVd相对于年龄和性别的修正量以及相对于血压的修正量，并将计算出的PWVs和PWVd相对于年龄和性别的修正量以及相对于血压的修正量发送给修正模块；

PWVs和PWVd相对于年龄和性别的修正量以及相对于血压的修正量具体计算过程如下：

首先通过如下关系式建立无动脉硬化病灶人群PWV与血压之间的函数族：

其中，PWV是脉搏波传播速度，BP是血压；i代表年龄，j代表性别；kij和bij是与性别和年龄相关的函数参数。PWVs和PWVd通用上述公式，当血压是SBP，则对应PWVs；当血压是DBP，则对应PWVd；其中，kij和bij通过以下方法获得：

针对每个年龄和性别，获取无动脉硬化病灶的人群(样本数量>30)大范围变化的血压BP(通过血压测量单元获得被测对象的收缩压SBP和舒张压DBP)以及与之对应的PWV(通过脉搏波传播速度计算模块计算的PWVs和PWVd)；通过曲线拟合的方法，获得每个年龄和性别所对应的函数参数kij和bij，形成参数数据库Kij和Bij；

其中，i＝1,2,…,n(1≤n≤100)；j＝M/F(M为男性，F为女性)。

所述获得无动脉硬化病灶的人群大范围变化的血压BP以及与之对应的PWV的方法是：

选择需要进行外科手术且无动脉硬化病灶的人群作为采集对象，通过振动法自动血压计测量并记录手术麻醉过程中动脉血压；在***物、血管活性药物和手术操作的多重作用下，手术中的血压会产生大范围波动，其变化范围能够满足曲线拟合的需求。

其次，建立归一化模型：

选择年龄为x、性别为M的函数参数k_xM和b_xM；选定一个血压状态SBPx和DBPx，分别计算在SBPx和DBPx状态下的归一化模型PWV_xM—s和PWV_xM—d：

最后修正量计算模块是根据人机交互单元中输入的年龄和性别，选择数据库中与年龄i和性别j所对应的函数参数kij和bij，利用归一化模型，获得PWVs和PWVd相对于年龄、性别和血压的修正量，具体方法如下:

在血压SBPx和DBPx状态下，年龄为i岁、性别为j的无动脉硬化病灶人群相对于年龄为x岁、性别为M的无动脉硬化病灶人群，其PWVs和PWVd相对于年龄和性别的修正量为ΔPWV_s1和ΔPWV_d1：

年龄为i岁、性别为j的无动脉硬化病灶人群的实际测量血压为SBPm和DBPm，相对与选定的血压SBPx和DBPx，PWV的修正量为ΔPWV_s2和ΔPWV_d2：

所述修正模块根据所述修正量计算模块中得到的修正量，通过以下方法对年龄为i岁、性别为j的受试者实际测量的PWVs和PWVd进行修正，修正后的PWVs′和PWVd′为：

其中，SBPx和DBPx是归一化模型选定的收缩压和舒张压，SBPm和DBPm是实际测量得到的收缩压和舒张压。

动脉硬化测量单元——包括两个模块，分别为评价指标计算模块和动脉硬化测量模块；

所述评价指标计算模块，根据修正后的PWVs和PWVd，计算出与胶元纤维特性相关的评价指标Ks和与弹性纤维特性相关的评价指标Kd；并将计算出的Ks和Kd发送给动脉硬化测量模块；通过以下方式计算Ks和Kd：

动脉硬化测量模块，利用所述评价指标计算模块中得到的指标Ks和Kd，分别测量动脉壁的胶元纤维和弹性纤维的病理性硬化程度；

所述动脉硬化测量模块分别测量动脉壁的胶元纤维和弹性纤维的病理性硬化程度的标准为：

当K_s≤1.2，表示动脉壁胶元纤维较正常，没有明显病理性增厚；

当1.6≥K_s>1.2，表示动脉壁的胶元纤维开始产生增厚，韧性增加；

当K_s>1.6，表示动脉壁的胶元纤维产生非常严重的增厚，韧性增加很多；

当K_d≤1.2，表示动脉壁弹性纤维较正常，没有明显病理性改变；

当1.6≥K_d>1.2，表示动脉壁的弹性纤维的顺应性开始变差；

当K_d>1.6，表示动脉壁的弹性纤维的顺应性已经变得很差。

显示单元——用于显示计算得到的评价指标Ks和Kd，并提供动脉壁的胶元纤维和弹性纤维的病变程度的结果报告。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种双变量测量动脉硬化程度的***，其特征在于：包括生理信号采集单元、人机交互单元、脉搏波传播速度PWV检测单元、血压测量单元、PWV修正单元、动脉硬化测量单元和显示单元；

所述生理信号采集单元，用于采集被测对象的两处身体部位的脉搏波信号，并将采集到的脉搏波信号发送给脉搏波传播速度PWV检测单元；

所述人机交互单元，用于提供一个人机接口，供用户输入基本生理参数和脉搏波传播距离L；脉搏波传播距离L发送给脉搏波传播速度PWV检测单元，基本生理参数发送给PWV修正单元；

所述脉搏波传播速度PWV检测单元包括脉搏波传播时间识别模块和脉搏波传播速度计算模块，所述脉搏波传播时间识别模块，用于在两个脉搏波信号上识别与收缩压相关的脉搏波传播时间PTTs和与舒张压相关的脉搏波传播时间PTTd，并将PTTs和PTTd发送给脉搏波传播速度计算模块，所述脉搏波传播速度计算模块，用于根据人机交互单元中输入的脉搏波传播距离L以及PTTs和PTTd计算出与收缩压相关的脉搏波传播速度PWVs和与舒张压相关的脉搏波传播速度PWVd；

所述血压测量单元，用于获得被测对象的即时血压，即时血压包括收缩压SBP和舒张压DBP，并将即时血压发送给PWV修正单元；

所述PWV修正单元包括修正量计算模块和修正模块，所述修正量计算模块，用于根据所述人机交互单元中输入的年龄、性别和血压测量单元中测得的即时血压，计算PWVs和PWVd相对于年龄和性别的修正量和相对于即时血压的修正量；所述修正模块根据所述修正量计算模块中得到的修正量对PWVs和PWVd进行修正；

所述动脉硬化测量单元包括评价指标计算模块和动脉硬化测量模块；所述评价指标计算模块，根据修正后的PWVs和PWVd，计算与胶元纤维特性相关的评价指标K_s和与弹性纤维特性相关的评价指标K_d；动脉硬化测量模块，利用所述评价指标计算模块中得到的指标K_s和K_d，分别测量动脉壁的胶元纤维和弹性纤维的病理性硬化程度；

所述显示单元用于显示计算得到的评价指标K_s和K_d，并提供动脉壁的胶元纤维和弹性纤维的病变程度结果的报告；

所述脉搏波传播速度计算模块计算PWVs和PWVd的关系式为：

，

所述修正量计算模块计算PWVs和PWVd相对于年龄、性别以及血压的修正量的具体步骤为：

S1)建立无动脉硬化病灶人群PWV与血压之间的函数族，并获得每个年龄和性别所对应的函数参数，形成参数数据库；

S2)建立PWVs和PWVd在固定年龄、性别和血压状态下的归一化模型；

S3)获得PWVs和PWVd相对于年龄、性别和血压的修正量。

所述步骤S1具体为：通过如下关系式建立无动脉硬化病灶人群PWV与血压之间的函数族：

，

其中，PWV是脉搏波传播速度，BP是血压；i代表年龄，j代表性别；k_ij和b_ij是与性别和年龄相关的函数参数；其中，k_ij和b_ij通过以下方法获得：

针对每个年龄和性别，获取无动脉硬化病灶的人群大范围变化的血压BP以及与之对应的PWV；通过曲线拟合的方法，获得每个年龄和性别所对应的函数参数k_ij和b_ij，形成参数数据库K_ij和B_ij；

，

，

其中，i＝1,2,…,n，1≤n≤100；j＝M/F，M为男性，F为女性。

2.根据权利要求1所述的一种双变量测量动脉硬化程度的***，其特征在于：所述步骤S2具体为：

通过以下方法建立PWVs和PWVd在固定年龄、性别和血压状态下的归一化模型：

选择年龄为x、性别为M的函数参数k_xM和b_xM；选定一个血压状态SBPx和DBPx，分别计算在SBPx和DBPx状态下的归一化模型PWV_xM—s和PWV_xM—d：

，

3.根据权利要求2所述的一种双变量测量动脉硬化程度的***，其特征在于：S3步骤中，通过归一化模型获得PWVs和PWVd相对于年龄、性别和血压的修正量:

在血压SBPx和DBPx状态下，年龄为i岁、性别为j的无动脉硬化病灶人群相对于年龄为x岁、性别为M的无动脉硬化病灶人群，其PWVs和PWVd相对于年龄和性别的修正量为ΔPWV_s1和ΔPWV_d1：

，

，

年龄为i岁、性别为j的无动脉硬化病灶人群的实际测量血压为SBPm和DBPm，相对与选定的血压SBPx和DBPx，PWV的修正量为ΔPWV_s2和ΔPWV_d2：

，

4.根据权利要求3所述的一种双变量测量动脉硬化程度的***，其特征在于：所述修正模块，利用S3步骤中的修正量对年龄为i岁、性别为j的受试者实际测量的PWVs和PWVd进行修正，修正后的PWVs′和PWVd′为：

，

，

其中，SBPx和DBPx是归一化模型选定的收缩压和舒张压，SBPm和DBPm是实际测量得到的收缩压和舒张压。

5.根据权利要求4所述的一种双变量测量动脉硬化程度的***，其特征在于：所述评价指标计算模块计算K_s和K_d的公式为：

，

，

其中，K_s和K_d分别为修正后的PWVs′和PWVd′与归一化模型得到的标准PWV_xM—s和PWV_xM—d的比值，分别用于评估动脉壁的胶元纤维和弹性纤维的病理性硬化程度。

6.根据权利要求5所述的一种双变量测量动脉硬化程度的***，其特征在于：所述动脉硬化测量模块分别测量动脉壁的胶元纤维和弹性纤维的病理性硬化程度的标准为：

当K_s≤1.2，表示动脉壁胶元纤维较正常，没有明显病理性增厚；

当1.6≥K_s>1.2，表示动脉壁的胶元纤维开始产生增厚，韧性增加；

当K_s>1.6，表示动脉壁的胶元纤维产生非常严重的增厚，韧性增加很多；

当K_d≤1.2，表示动脉壁弹性纤维较正常，没有明显病理性改变；

当1.6≥K_d>1.2，表示动脉壁的弹性纤维的顺应性开始变差；

当K_d>1.6，表示动脉壁的弹性纤维的顺应性已经变得很差。

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