CN111789581A - 一种利用ppg传感器间接估计测量动脉血压的方法 - Google Patents

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王建华
沈思宇
曹颖晶
高峰
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    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
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Abstract

本发明公开了一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、通过PPG传感器同步测得被检测者动脉树上任一局部动脉节段上近心点的脉搏波信号和远心点的脉搏波信号；步骤二、根据测得的脉搏波信号计算所述局部动脉节段的脉搏波波速PWV；步骤三、根据步骤二中得到的脉搏波波速PWV，通过听诊法和示波法测量的动脉血压与相关动脉节段脉搏波波速PWV之间的相关性间接估算出动脉血压的基础压力P。本发明方法无创、无袖套、无侵入，不需要专人管理，可长时间连续使用，且在测量收缩压时无需阻断动脉血流，解决了在实际检测操作中需要长时间佩戴及监测难度大以及对患者扰动大等问题，达到实际操作性更好的效果。

Description

一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法
技术领域
本发明涉及一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法，属于生物医疗技术领域。
背景技术
高血压是危害人类健康的一类综合征，长期的高血压对心、脑、肾等靶器官可产生严重损害。高血压流行病学显示，我国高血压患病率和发病率呈明显上升趋势，血压测量是临床诊断、评估高血压及疗效的最常用和重要方法。血压测量可分为有创血压测量和无创血压测量。有创血压是指通过导管直接***动脉血管而获得血压值，既能测量动脉血压，又可测量静脉血压，是血压测量的“金标准”。但因其有创性，需要专用设备，技术要求高，且具有一定的风险，所以使用时有诸多限制。目前在临床实践中仍主要依靠间接方法无创地测量血压。
间接血压测量临床最常用的有听诊法及示波器法，二者都采用充气袖带，但都只能测量动脉血压。测量血压时首先需给气带加压以阻断某个动脉的血液流动，然后降低气带压力依次测出高压(SBP)、低压(DBP)及平均动脉血压(MAP)(MAP测量仅限于示波器法)。听诊法利用听诊器监听柯氏音的出现和消失，通过汞柱式压力计直接获得高、低血压数值，被认为是间接血压测量法的“金标准”。但听诊法的正确使用对操作人员有较高的要求，因为如何利用听诊器判断柯氏音的出现(对应于高压)和消失(对应于低压)，并及时观测到与其相对应的压力计读数，人为因素影响较大，特别需要指出的是对柯氏音消失的判断尤其困难。因此操作人员需要正确的培训及长期的实践才能掌握此项技能。这也表明听诊法不适合用于大规模亚健康人群血压的日常测量、记录和管理。
示波器法则是通过位于充气袖带中的压力传感器测量袖带中由于心脏搏动而形成的压力震荡波随袖带充气-放气过程的变化，根据内置的模型推断出相应的血压值。模型中的相关系数则是通过与其他方法(譬如有创法或听诊法)获得的血压数据比对、定标而获得。
示波器法为自动测量法，操作简单、易学，可用于自测，而听诊法则对操作人员有一定的要求。两种方法各有优缺点，适用于不同的场景。但两种方法都需要阻断动脉血流，因此测量是间断、不连续的，且两次测量之间需相隔3分钟以使动脉从阻断状态恢复到常态以减小测量误差，从而对短期连续血压监测有诸多不便。譬如24小时血压监测，由于袖带充气-放气过程的定时操作可将受试者在夜间频繁唤醒，致使血压非正常升高，造成不真实的测量结果。
另外门诊测量血压也存在许多问题，例如，有报道称第一次血压测量值常常偏高(警觉反应)；测量血压时不注意肢***置；对于正常高值者未进行进一步关注(需长期监测以判定是否有隐匿性高血压)。另外还有高达百分之二十五的患者在门诊时测量的血压明显高于其日常的典型血压值(白大衣高血压)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有动脉血压测量实际检测操作中需要长时间佩戴及监测难度大以及对患者扰动大等问题。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、通过PPG传感器同步测得被检测者动脉树上任一局部动脉节段上近心点的脉搏波信号和远心点的脉搏波信号；
步骤二、根据测得的脉搏波信号计算所述局部动脉节段的脉搏波波速PWV；
步骤三、根据步骤二中得到的脉搏波波速PWV，通过听诊法和示波法测量的动脉血压与相关动脉节段脉搏波波速PWV之间的相关性间接估算出动脉血压的基础压力P。
优选地，定义第i段动脉节段的脉搏波波速为PWVi，则PWVi＝ΔSi/Δti，其中其中ΔSi为第i段动脉节段的长度，Δti为第i段动脉节段上PPG传感器获得近心点脉搏波信号和远心点脉搏波信号的时间差。
优选地，所述动脉节段的长度通过人体解剖学和统计学结合个体外部体表数据测量得到。
优选地，所述步骤三中基于听诊法和示波法测量的动脉血压与动脉节段的脉搏波波速PWV之间的相关性间接估计出动脉血压的基础压力P。
优选地，所述近心点和远心点的最优组合选择为以被测动脉的起始点为近心点，以被测动脉的终点为远心点。
优选地，所述近心点和远心点的第二组合选择为近心点和远心点形成的动脉节段包含被测动脉。
优选地，所述近心点和远心点的最劣组合选择为以被测动脉的起始点为远心测试点，或以被测动脉的终点为近心测试点。
优选地，所述步骤三中根据听诊法和示波法测量的动脉血压和相关动脉节段脉搏波波速PWV的全部数据点进行相关性分析，并通过最佳拟合曲线根据脉搏波波速PWV来预估动脉血压的基础压力P。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明对人体多部位多路的脉搏波数据采集，可得到人体各动脉节段的局部脉搏波波速PWV。通过与听诊法及示波器法的血压测量定标及相关性分析，以无创、连续的方式间接估计患者的肱动脉血压，包括夜间血压测量。为肱动脉血压检测提供了更加具体及全面的连续状态测量信息。
本发明使用光电反射式传感器基于光电容积脉搏波的方法，解决了在实际检测操作中长时间佩戴及监测难度大以及对患者扰动大等问题，达到实际操作性更好的效果。
本发明可以消除血压测量时的警觉反应，特别是夜间监测时不会频繁地由于气带箍缩而唤醒患者，从而减少高血压的误诊；减少血压测量时肢***置不当影响；便于观察隐匿性高血压的发生。长期的血压监测也有助于高血压管理，如生活方式的改变。告知用户日常锻炼和饮食选择是如何影响健康的，也有助于高血压患者监测药物治疗效果。
本发明可为个人长期居家或工作中进行肱动脉血压监测以供日常生活使用，可避免血压测量时的警觉反应。
本发明可以解决在临床患者治疗时持续监测患者动脉血压问题，并减少了人为定时测量操作，极大的减少了工作量，提供了更强的方便性、快捷性、无扰性和连续性。
本发明可基于健康手表/手环和智能耳机的广泛采用，在手表/手环和耳机分别安装两个PPG传感器，将测量到的PPG信号无线传输到用户的手机并同步以进行计算。通过适当的***资源配置，该计算也可通过健康手表/手环直接完成，并将结果上传供个人血压数据的短/长期分析应用，应用广泛。
附图说明
图1为利用本发明进行肱动脉血压BBP测量的测量点位图；
图2为一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法包括如下步骤：
步骤一、通过PPG传感器同步测得被检测者动脉树上某一动脉节段(第i段)上近心点的脉搏波信号和远心点的脉搏波信号；
步骤二、根据所述同步测量到的近心点的脉搏波信号和远心点的脉搏波信号，可分别获取身体各局部动脉节段的脉搏波波速PWV，其中，第i段动脉节段的脉搏波波速定义为PWVi，则有PWVi＝ΔSi/Δti，其中ΔSi为第i段动脉节段的长度，Δti为第i段动脉节段上PPG传感器获得的脉搏波信号的起点(近心点)与终点(远心点)间的时间差；其中动脉节段的长度由人体解剖学、统计学,结合多个个体外部体表数据测量得到。
步骤三、动脉树上某一动脉节段的局部PWV主要取决于由局部动脉血压决定的基础压P，以及局部动脉血管僵硬度，即PWVi＝ΔSi/Δti＝PWVi(P)。在大量数据采集和分析的基础上进行校准操作后，通过听诊法和示波法测量的肱动脉血压BBP与相关动脉节段PWV之间的相关性，可用于间接估计局部动脉血压BBP。
校准操作包括两个部分：总体校准与个体校准。总体校准是根据BBP和PWV的全部数据点进行相关性分析，并通过最佳拟合曲线根据PWV来预估BBP，是与个体的其他生理参数无关的(subject independent)。而个体校准是根据BBP和Parameter(或者PWV和Parameter)的数据点进行相关性分析，是因人而异，与个体相关的(subject dependent)。这里Parameter是测试个体的相关生理参数，涵盖广泛，包括生理、心理、睡眠、饮食、运动、药物治疗等等，譬如(但不限于)诸如年龄、体重、身高、BMI、烟酒摄入、血液参数、每日卡路里摄入、运动量的频度及强度，等等。个体校准是对总体校准的进一步修正，总体校准只有一个，而个体校准则有多个，可对BBP进行多参数的二次修正。
数据校准的意义首先是提高通过对PWV的测量而估算BBP的准确度，其次是可以通过分析BBP与其他个体参数的相关性而发现潜在的规律。随着数据量的积累，这些规律会越来越明显，进一步帮助我们健康管理，造福全社会。
下面以应用本发明进行肱动脉血压BBP的测量为例进行说明：
图1显示了一个简化的身体左侧心血管***前视图，各种测量估计组合方式如图1所示。右侧除颈总动脉与锁骨下动脉分离处之外，情况相似。心脏1有主动脉弓2，主动脉弓2有颈总动脉3和锁骨下动脉7，颈动脉3***为颈内动脉4和颈外动脉5，颈外动脉5非常接近耳道6。充气式血压计气带8位于上臂周围，垂直高度与心脏1大致相同。图1中有6个位置点可放置PPG传感器，定义为：e-耳侧传感器点，位于耳垂或耳道内；b1-肱动脉起始点，也是锁骨下动脉的终点；b2-肱动脉的终点；r-桡动脉的终点；u-尺骨动脉的终点；f-食指指尖的终点。从这些点可测得六个通道同步的PPG信号，分别记为：PPG_e、PPG_b1、PPG_b2、PPG_r、PPG_u和PPG_f。可采用六处测试点中任意两个点之间为一个局部脉搏波的计算节段。通过这些节点，可以引入三种动脉节段定义：主段、副段及准主段。
定义主段，只有b1-b2节段一种组合，其主段脉搏波波速记为b1b2PWV，这是肘部前区的肱动脉节段。目前听诊法及示波器法都将充气袖带置于此处，用于间接测量肱动脉血压。
进一步，定义副段，副段为不包括主段的任何动脉节段组合。共有六种组合，分别如下：
eb1PWV：颈动脉-锁骨下段局部PWV，(需要指出计算eb1PWV的方法不同于计算同一分支段，因为e点和b1点位于动脉树的两个不同分支上)
b2rPWV：肱动脉(终点)-桡动脉段局部PWV；
b2uPWV：肱动脉(终点)-尺骨动脉段局部PWV；
b2fPWV：臂(终点)-指动脉段局部PWV；
rfPWV：桡指动脉段局部PWV；
ufPWV：尺骨-指动脉段局部PWV。
进一步，定义准主段：包括主段和副段的任一动脉节段组合。共有七种组合，相应的局部PWV，如下所示：
eb2PWV：耳-臂动脉段局部PWV；
erPWV：耳-桡动脉段局部PWV；
euPWV：耳-尺骨动脉段局部PWV；
efPWV：耳-指动脉段局部PWV；
b1rPWV：肱骨-桡骨段局部PWV；
b1uPWV：臂-尺骨段局部PWV；
b1fPWV：臂-指节局部PWV。
进一步，根据身体每路PPG传感器同步脉搏波信号的波形起始时间，分别计算出身体各组测量点同步脉搏波信号间的起始时间差；
进一步，PPG传感器测量点之间的距离既可以根据数值模型中的体高计算，也可以直接沿体表测量，以最小化模型造成的误差；
进一步，通过公式PWVi＝ΔSi/Δti，可分别获取身体上述各局部动脉节段的脉搏波波速；
进一步，在大量数据采集和分析的基础上进行校准操作后，通过听诊法和示波法测量的肱动脉血压与相关动脉段测量的局部PWV之间的相关性分析，可通过各个不同的动脉节段的测量来间接地估计出肱动脉局部血压；
进一步，显然，肱动脉血压BBP与诸多的局部动脉节段PWV之间的最强相关性发生在与主段b1b2PWV之间，是利用局部PWV值间接估计局部肱动脉血压BBP的最优组合选择。然而b1b2PWV的检测虽然可以在实验室或临床环境中进行，但在实际应用中通常不易操作或不可行。
进一步，第二个组合选择是寻找主段b1b2PWV(或BBP)和其他节段PWV之间的相关性。根据定义，准主段PWV仍然包括来自主段的b1b2PWV的贡献，但权重因子的百分比较低。为了减小估计误差，节段组合的选择原则是应尽可能接近主要节段，并尽可能短；
进一步，主段b1b2PWV(或BBP)估计的最劣选择来自其与副段PWV之间的相关性，因为根据定义这些副段组合不包括主段b1b2。但由于血压是影响整个动脉树的一个***参数，因此副段PWV数据与主段b1b2PWV(或BBP)仍显示出一定程度的相关性。
上述肱动脉血压BBP的测量方法可以应用于个人长期日常在家或工作中监测肱动脉血压BBP：从耳侧(耳垂或耳道内侧)和手腕位置选择PWV传感器信号测量值。基于健康手表/手环和耳机的广泛采用，手表/手环和耳机分别需要安装两个PPG传感器。然后，将测量到的PPG传感器信号无线传输到用户的移动电话并在移动电话上同步，以进行延时计算。结合使用者的身高信息，计算耳-桡动脉段局部erPWV，并用b1b2PWV和BBP值进行校准。BBP与b1b2PWV的相关数据库作为应用程序的一部分预装在手机中。通过适当的***资源配置，该计算也可通过健康手表/手环直接完成，并将结果上传供个人血压数据的短/长期分析应用。
应用于临床状态下持续监测患者肱动脉血压BBP：通过耳垂和食指尖PPG传感器信号测量来获得上肢PWV，即耳-指动脉段局部efPWV。这种排列的原因是基于耳垂和指尖等部位的PPG传感器信号都很强，而且由于动脉血管吻合的原因，这些身体部位的毛细血管密度通常很高，信号相对容易测量。然后，这些PPG传感器信号被有线或无线地发送到控制单元执行相关数据处理。

Claims (8)

1.一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、通过PPG传感器同步测得被检测者动脉树上任一局部动脉节段上近心点的脉搏波信号和远心点的脉搏波信号；
步骤二、根据测得的脉搏波信号计算所述局部动脉节段的脉搏波波速PWV；
步骤三、根据步骤二中得到的脉搏波波速PWV，通过听诊法和示波法测量的动脉血压与相关动脉节段脉搏波波速PWV之间的相关性间接估算出动脉血压的基础压力P。
2.如权利要求1所述的一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法，其特征在于：定义第i段动脉节段的脉搏波波速为PWVi，则PWVi＝ΔSi/Δti，其中其中ΔSi为第i段动脉节段的长度，Δti为第i段动脉节段上PPG传感器获得近心点脉搏波信号和远心点脉搏波信号的时间差。
3.如权利要求2所述的一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法，其特征在于：所述动脉节段的长度通过人体解剖学和统计学结合个体外部体表数据测量得到。
4.如权利要求1所述的一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法，其特征在于：所述步骤三中基于听诊法和示波法测量的动脉血压与动脉节段的脉搏波波速PWV之间的相关性间接估计出动脉血压的基础压力P。
5.如权利要求1所述的一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法，其特征在于：所述近心点和远心点的最优组合选择为以被测动脉的起始点为近心点，以被测动脉的终点为远心点。
6.如权利要求1所述的一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法，其特征在于：所述近心点和远心点的第二组合选择为近心点和远心点形成的动脉节段包含被测动脉。
7.如权利要求1所述的一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法，其特征在于：所述近心点和远心点的最劣组合选择为以被测动脉的起始点为远心测试点，或以被测动脉的终点为近心测试点。
8.如权利要求1所述的一种利用PPG传感器间接估计测量动脉血压的方法，其特征在于：所述步骤三中根据听诊法和示波法测量的动脉血压与相关动脉节段脉搏波波速PWV的全部数据点进行相关性分析，并通过最佳拟合曲线根据脉搏波波速PWV来预估动脉血压的基础压力P。
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