CN209733969U - 一种脉搏波传播时间的测量设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种脉搏波传播时间的测量设备，所述设备同步采集被测者的脉搏波信号和心电信号，对脉搏波信号和心电信号进行特征点提取，计算脉搏传导时间PAT；根据心电信号计算射血前期PEP；用计算得到的脉搏传导时间PAT减去射血前期PEP，得到脉搏波传播时间PTT。本实用新型去除了射血前期的影响，提高了脉搏波传播时间PTT的测量精度。

Description

一种脉搏波传播时间的测量设备

技术领域

本申请涉及人体生理信号测量技术领域，具体涉及一种脉搏波传播时间(pulsetranslation time，PTT)的测量设备。

背景技术

心血管疾病是指心脏和血管发生了病变，包括冠心病、动脉硬化、心律失常、高血压等。随着社会经济的发展，国民生活方式发生了很大的变化，尤其是人口老龄化以及城镇化进程的加速，会造成心血管疾病的危险因素明显增加，导致心血管疾病的发病人数也持续增加。据世界卫生组织的统计数据，世界上每年因患心血管疾病死去的人数有几百万之多，其中在中国，每年因患心血管疾病死去的人数就有500多万人。2017年的中国心血管报告指出：我国关于心血管疾病的预防工作已取得较好的成果，但是与之前相比，我国心血管病患病率以及致死率仍在不断上升；估算目前心血管疾病患者人数有2.9亿，最高的脑卒中患者有1300万，冠心病患者也有1100万，最常见的心血管疾病即高血压患病人数高达2.7亿。无论是在农村还是城市，心血管病均占居民疾病死亡构成的40％以上，已经超过肿瘤占居致死率首位。可见，心血管疾病的预防、保健、治疗和康复方法的研究，对提升民众的整体健康水平至关重要。

在心血管疾病预防和诊断的过程中，脉搏波传输时间(pulse translation time，PTT)是一个重要的参考数据。一方面，已有许多研究证明PTT与血压之间存在较强的相关性，在许多需要使用连续血压的场景下，PTT的测定是一个有效的估计措施。而连续血压能够实时的反映心血管***的状态，在疾病预防、临床医疗、运动康复等领域中应用十分广泛。传统的连续血压测量技术一般依赖有创手段，精度高但是操作难度大、被测者痛苦且存在感染风险。近年来，也有许多的无创连续血压测量技术被提出，但是在舒适性、易用性和便携性上都有不同的缺陷。另一方面，PTT是计算脉搏传输速度(pulse wave velocity，PWV)的重要参数，而PWV的计算已经成为诊断动脉硬化的金标准。相对于传统的冠状动脉造影检查，PWV的应用无创且不需要专业的医生操作，适合作为常规体检使用。它可以作为一个较为灵敏的显示血管弹性的指标，在患者还没有发展为冠心病之前就可以发现其血管弹性病变，在心血管疾病的预防和确诊中扮演着重要的角色。

在目前已有的技术中，Martin C Baruch等人的《脉搏传输时间测量装置和方法》(专利号：CN1325285A)测量了人在血液传播路径中某两点之间的脉搏传输时间差。在实际的使用中，两点脉搏波信号不易测量且易受干扰，佩戴较为不便；浙江大学叶学松等人的《无创连续血压测量***及其校准方法》(专利号：CN108272446A)是通过心电图R点与一点脉搏波之间的时间来计算PTT，实际上是以脉搏到达时间PAT(pulse arrival time)来代替了PTT，由于PAT实际等于PTT的时长加上射血前期PEP(pre-ejection period)的时长，因此这种替代会带来一些误差，影响检测的精度。

发明内容

本实用新型旨在解决现有的脉搏波传播时间的测量方法测量精度低和测量不便的问题。

本实用新型还提出一种脉搏波传播时间的测量设备，包括：脉搏波采集单元，用于采集被测者的脉搏波信号；心电信号采集单元，用于采集被测者的心电信号；数据处理单元，用于对所述脉搏波信号和心电信号进行处理以计算得到脉搏波传播时间PTT。

根据本实用新型的优选实施方式，所述脉搏波采集单元和心电信号采集单元与同一个时钟信号连接。

根据本实用新型的优选实施方式，还包括串口通信单元，并且，所述串口通信单元通过无线方式接收脉搏波采集单元采集的被测者的脉搏波信号和心电信号采集单元采集的被测者的心电信号；所述数据处理单元以有线方式接收所述串口通信单元获取的脉搏波信号和心电信号。

根据本实用新型的优选实施方式，所述数据处理单元对脉搏波信号和心电信号进行处理以计算得到脉搏波传播时间PTT的步骤包括：对脉搏波信号和心电信号进行特征点提取，计算脉搏传导时间PAT；根据心电信号计算射血前期PEP；用计算得到的脉搏传导时间PAT减去射血前期PEP，得到脉搏波传播时间PTT。

根据本实用新型的优选实施方式，所述数据处理单元根据公式<1>计算脉搏传导时间PAT：

PAT_i＝F_i-Q_i<1>

其中，PAT_i为第i个心动周期的PAT值；F_i，Q_i分别表示第i个心动周期内的脉搏波足点时间和心电信号Q波时间。

根据本实用新型的优选实施方式，所述数据处理单元根据公式<2>计算射血前期PEP：

PEP_i＝0.07*RR_i-1<2>

其中，PEP_i为第i个心动周期的PEP值；RR_i-1为第i-1个心动周期的RR间期值。

本实用新型中采集了心电信号和脉搏波，然后对两路信号的特征点进行提取，并且去除了射血前期的影响。本实用新型携带更加方便，收集数据的噪声也小，另一方面在算法上去除了射血前期，提高了计算精度。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例的脉搏波传播时间测量设备的单元架构图；

图2是本实用新型的一个实施例的脉搏波传播时间测量设备的脉搏波采集单元的模块结构示意图；

图3是本实用新型的一个实施例的脉搏波传播时间测量设备的心电采集单元的模块结构示意图；

图4是本实用新型的一个实施例的脉搏波传播时间测量设备采集信号特征点的示意图；

图5是本实用新型的一个实施例的脉搏波传播时间测量设备在人体上佩戴位置的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本明的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，本实用新型可以以各种形式实现，实施例并不是用于限制本实用新型的范围。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本实用新型。

本文中的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本发明还提出一种实现上述脉搏波传播时间的测量方法的脉搏波传播时间的测量设备。该设备包括脉搏波采集单元、心电信号采集单元和数据处理单元。脉搏波采集单元用于采集被测者的脉搏波信号，心电信号采集单元用于采集被测者的心电信号，数据处理单元用于对所述脉搏波信号和心电信号进行处理以计算得到脉搏波传播时间PTT。

优选地，所述脉搏波采集单元和心电信号采集单元与同一个时钟信号连接以实现信号提取的同步。

图1是本实用新型的一个实施例的脉搏波传播时间测量设备的单元架构图。如图1所示，本实用新型的PTT测量设备包括脉搏波采集单元100，心电信号采集单元200，串口通信单元300，以及数据处理单元400。其中脉搏波采集单元100与心电采集单元200通过同一个时钟信号连接，以此来保证信号采集的同步性。脉搏波采集单元100采集腕部脉搏波信号，并将信号通过有线方式传输到心电信号采集单元200，心电采集单元在同一时间内采集了心电信号，并将信号一起通过蓝牙的方式发送给串口通信单元300。串口通信单元300通过USB的方式和数据处理单元400连接，数据处理单元400解析收到的数据包并进行滤波、特征提取以及PTT的计算，最终得到一系列的PTT值，可以依据需求画出相应图像或者保存到文件，以便于进一步的分析。

以下具体说明每个单元的工作流程。

如图2所示，脉搏波采集单元100可采用光电脉搏波采集电路。它的测量原理在于，一方面，人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉***传播，这种波即为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，很大程度上能反映出人体心血管中许多生理病理的血流特征。另一方面，根据朗博-比尔(Lamber-Beer)定律，物质在一定波长处的吸光度和它的浓度成正比，当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。在实际测量中，脉搏波的采集点可以为手腕、手指或手肘，每个部位均有明显的脉搏波。在本实例中，我们选用的点为手腕外侧。一方面，手腕外侧可以检测到明显的波形信号，另一方面，在手腕外侧测量可以使被测者更舒适，同时可以固定的更好，减少漏光、运动等因素带来的噪声干扰。工作时，光电脉搏波传感器110采集信号，接下来经过放大器120放大信号，进而通过滤波器130去除高频成分，最后通过微处理器140中集成的模数转换器变换为数字信号，然后产生中断，将数据发送给心电采集单元200。放大器、滤波器可由通用元件实现。模数转换器应至少采用8位模数转换器，以保证实验精度。本实例中采用的MCU是STM32，集成了8位模数转换器，采样频率为1kHZ。

如图3所示，心电信号采集单元200采用双电极测量法。胸部电极211和胸部电极212通过前置放大器220进行差分放大，获得两个电极之间的电势差。然后通过滤波器230滤除高频噪声和工频干扰，再经过主放大器240进行信号放大，然后由微处理器250中集成的模数转换器转换为数字信号。同时，对脉搏波采集单元100发送的数据进行接收，最终一起通过蓝牙模块260发送给串口通信单元300。串口通信单元300通过USB方式与数据处理单元400连接。同样的，本实例中使用的MCU为STM32，模数传感器为8位，采样频率为1kHZ。使用的蓝牙模块为BMX-02A。

如图4所示，心电、脉搏波信号特征点的提取和PTT的计算主要在数据处理单元400上进行。本实例中的数据处理单元400为上位机。上位机接收到了信号之后，首先解析成便于处理的数据格式，然后对两路信号进行滤波，为特征提取做准备。心电方面，我们需要进行两个时间的计算。一个是脉搏的传导时间PAT，另一个是射血前期PEP。在PAT方面，我们采用的是QRS复合波中的Q波点作为PAT计算的起点(即图中的Q点)。因为ECG信号(心电信号)是所有心脏活动的电信号的叠加，R波出现的时刻为左心室收缩最剧烈的时刻，此时主动脉瓣膜已经打开了一段时间。而PAT为整个脉搏传导的时间，理应记录脉搏周期内同一事件发生的传导时间，Q波的发生时间则可以认为是左心室开始收缩的时间。因此我们的时间记录从Q波点的时刻开始。Q波的提取依赖于R波的提取，即认为Q波是R波前的第一个极小值。R波是一个明显的心脏活动信号，时间短，幅度大，易于提取。而且一般的运动噪声也不易掩盖掉R波。在本实例中，我们采用Pan-tompkins算法对R波进行提取。Pan-tompkins算法是一种较为经典的R波提取算法，有着较为鲁棒的特性和极低的误检率，而且实现简单，运行速度快。

脉搏传导时间的终点则在脉搏波信号中提取。脉搏波方面，由于脉搏波与心电有着较强的相关性，我们脉搏波的特征点都在同一心动周期内R波之后的一段时间进行提取。脉搏波的可选特征点很多，如足点、峰值点、斜率最大点或斜率为最大值的20％的点，等等。他们各自有着不同的生理意义和测量考虑。在本实例中，选取的是脉搏波的足点(即图中的F点)，一般情况下可以代表主动脉瓣膜开启的时间。而且易于提取，误检率低。当脉搏波和心电的特征点都提取完毕后，我们在同一心动周期内，用脉搏波足点的时间减去心电信号Q波点的时间，这个时间差即为PAT。

计算公式如下公式(1)：

PAT_i＝F_i-Q_i<1>

上式中，PAT_i为第i个心动周期的PAT值；F_i，Q_i分别表示第i个心动周期内的脉搏波足点时间和心电信号Q波时间。

PEP的计算则依赖于RR间期(QRS波中R波之间的时间)。我们以前一个RR间期的7％作为PEP的计算值。在短时间内的血压计算或动脉硬化诊断的过程中，这个值可以认为是仅与RR间期相关。因此，我们的PEP可以由以下公式<2>计算：

PEP_i＝0.07*RR_i-1<2>

上式中，PEP_i为第i个心动周期的PEP值；RR_i-1为第i-1个心动周期的RR间期值。即这一周期的PEP值等于上一周期的RR间期长度的7％。

计算得到了PEP和PAT后，PTT可以由以下公式<3>计算：

PTT_i＝PAT_i-PEP_i<3>

计算得到的PTT序列可以以文件的形式保存，或者直接输出到显示界面。也可以以变量的形式暂时保存，以待下一步处理，进行血压计算或者某些疾病的诊断。

本实用新型PTT测量设备的工作流程如下：

步骤1：设备开始工作时，首先进行初始化。脉搏波采集单元100和心电采集单元200分别检测是否有正常信号，如果有，则进入采集状态。

步骤2：心电采集单元100依据采样频率发出中断，中断信息同时传送给心电采集单元200和脉搏波采集单元100，两个单元同时进行信号采样，然后分别进行放大、滤波。脉搏波采集单元100将处理后的数据发送给心电采集单元200，心电采集单元200接收数据并和心电数据一起通过蓝牙发送给串口通信单元300。

步骤3：串口通信单元300将数据发送给数据处理单元400，数据处理单元400接收并解析数据，接下来完成特征提取和PTT计算等工作，最终输出或保存相应的PTT值。

如图5所示，本实用新型PTT的测量设备在使用时，可将胸部电极211和胸部电极212如图方式固定，这种方式可以较好的监测到R波，并且受到的干扰较小；脉搏波采集单元100位于左手手腕外侧，佩戴者不会有太多的不适感，也可以避免右手活动的干扰。

应当理解，为了精简本实用新型并帮助本领域的技术人员理解本实用新型的各个方面，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本实用新型解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。

应当理解，可以对本实用新型的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。

本实用新型的实施例中的模块、单元或组件可以以硬件方式实现，也可以以一个或者多个处理器上运行的软件方式实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本实用新型实施例。本实用新型还可以实现为用于执行这里所描述的一部分或者全部的计算机程序产品或计算机可读介质上。

Claims (6)

1.一种脉搏波传播时间的测量设备，包括：

脉搏波采集单元，用于采集被测者的脉搏波信号；

心电信号采集单元，用于采集被测者的心电信号，其特征在于，还包括：

数据处理单元，用于对所述脉搏波信号和心电信号进行处理以计算得到脉搏波传播时间PTT。

2.如权利要求1所述的脉搏波传播时间的测量设备，其特征在于：所述脉搏波采集单元和心电信号采集单元与同一个时钟信号连接。

3.如权利要求2所述的脉搏波传播时间的测量设备，其特征在于：还包括串口通信单元，并且，

所述串口通信单元通过无线方式接收脉搏波采集单元采集的被测者的脉搏波信号和心电信号采集单元采集的被测者的心电信号；

所述数据处理单元以有线方式接收所述串口通信单元获取的脉搏波信号和心电信号。

4.如权利要求1至3中任一项所述的脉搏波传播时间的测量设备，其特征在于，所述数据处理单元对脉搏波信号和心电信号进行处理以计算得到脉搏波传播时间PTT的步骤包括：

对脉搏波信号和心电信号进行特征点提取，计算脉搏传导时间PAT；

根据心电信号计算射血前期PEP；

用计算得到的脉搏传导时间PAT减去射血前期PEP，得到脉搏波传播时间PTT。

5.如权利要求4所述的脉搏波传播时间的测量设备，其特征在于，所述数据处理单元根据公式<1>计算脉搏传导时间PAT：

PAT_i＝F_i-Q_i<1>

其中，PAT_i为第i个心动周期的PAT值；F_i，Q_i分别表示第i个心动周期内的脉搏波足点时间和心电信号Q波时间。

6.如权利要求4所述的脉搏波传播时间的测量设备，其特征在于，所述数据处理单元根据公式<2>计算射血前期PEP：

PEP_i＝0.07*RR_i-1<2>

其中，PEP_i为第i个心动周期的PEP值；RR_i-1为第i-1个心动周期的RR间期值。