（生物医学工程专业论文）脉搏波自动检测及无线通讯技术的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s eh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ts e r i o u sd i s e a s e st h a t e n d a n g e r sh u m a nh e a l t ha n dl e a d st od e a t hi nt h ew o r l d t h em a i nf e a t u r e so f c a r d i o v a s c u l a rf u n c t i o na r em a i n l ye v a l u a t e db yt h ec a r d i a co u t p u t ，s t r o k ev o l u m e ， h e a r tr a t e ，p e r i p h e r a lr e s i s t a n c e ，a n do t h e rh e m o d y n a m i cp a r a m e t e r s t h e i rc h a n g e s a r ec l o s e l yr e l a t e dt op h y s i o l o g i c a lf u n c t i o n h o w e v e r , m o s to fc a r d i o v a s c u l a r f u n c t i o nd e t e c t i o ne q u i p m e n t sa r eb u l k ya n dc o m p l i c a t e dt oo p e r a t e ，w h i c ha r ev e r y e x p e n s i v ea n d h a v es t r i c te n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t s t h ep u l s ew a v ed e t e c ts y s t e m s a r el e s sa u t o m a t i ca n dt o os e n s i t i v et oo p e r a t e ，w h i c hn e e dm o r eh u m a ni n t e r v e n t i o n , a n dh a v er e l a t i v e l ys i m p l ef u n c t i o n s t h e ya r en o ts u i t a b l et oa p p l yi nd a i l yt e s ta n d c a r e i nt h i sp a p e r ，t h es y s t e mu s e sp p g ( p h o t o p l e t h y s m o g r a p h y i n s t e a d ) o ft h er a d i a l p u l s ew a v ed e t e c tm e t h o dw i t hh i g h e rr e q u i r e m e n to fl o c a t i o na n dp r e s s u r e ，i sm u c h s i m p l et od e t e c t t h i sp a p e rs t u d i e so np u l s ew a v ea u t o m a t i cd e t e c tt e c h n o l o g y ，u s i n g s i g n a lp r e - p r o c e s s i n ga n da u t o m a t i cs i n g l ep u l s ew a v ea n a l y s i st oc a l c u l a t et h er e s u l t s t h es y s t e mu s e sb l u e t o o t ht e c h n o l o g yt oi m p l e m e n tt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nm o b i l e d e v i c e sa n dd e t e c t i o ne q u i p m e n tw i t h o u tw i r e dt r a n s m i s s i o nc o n s t r a i n t s ，a n dp r o v i d e u s e r sm o r es p a c e sw h e nt h e ya r et a k i n gt e s t a tt h es a m et i m e ，t h ec a r d i o v a s c u l a r f u n c t i o ne v a l u a t i o ns o f t w a r eo nm o b i l ed e v i c e sc o u l dc o l l e c ts i g n a l sa n dd a t ai nt i m e f o rt h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i s i ti sag o o df o u n d a t i o nf o rl o n g - d i s t a n c ec o n s u l t a t i o n s ， c a s et r a c k i n g ，c o m m u n i t yh e a l t hc a r ea n do t h e rv a l u e - a d d e ds e r v i c e st h r o u g ht h e i n f o r m a t i o ne x c h a n g eo fm o b i l ed e v i c e sa n dd a t ac e n t e r s i ns u m m a r y ，t h i ss y s t e m w i l lh e l pp e o p l et om o n i t o rc a r d i o v a s c u l a rf u n c t i o na ta n yw h e r ea n da n yt i m e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no fh e m o d y n a m i cp a r a m e t e r st e s tb a s e do n t h er e s e a r c ho fw i r e l e s st e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cd e t e c t i o nt e c h n i q u e t h eo v e r a l l s t r u c t u r eo ft h es y s t e mi n c l u d e st h ef i n g e rp u l s ew a v es i g n a lc o l l e c t o rb a s e do n b l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n dn o n i n v a s i v ec a r d i o v a s c u l a rf u n c t i o nd e c t e c ts o f t w a r e b a s e do nm o b i l ed e v i c e t h ec o l l e c t o rw i ms i n g l e - c h i pa ss y s t e mc o r e ，h a sb l u e t o o t h w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t h ep o w e rm a n a g e m e n tw h i c hi ss u i t a b l e f o r p o r t a b l ea p p l i c a t i o n s ，t h ep e r i p h e r a li n t e r f a c e s ，a n dt h es i g n a lp r e - p r o c e s s i n gc i r c u i ti n o r d e rt oi m p l e m e n ta u t o m a t i cd e t e c t i o no fp u l s ew a v e t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h e c h o i c eo fm o b i l ed e v i c eo p e r a t i o ns y s t e ma sw e l la st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sf o r t h em o b i l ep h o n es o f t w a r e w eu s ej a v a m el a n g u a g et od e v e l o pt h ep r o g r a mo n s y m b i a no p e r a t i o ns y s t e m t h i s a r t i c l e p r o v i d e sc o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n t i i i m e a s u r e st os o l v et h ep r o b l e m si nt h ep a s t ，s u c ha s l e s sa u t o m a t i cd e t e c t i o n , u n f r i e n d l ys o f t w a r ei n t e r f a c ea n dc o m p l i c a t e do p e r a t i o n f i n a l l y ，w em a k eas u m m a r i z a t i o nt ot h i sp a p e r ，i n d i c a t i n gs o m ed i s a d v a n t a g e s i nt h ee x i s t i n gs y s t e ma n dm a k i n gaf u r t h e re x p e c t a t i o n k e yw o r d sp u l s ew a v ea u t o m a t i cd e t e c t ；w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ； c a r d i o v a s c u l a rf u n c t i o n ；m o b i l ed e v i c e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另, l j j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲避嗍弘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑避导师签名：日期：q 。垦：! ， 第1 帝绪论 皇量! 皇曼曼! 鼍曼曼曼曼! ! ! ! 曼! 曼! 曼! ! 曼! 皇曼皇曼! 曼鼍量鼍! ! ! ! 曼曼曼曼! ! 曼曼皇曼量i i i 毫曼毫曼! 曼鼍皇曼曼詈曼皇! 量皇曼皇曼皇曼量曼詈皇曼皇詈 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 心血管疾病已经成为全球范围内危害人类健康并导致死亡的最严重疾病之 一。心血管功能特征主要是由心输出量、每搏量、心率、外周阻力等血流动力学 参数评价，这些参数是人体生理、病理学的重要指标，它的变化与人体生理机能 状态密切相关。但目前对心血管功能检测的设备大都存在着类似体积大、操作复 杂、价格昂贵、检测环境要求严等缺点，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，缺乏快捷、实时的检查手段，不宜应用于人们的日常检 测和监护。运用先进的科学技术手段，对人体心血管系统功能进行检测，及早发 现病情，并准确做出诊断具有重要的现实意义。对于已发生器质性病变的心血管 疾病患者，临床上通常是通过有创方法，如漂浮导管法检测血流动力学参数。这 种方法准确性高，但危险性大、费用昂贵，且获得的参数少。因此，国内外都在 普遍关注于无创心血管功能检测方法的研制【2 j 。 在国外，心血管血流动力学参数的研究和临床检测已经进行了相当长的时 间，形成了几种较为完善的检测技术【3 1 1 4 1 5 j ： ( 1 ) 超声心动图法：利用超声多普勒原理显示心脏结构并评价心功能状态的检查 方法，可以无创测量每搏量、心输出量等参剡6 j ： ( 2 ) 心阻抗法：就是根据胸腔电阻抗的动态变化，来测定心功能的一种非创伤性 方法。它反映了血管容积或血流变化引起的阻抗。可以测定心输出量、心室 收缩间期、心阻抗微分波和外周阻力等参数1 7 1 ； ( 3 ) 螺旋c t ：可以对心血管成像、诊断，而且可以检测心血管状态1 8 j ； ( 4 ) 心脏核医学方法：核素心血管造影是根据心室腔内放射率的变化而测定心室 容积的改变，不受几何形状不规则的影响。可测出左心室射血分数、右心室 射血分数、左心室最大射血率、左心室最大充盈率及左心室最大充盈时间等 参数 9 1 ； ( 5 ) 磁共振( m r i ) 方法：可以对整个心脏进行连续断层成像，因而以准确测量 心室的大小、容积及功能、射血分数、左心室流出道直径、每搏量等参数【l o j ； 但是，这些方法存在着类似体积大、操作复杂、价格昂贵、检测环境要求严 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，不宜应 用于人们的日常检测和监护。 美国d m i 公司发明了一种利用肱动脉袖套方式无损伤采集脉搏波信号，通 过计算给出血流动力学参数，但这种检测方法存在实时性差、价格昂贵，标准数 据不适用于中国人群等问题【6 j 。 北京丁业人学t 学硕 ：学位论文 在国内，应用较多的无创检测方法主要是通过桡动脉获取脉搏波，根据血流 动力学原理无创检测心血管血流动力学的十几项参数，检测结果通过与漂浮导 管、超声心动图检测方法对比，具有较好的相关性。检测得到的参数能够较为全 面的反映人体心血管的功能，而且检测方法具有实时、无创、快速便捷等特点【6 j 【7 l 。 但存在着数学模型在某些区域里误差大、检测方式过于敏感、重复性差等问题。 自1 9 3 8 年h e r t z m a n 首次提出光电容积脉搏波描记法以来【8 】，在2 0 世纪的 几十年中，国内外许多科学研究人员在容积脉搏波领域中做出了大量的基础研究 和临床应用研究工作。光电容积脉搏波描记法( p h o t o p l e t h y s m o g r a p h y ，p p g ) 是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。当一定波长 的光束照射到指端皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器。 在此过程中，由于受到指端皮肤组织和血液的吸收衰减作用，光电接收器检测到 的光强度将会减弱。其中皮肤、肌肉和组织等对光的吸收在整个血液循环中是保 持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏收缩舒张作用下呈搏动性变化，从而 光强度也随之变化。再将此光强度变化信号转换成电信号，信号经过放大器后便 可获得容积脉搏血流的变化。指端的微动脉、毛细血管和微静脉内流过的血液容 积变化，反映出心搏功能、血液流动、外周血管和微循环等诸多心血管的重要信 息。由于光电容积脉搏波描记法并不需要复杂而昂贵的仪器设备，光能避开强烈 的电磁干扰，具有很高的绝缘性，可非侵入地检测病人各种症状信息，光电容积 脉搏波描记法成为检测方式中前景较好的一种检测技术f 9 】【1 0 i 1 1 1 】f 1 2 】。应用领域亦由 人体循环系统发展到呼吸系统，在人体血压、血流、血氧、脑氧、肌氧、血糖、 微循环外周血管、脉率、呼吸率和呼吸容量等的无创检测中都有很好的应用前景， 并由此开发出许多在临床上有实用价值的医疗仪器新产品l b 儿1 4 l 。 现有的脉搏波检测系统大多数操作的自动化程度低，检测方式过于敏感，需 要较多人为干预，且功能相对简单。由于采集到的指端容积脉搏波信号中会含有 一定的干扰信号，影响计算结果的准确度，因而需要滤波等数字处理环节。数字 信号处理是指通过一定的计算机程序对采样信号进行平滑加工，提高有用信号的 比重，消除干扰和噪声。传感器的输出信号经采样和a d 转换变为数字信号送 入单片机，这些信号往往要经过预处理后才能交付给后面的应用程序使用。在智 能化仪表中，为了减少和去除干扰噪声，提高系统的可靠性，常用软件的方法加 以实现，并采用数字滤波法作为编制计算机程序的算法依据。经过预处理后的脉 搏波信号经过波形分析和自动判波，就可以得到所需要的k 值及计算其他血流 动力学参数。 在检测领域，目前市场上的多生命参数采集系统大多采用工控机和前端信号 采集板卡，设备体积庞大，价格高昂，功耗大，不适合携带。虽有远程心电监护 仪的相关报道，但大多数停留在单一的采集数据、电话线或有线i n t e m e t 传送数 2 第1 章绪论 暑皇! ! 曼! 鼍! 曼鼍i ! 曼鼍皇曼詈! ! ! ! ! 曼! 曼! 曼曼! 曼詈曼! 鼍皇! ! 曼鼍! ! ! 曼! 曼! 皇曼曼曼鼍量皇皇! ! 曼皇曼曼曼曼皇曼詈! ! 詈曼! 曼苎- 据，且大部分基于p c 机。 近年来，随着嵌入式系统产业持续迅猛发展，它正广泛应用于移动计算设备、 网络设备、工控设备、信息家电、通信设备、医疗仪器等领域【”】。嵌入式系统 具有软硬件可裁减、专用性强、功能强大等特点，特别适合于软、硬件系统资源 有限，对性能、成本、功耗、体积等要求相对严格的场合。 嵌入式移动设备与医疗仪器的结合已引起了广大科研工作者的兴趣，国外已 有类似的产品出现，能够实时地进行视频、音频和生命参数的传输1 6 】【1 7 1 引。在 人体生理信号测量中，通常需要传感器，而目前大部分检测设备与传感器采用有 线连接的方式，因此被测对象的活动受到了限制。为了弥补这一缺陷，就可以在 两者之间采用无线连接方式，允许用户在一定范围内自由活动，也提高了设备的 实用性【1 9 】【2 0 1 。在国内，无线通讯技术主要集中于小型的移动通讯设备，而把无 线通讯技术与嵌入式系统结合应用于医疗设备的工作尚处于起步阶段，但已显示 出广阔的前景。 当今流行的短程无线通信方式主要包括一下几种：i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网 技术、h o m e r f 家用无线局域网技术、红外通信技术、超宽带、w i f i 、z i g b e e 以及蓝牙t 2 1 1 。8 0 2 11 x 系列标准多于多人快速访问因特网，不适合在移动式、轻 巧型的设备中使用；h o m e r f 由于其在技术、应用领域等方面的局限性，在市场 推广上已经远远落后；红外技术由于其价格低、功率低，以及推出时间较早，所 以才市场上已经大范围应用，但其直线传输、易受遮挡，只支持点对点视距连接 等先天因素造成了在移动设备中使用的较大局限性；超宽带虽具有成本低、数据 传输速率很高、穿透力强等优点，但其致命的缺点是受到其他无线系统干扰以及 影响其他无线系统【2 2 1 1 2 3 1 ；w i f i 采用i e e e 8 0 2 1 l b 标准，可提供漫游服务，在无 线网信号覆盖区域内的任何位置都可以接入网络，但其稳定性和安全性等方面依 然存在一定的问题【2 4 1 1 2 5 】；z i g b e e 填补了低速率端无线通信技术的空缺，发展迅 速，但它还是一个相对年轻的技术，没有得到广泛应用【2 6 】【2 7 】。蓝牙无线电运行 在2 4 g h zi s m ( 工业、科学和医疗) 频段。蓝牙无线电波根据天线的传送能力 可以实现从1 0 m ( 家庭) 到1 0 0 m ( 机场候机大厅) 范围内的无线通信。对蓝牙 移动电话来说，通常只提供1 0 m 的有效距离。蓝牙的数据传输速率为1 m b s 。 它依赖于设备的类型，蓝牙无线电的传输功率可达最高1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) ，最低 l m w ( 0 d b m ) 。蓝牙功率消耗较小，对电池的要求较低，因此更适合移动电话 使用。 在这些无线应用方案中，蓝牙技术以其成熟的技术、低成本、低功耗、高速 率、体积小和方便灵活等特点脱颖而出口8 1 1 2 9 1 3 0 1 ，从而成为本课题首选的短程无 线通信技术，具有以下特点： ( 1 ) 发射功率小，对人体生理影响小。蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作 北京t 业人学t 学硕l ：学位论文 模式：激活模式、呼吸模式、保持模式和休眠模式。激活模式是正常的工作 状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。 ( 2 ) 使用了频率扩展和调频技术，有较强的抗干扰能力。采取跳频方式来扩展 频谱，将2 4 0 2 g h z 2 4 8 g h z 频段分为7 9 个频点，相邻频点间隔1 m h z 。蓝 牙设备在某个频点发送数据之后，再跳频到另一个频点发送，而频点的排列 顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1 6 0 0 次，每个频率持续6 2 5 u s 。 ( 3 ) 工作频段为2 4 - - 2 4 8 3 5 g h z ，这一频段属于工业和医疗的自由频段，无需申 请无线电波使用许可证，方便在全球推广使用。 ( 4 ) 体积小，可制成微型传感器发射模块，便于携带和长期监测，而对人的正常 活动无影响。 ( 5 ) 蓝牙支持点到多点的通信，可同时对多个人或多个生理信号进行检测。 ( 6 ) 开放的接口标准，蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个 人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过s i g 的蓝牙产品兼容性测试， 就可以推向市场。 ( 7 ) 自身有加密安全机制，保证数据的可靠性。 目前，蓝牙在智能移动设备、计算机、家用消费电子等诸多领域有着广泛的 应用。因此，针对上述问题，我们可以在移动设备平台上，通过蓝牙技术和指端 容积脉搏波检测技术，开发实时、无创、便携的检测设备和配套软件，应用于心 血管功能的日常检测。 1 2 课题的研究内容 该课题包含了血流动力学模型的理论研究、探索新的检测方式、自动检测技 术和蓝牙技术的研究、采集设备和手机客户端软件的实现等。而本课题的主要目 的是在理论研究的基础上，实现系统的软硬件平台化和产品化，设计要求如下： ( 1 ) 采集设备体积小，便于携带。 ( 2 ) 符合医疗器械电气安全规范。 ( 3 ) 可使用电池供电，电池连续供电时间不小于2 小时。 ( 4 ) 可通过蓝牙技术与手机进行无线通信，将检测数据和评价结果实时传送给手 机。 ( 5 ) 可存储检测结果，不少于1 0 0 0 0 记录。 ( 6 ) 可自动检测得到1 3 项心血管功能结果参数，完成一次检测时间：q 分钟。 ( 7 ) 可将结果发送给社区医院或其他远端设备，进行病例存储、管理和远程评价。 针对上述要求，研制一种基于移动设备和无线蓝牙技术的心血管功能无创检 4 第l 奄绪论 测系统，主要研究内容包括： ( 1 ) 设计基于无线蓝牙技术的指端容积脉搏波信号采集器的硬件平台。包括选择 合适的蓝牙模块和单片机，设计必要的外围电路如模拟信号处理、电源管理、 通讯模块以及接口等，并通过p c b 制板加以实现。 ( 2 ) 设计包括脉搏波形自动识别、自动判定、自动分析和计算的脉搏波检测分析 算法。 ( 3 ) 实现基于蓝牙技术的设备与手机的无线通讯。 ( 4 ) 在智能手机操作系统上设计相应的检测应用软件，包括设计简洁、美观、操 作性强的人机界面，实现实时采集功能，并将( 3 ) 中的算法整合到应用程序中。 ( 5 ) 实现对用户档案和检测数据的管理。 1 3 课题的研究意义 随着现代信息技术的发展以及人们对自身保健质量要求的不断提高，医疗保 健业日益朝着移动、无线、便利的方向发展。移动设备的发展迅猛，智能化的移 动设备逐渐普及，在将来，几乎每个家庭甚至每个人都会拥有一台。移动无线解 决方案允许用户即时地更新信息，从而可以确保数据反应了患者的最新情况。有 助于减少医疗差错、节省医疗专业人员的时间并减低数据录入成本；同时便于浏 览患者建立、检验治疗结果、输入诊断信息等；并能够在患者最方便的场所将关 键性的统计数据输入到患者病历中。 医疗保健产品的无线化、网络化是趋势，移动型、掌上型产品将成为未来市 场的主流。本课题研究的这种移动设备与医疗仪器相结合的心血管功能检测系 统，可以让专业的检测家庭化、个人化，起到疾病的预防和预警作用。通过指端 容积脉搏波检测方式代替过去对位置和压力要求较高的桡动脉脉搏波检测，检测 方式更为简单。脉搏波自动检测技术简化了过去繁琐的人为判波过程，直接由系 统给出结果。使用蓝牙技术，将检测设备与移动设备进行无线连接，把信号传送 至移动设备，摆脱了有线传输的约束，用户在检测时有更大的活动空间。同时， 在移动设备中开发心血管功能状态评价系统，可以及时对采集到的数据进行计 算、分析和评价；利用数据库技术，可以将个人信息和检测结果存档，有助于长 期观察心血管功能的变化情况。通过移动设备与区域数据中心进行信息交互，可 以建立起远程的分析、诊断和管理系统，支持远程会诊、病例追踪、提供社区医 疗增值服务；医疗机构的数据中心通过汇总大量的病例数据，可以进行相关的数 据挖掘和统计工作。这就为用户提供了一个随时随地进行心血管功能检测的全面 的系统，也为日后的相关工作奠定了良好的基础。 北京丁业人学t 学硕f j 学位论文 1 4 论文各章节安排 本课题来源于实际项目，在脉搏波自动检测技术和无线通讯技术的理论研究 基础上，开发一套基于移动设备和无线蓝牙技术的心血管功能检测系统。 论文的具体编排如下： 第一章是绪论，主要阐述课题选题的背景和意义，通过分析结合国内外研究 进展情况，提出系统的设计方案。 第二章主要阐述了设计的理论基础，简要介绍指端容积脉搏波方式检测血流 参数的原理和方法。 第三章详细介绍了脉搏波自动检测技术和蓝牙技术的理论研究，以及在系统 中的应用方案。 第四章详细介绍了基于无线蓝牙技术的指端容积脉搏波信号采集模块的实 现，包括硬件设计方案以及单片机程序的开发。 第五章详细介绍了基于移动设备的心血管功能无创检测软件的开发。主要涉 及到智能手机系统的选择、蓝牙通讯程序、数据采集功能的实现、相关算法的实 现、其他功能的实现以及操作界面的设计等。 第六章是对整个系统性能的测试和应用效果评价。 最后总结了论文中讨论的内容，并给出系统性能上存在的不足，提出了改进 的措施与展望。 6 第2 帝指端容积脉搏波榆测的原理和方法 鼍曼! ! ! 皇曼曼曼! 詈詈! ! 皇鼍量! 曼鼍曼曼鼍i i iiii 一一一一 一i i i 卜 第2 章指端容积脉搏波检测的原理和方法 随着心脏的间歇性收缩和舒张，血液压力、血流速度和血流量的脉动以及血 管壁的变形和振动在血管系统中的传播，统称为脉搏波或脉搏波在血管中的传 播。由于研究中医脉象的需要，我国学者对桡动脉脉搏波进行了大量的研究，取 得了不少成果。研究发现，脉搏波的传播特性与心血管系统中的许多生理参数变 化密切相关。因此，脉搏波是反映血管内压力、血管壁张力以及血管整体位移 的综合情况，是人体最基本的生命参数。本章将介绍脉搏波检测的理论基础，即 如何通过建立生理参数模型的方法来实现对人体心血管系统的描述与评估，以及 实现对血流参数的检测。 2 1 脉搏波检测的理论基础 人体循环系统的原动力是心脏的射血，其中心室起主要作用。在血液循环过 程中，当心室收缩主动脉瓣打开，血液射入主动脉内，由于血管系统的粘弹性， 具有很大的阻力，此部分血液不能立即排入静脉中去，使射入主动脉的血液暂时 留在主动脉近端，并引起主动脉扩张、压力升高。而当心室舒张、主动脉瓣关闭、 射血停止，主动脉将因弹性恢复而收缩。主动脉这种一张一缩，压力将从升高区 域开始以波的形式向主动脉远端及其分支传播，连续地使远端的动脉扩张，也就 是从主动脉压出的血液将以压力波动的形式在动脉系统内传播，这就是脉搏波。 由于沿主动脉向下的动脉管系不断出现分支，脉搏波将在这些分支中产生反 射与折射，因此，脉搏波不仅要受到心脏本身的影响，同时还会受到流经各级动 脉及分支中各种生理病理因素如血管阻力、血管壁弹性和血液粘性等的影响，而 从下游外周动脉反射回来的反射波强度和波形随不同的生理病理因素变化将会 有很大差异。这个反射波与原来从心脏出发的脉搏波相迭加，使得脉搏波具有不 同的波形特征，所以脉搏波所表现出的形态、强度与节律等方面的综合信息在相 当程度上反映了人体心血管系统的许多生理和病理特征。 临床证实，脉搏波中蕴藏着大量的血流动力学信息，血流动力学参数的变化 与脉搏波波形特征的变化紧密相关，而这些信息的变化往往会先于生理上的表 现，这对掌握人体生理状态并及时给出调整方案非常有指导意义。目前，通过脉 搏波的分析已经可以方便的估算出被测者的心血管血流动力学的各项参数，如心 输出量、外周阻力、血管顺应性等，而脉搏波检测不需要复杂昂贵的设备，且操 作简便、性能稳定，因此它在心血管功能检测上将会有良好的应用前景【3 。 7 北京丁业大学丁学硕j j 学位论文 2 2 基于脉搏波的心血管功能参数的计算 2 2 1 心血管系统生理参数模型 为了通过脉搏波对血液流动进行定量分析，人们作出了各种假设，由生理参 数建立起各种不同的心血管系统模型，并取得了一定的成果。其中比较有代表性 的是弹性腔集中参数模型【3 2 1 和弹性管分布参数模型【3 3 】。 2 2 1 1 弹性腔集中参数模型 十九世纪末，f r a n k 建立了相当于动脉系统集中参数模型的风箱理论 ( w i n d k e s s e lt h e o r y ) ，亦称弹性腔理论，他将大动脉比拟为一个弹性腔，将小动 脉和毛细血管比拟为弹性腔的外周阻力，心脏把血液压入弹性腔，然后血液再从 弹性腔通过外周阻力流到人体各部分组织。这种模型非常直观和简单，用它来对 脉搏波性能进行分析，可以得到许多有用的结果。但是单弹性腔模型过于简化， 不能完全反映出动脉系统中血液脉动流动的全部特性。 1 9 6 7 年由美国的g o l d w y n 和w a t t 共同提出了双弹性腔模型【3 4 j ，该模型采用 了两个串联的弹性腔，以表现血管系统的不同压力，同时还在两个弹性腔体之间 加入了一个表示血液惯性的环节，使模型输出的脉搏波曲线能很好地反映出舒张 期的波纹。该模型使用四个集中参数：c i 、q 、三、r ，分别表示两个弹性腔的 集总顺应性、联接两腔体的血液的惯性以及流入静脉腔之前的集中的外周阻力。 北京工业大学罗志昌教授在这个模型的基础上p 卯，把它作为人体心血管辨识系 统，将心脏作为系统的输入，丽临床实测的脉搏波作为系统的输出，采用非线性 的m a r q u r d t 迭代方法【3 6 】，编制计算机程序对双弹性腔模型进行参数估计【3 。7 1 ，求 解出模型的四个参数，并得到波形的数值解。利用上述方法对按照一定生理特征 规律变化的脉搏波进行参数估计，结果证实，这些模型参数在不同生理条件下同 样具有一定的变化规律和变化范围，而且波形的数值解与实际的波形也非常接 近。 通过弹性腔模型，利用系统辨识的方法计算出模型中的弹性参数c l 、c 2 及 阻力参数足，实现了用定量参数描述系统。 2 2 1 2 弹性管分布参数模型 双弹性腔模型所描述的具有生理意义的参数切实的反映了人体心血管状态 如血管顺应性、外周阻力等的变化，但该模型属于集中参数模型，它只是利用一 些储能元件产生的压力振荡，在模型输出端复制出类似真实脉搏压力波在传播过 第2 帝指端容积脉搏波榆测的原理和方法 程中产生的波形，并不具备波动过程的特征，而人体心血管系统具有分布参数性 质，脉搏压力传播表现为波动特性，所以双弹性腔模型反映不出脉搏波的传播特 性。而且由此模型得出心输出量等参数没有简单而有效的方法，限制了模型的进 一步应用。 2 0 世纪5 0 年代w o m e r s l y 提出了把循环系统作为弹性管系进行波传播的弹 性管模型。他把人体动脉视作一条无限长的弹性管路，在此假定的基础上讨论了 管内脉动流以及脉搏波传播的规律1 3 8 】【3 9 1 ，但由于计算比较复杂，不便于应用。 1 9 8 3 年w e s s e l i n g 在流体传输线模型的基础上，建立了计算心输出量的弹性管模 型【3 9 1 ，但该模型没有考虑终端阻力的作用，反映不出人体外周阻力、血管弹性 和血液粘度等生理因素对心搏出量的影响。同时这些方法需要用有创方式进行标 定，影响了其在临床上应用的可能性。罗志昌教授对w e s s e l i n g 所提出的模型作 了进一步的补充和修正，考虑到脉搏波在弹性管中的传播将受到始端和终端阻力 的作用而发生一系列的折射和反射，从而影响n , 6 搏出量。如图2 1 ，该模型假 设动脉血管是横截面积为彳的均匀弹性直管，且认为血液是密度为p 的理想流体， 忽略血液粘性的影响，也忽略分支动脉对主动脉的影响，都将其考虑为弹性管两 端的纯流阻即z d 和z ，。 毫y 嘹、。_ z of 历 心脏：、3 、心动脉叫= = 卜兰卜 划 、叠魏斧毡 z c 图2 - 1 动脉系统的弹性管模型 f i g 2 1e l a s t i cp i p em o d e lo f a r t e r ys y s t e m 这时，描述动脉系统弹性管路中血液流动的线性方程为 ca p ：一塑 一 a t 玉 堕m r , ：一望 o t缸 ( 2 - 1 ) 其中，= 竺为血管单位长度流感；p 为血液密度，彳为弹性管横截面积； 月 c _ 与为血管单位长度流容；c o 为脉搏波速； p c o p 为弹性管任一点的瞬时血压； g 为弹性管任一点的瞬时血流。 求解方程组( 2 1 ) l4 0 1 ，可以得到弹性管在远端的瞬时压力和瞬时流量的 表达式p ( d 和g ( o ，对流量g ( ，) 进行积分，再作进一步简化，最后可以得出心搏出 量的计算公式： 9 北京t 业人学t 学硕 j 学位论文 s 净1 0 2 丁8 3 丁( b 一只) ( 2 - 2 ) 式中，r 为心动周期，也可由脉搏波的周期表示；只、p d 分别代表收缩压和 舒张压；k 为脉搏波波形参数【4 1 1 ，它反映了人体外周阻力、血管硬化程度和血液 粘性等生理参数的变化。由上式可知，心搏出量大小和脉压差( 只一只) 以及心动 周期丁成正比，与波形参数k 成反比。其中，脉压差代表了心脏的射血能力， 波形参数代表血管阻力、血管弹性和血液粘性等生理因素对心脏泵血的限制。通 过大量的动物实验和临床实测，证实了该公式的准确性。 2 2 2 心血管血流参数的计算 在临床检查中，收缩压和舒张压可以很方便地通过无创伤方法测定，它们在 一定程度上代表了脉搏波压力的高低。北京工业大学生物医学工程中心罗志昌教 授等人提出了一种以脉搏波波图面积变化为脉搏波波形系数特征量k 值的新的 提取方法。通过模型的理论分析、动物实验以及数千例不同年龄健康人和心血管 疾病患者的临床检测，证实由心血管生理和病理上的变化将会引起脉搏波波形特 征和面积的相应变化，它可反映在特征量k 值的变化上，不仅很有规律，而且 相当敏感，因而在临床上有重要的应用价值，是心血管临床检查的一个重要生理 指标。桡动脉脉搏波波形系数k 值的定义为： k ：车阜 ( 2 3 ) p 。一p d 、 或 己= 巴+ k ( 只一只) 式中k 破形系数； ( 2 4 ) 己平均动脉压，已= 吾r 尸( f ) a t ( 丁为脉搏波周期) ； 只舒张压； 只收缩压； 由式( 2 3 ) 可见，k 值的大小与收缩压、舒张压的绝对值无关。它只取决于脉 搏波的波图面积，是一个无量纲的参数。不同生理病理状态下脉图波形和面积都 会有很大变化，这个变化可以用k 值来表示，见图2 - 2 。 1 0 第2 章指端容积脉搏波柃测的原理和方法 p ， 凡 o 图2 - 2 脉搏波波形系数k 值的定义 f i g 2 - 2d e f i n i t i o no fp u l s ew a v ef o r mc h a r a c t e rv a l u ek 在这一理论基础上，利用求得的脉搏波波形系数k 值以及实测得到的收缩 压和舒张压，和身高、体重，根据血流动力学模型可以得到其它十三个心血管血 流参数，并且综合脉搏波波形对人体的心血管功能做出评估。包括：波形系数k 值、心率( b e a t m i n ) 、平均动脉压( m m h g ，毫米汞柱) 、心输出量( l m i n ) 、 心搏出量( m l b e a t ) 、心脏指数( l ( m i n m 2 ) ) 、心搏指数( m u m 2 ) 、外周阻力( p r u ) 、 血液粘度( c p ，厘泊= m p a s ) 、总血容量( l ) 、血流半更新率( 1 s ) 、血流半更 新时间( s ) 、平均滞留时间( s ) 。 公式( 2 1 ) 是波形系数k 值的定义式，只和分别为收缩压和舒张压，由水 银血压计测量得到。心率可由6 0 与脉率t 的比值来计算，如式( 2 5 ) 。由于k 值 代表了平均值的相对位置、脉搏信号代表压力值，可由公式( 2 6 ) 计算平均动脉压； 体表面积由经验公式( 2 7 ) 给出，h 等于身高、w 等于体重。其余参数值可由经 验公式或理论公式求得，具体算法由公式( 2 8 ) - ( 2 1 7 ) 给出1 3 1 1 。 心率h r ( b e a t m i n ) ：心脏每分钟搏动的次数。 hr：i60(2-5) 丁 平均动脉压圪( m m h g ) ：一个心动周期中脉搏压力的平均值。 己= b + k ( 只一只) 体表面积b s a ( m 2 ) ：人体总表面积。 b s a = 0 0 0 6 1 h ( c m ) + o 0 1 2 8 w ( k g ) - 0 1 5 9 2 心输出量c o ( l m i n ) 心脏每分钟搏动的输出血量。 c o ：昙( 只一e ) k 2 、5 ” 心搏出量s v ( m l b e a t ) 心脏每搏动一次的输出血量。 s v ：0 2 8 3t ( p , 一只) a 一 ” ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 北京t 业人学1 字坝i j 掌位论又 心搏指数s i ( m l m 2 ) ：人体单位表面积的心搏出量。 田：旦 ( 2 1 0 ) b s a 心脏指数c i ( l m 2 m i n ) ：人体单位表面积的心输出量。 a ：旦 ( 2 1 1 ) b s a 、 外周阻力t p r ( p r u ) ：人体外周血管的总阻力。 撇= 罴 ( 2 - 1 2 ) c d 、 血液粘度v ( c p ) ：反应血液粘稠度的量。 v = 1 1 4 3 k ( 2 1 3 ) 总血容量b v ( l ) ：人体的总体血容量。 b v = 2 6 5 b s a ( 2 - 1 4 ) 血流半更新率a l k ( i s ) ：血液循环中总血容量一半在微循环内进行更新的速率。 彳三k = 0 0 2 5 2 c i ( 2 1 5 ) 血流半更新时间a l t ( s ) ：血液循环中总血容量一半在微循环内进行更新所需时 间。 a l t ：可0 6 万9 3 ( 2 1 6 ) 么k 、 血流平均滞留时间( s ) ：血液循环中微循环内含有的一定数量血液分子于半 更新过程时在该处停留的平均时间。 。面1 ( 2 - 1 7 ) 2 3 指i 。丛_ 而t i l l 容积脉搏波检测心血管血流参数的原理 容积脉搏血流是指存在于外周血管中的微动脉、毛细血管和微静脉内流过的 血液。该部分微血管的血液在心脏搏动下呈脉动性变化。当心脏收缩时血管内血 液容积将增大，而在心脏舒张时血液容积将减小。血管内血液容积这种脉动性变 化，反映出心搏功能、血液流动、外周血管和微循环等诸多心血管重要信息。容 积脉搏血流信息一般可通过指端光电容积脉搏传感器获得，是我们研究人体循环 系统的重要信息来源。由于光电容积脉搏传感器及其组成的监护系统不需要复杂 而昂贵的设备，且操作简单，性能稳定，是研究心血管血流参数的重要检测手段。 只是由于长期来对容积脉搏血流的信息特征及其生理机制了解较少，因而制约了 其在临床中进一步的应用。由于容积脉搏血流本身就代表动脉血流。在循环系统 为封闭管路的特定情况下，容积脉搏血流经积分和标定后，即可代表人体心搏出 第2 辛指端容积脉搏波榆测的原理和方法 量的大小。因而是检测心血管血流参数最直接和最简单的方法，关键问题是如何 对它进行标定。由于由脉搏压力及波形特征确定血流参数的方法已得到成功的应 用，因此通过建立脉搏压力和容积脉搏血流两者间的关系，即可对容积脉搏血流 进行标定【4 2 1 。 本人所在实验室经过多年的大量临床实验，已经建立起k 与k 关系的经验 曲线k = f ( k ) ，为利用指端光电容积脉搏波检测心血管血流参数奠定了良好的 理论基础。 2 4 本章小结 本章从脉搏波检测的理论基础入手，介绍了通过建立生理参数模型定量分析 人体心血管系统的方法，探讨了指端容积脉搏波检测的理论基础，并得出了血流 参数的计算公式。 由脉搏波无