（系统工程专业论文）脉搏特征参数与血压相关性研究.pdf

硕十学何沦文 摘要1 血压以波的形式自主动脉根部开始沿整个动脉系统传播产生脉搏波。因此， 脉搏波的传播特性与心血管系统中的力学参数变化密切相关，它不仅受到心脏状 况的影响，同时还受到动脉血管特性、血液参数、皮肤等诸多因素的影响。也就 是说，血压、血流、血管阻力、血管弹性和血液粘性等一系列心血管参数发生变 化，可以反映在脉搏波的幅值和波形变化中。囚此，利用脉搏特征参数进行血压 的无创连续监测，能够检测每搏血压及连续的动脉压波形，为临床诊断与治疗提 供了更加充分的依据，特别是在临床监护以及特殊情况+ 卜- 观察血压连续变化方面 具有重要的实际意义。 本文从理论分析和计算的角度，结合脉搏图像传感器工作原理，建立传感器 有限元模型，对模型进行有限元分析，分析薄膜上多点竖向位移，研究薄膜三维 动态变化，从而获取脉搏特征参数。以此为基础，研究血压与脉搏特征参数之间 的相互关系，为血压的无创连续检测提供一种新的手段和方法。 建立脉搏图像传感器有限元模型，通过对模型的分析提取脉搏特征参数是本 文研究的重点。有限元模型的建立和分析采用有限元软件a b a q u s 。首先，分析了 不同切脉压力的情况下薄膜上单点的竖向位移，提取了脉搏波形，根据波形特征 确定了最佳切脉压力：然后，分析了最佳切脉压力下薄膜上多点的竖向位移，并 分别提取了脉搏波形，根据波形特征确定薄膜上的最佳位置点；最后，对所提取 的脉搏波进行了时域分析，获取相应的脉搏特征参数。 依据所提取得脉搏特征参数，对脉搏特征参数与血压进行相关性分析。首先， 进行了简单相关分析，分析结果给出了与血压值具有较好简单相关关系的脉搏特 征参数。为进一步揭示血压和脉搏特征参数的相关性，我们进行了多元逐步回归 分析。逐步回归分析构造了三个逐步回归方程，方程的因变量分别为收缩压、舒 张压和平均压，自变量为逐步回归后选入的脉搏波特征参数。 最后，利用脉搏图像传感器采集脉搏信号，利用图像分析方法提取脉搏特征 参数，将逐步回归选入的特征参数代入逐步回归方程，计算血压值。计算结果与 实测血压值非常接近，误差较小。 研究表明，利用脉搏图像传感器可以提取出血压特征信息，为血压的无创连 续测量提供了一种新的手段和方法。 关键词：脉搏图像传感器；双弹性腔模型；有限元；血压：脉搏特征参数 1 本文由国家自然科学基金( 3 0 6 7 0 5 2 9 ) 和兰州理工大学博士基金( s b 0 3 2 0 0 7 0 2 ) 资助 脉搏特行参数与向爪相父忡研究 a b s t r a c t 2 b l o o dp r e s s u r eb e g i n st os p r e a di nt h ef o mo fw a v e sa l o n gt h em o to ft h ee n t i r e a r t e r i a ls y s t e m a n dt h es p r e a dp r o d u c e st h ep u l s ew a v e s t h e r e f o r e ，t h ep u l s e 、a v e p r o p a g a t i o n i s c l o s e l y r e l a t e dt ot i l em e c h a n i c a l p a r 锄e t e r sc i 姗g e s o ft h e c a r d i o v a s c u l a rs y s t e m i ti sn o to n l va n b c t e db yt h eh e a r tc o n d i t i o n ，b u ta l s oa 行e c t e db y t h ea r t e “a lb l o o dp a r a m e t e r s ，m ec h a r a c t e r i s t i c so fb l o o d ，t h es k i na n ds oo n i no t h e r w o r d s ，t h ec h a n g e so fas e r i e so fc a l d i o v a s c u l a rp a r a m e t e r s ，s u c ha sb l o o dp r e s s u r e ， b l o o dv e s s e l s ，v a s c u l a rr e s i s t a n c e ，v a s c u l a rf l e x i b i l i t ya n db l o o dv i s c o s i t ya n ds oo n c a n r e n e c to nt h ep u l s ea m p l i t u d ea n dw a v e f o mc h a n g e s s o ，t h en o n i n v a s i v ec o m i n u o u s b l o o dp r e s s u r em e a s u r e m e n tu s i n gp u l s e 、v a v ep a r 锄e t e r s ，c a nm e a s u r eb e a t t o b e a t b l o o dp i - e s s u r ea n dc o n t i n u o u sw a v ef o n no fa r t e r i a lb l o o dp r e s s u r ea tac e r t a i np e r i o d o ft i m e t h e r e f o r e ，t h i sm e t h o dc a np r o v i d em o r es u m c i e me v i d e n c ef o rc l i n i c a l d i a g n o s i sa n dc u r ea 1 1 di th a si m p o r t 觚tp r a c t i c a ls i g n i f i c a l l c e ，e s p e c i a l l yi nc l i i l i c a l m o n i t o r i n g a 1 1 do b s e r v i n gc o m i n u o u sc h a n g eo fb l o o dp r e s s u r ei i ls o m es p e c i a l c o n d i t i o n s b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp u l s ei m a g es e n s o r ，w ee s t a b l i s ht h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo fp u l s ei m a g es e n s o r t h i o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l v s i so ft h em o d e l ， w ec a na n a l y s i st h ed i s p l a c e m e n t so ft h ed i f 诧r e n tp o i m so nt h ef i l m ，a n dm a k et h e r e s e a r c ho nt h et h i nf i l m3 dd y n a m i cc h a n g e s f u n h e r ，w ec a no b t a i nt h ep u l s e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s b a s e do nt h i sr e s e a r c h ，、v ec a nm a k er e s e a r c ho nt h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nb l o o dp r e s s u r ea n dp u l s ef e a t u r e s ，a n dp r o v i d e san e wm e a n sa n d m e t h o d sf i o rt h en o n i n v a s i v ec o n t i n u o u sb l o o dp r e s s u r em e a s u r e m e n t t h em a i nr e s e a r c hi st oe s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fd u l s ei m a g es e n s o r ， a n dt oe x t r a c tp u l s ef e a t u r e st h r o u g ht h ea n a l v s i so ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l w ec a n e s t a b l i s ha n da j l a l y s i st h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fp u l s ei m a g es e n s o rw i t ht h es o f t w a r e l b a q u s f i r s t l l 儿w ee x t l a c tt h ep u l s ew a v e f o mo fap o i n to nt h ef i l mu n d e rt h ed i f r e r e n t p u l s ep i e s s u i et h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed i s p l a c e m e n to ft h ep o i m w ec a nd e t e m i n e t h eb e s tp u l s ep r e s s u r eb yt h ew a v e f o m lf e a t l l r e t h e n ，w ee x t r a c tt 1 1 ed i a e r e n tp u l s e w a v e f o n no ft h ed i f 百音r e n tp o i n t so nt h ef i l mt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed i s p l a c e m e n t s o ft h ep o i n t s w ec a nd e t e m i n et 1 1 eb e s tp o s i t i o no ft h ep o i n to nt h et h i nf i l mb yt h e w a v e f o r mf e a t u r e f i n a l l y ，w ee x t r a c tt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r 锄e t e r so ft h ep u l s es i g n a l i nt i n l ed o m a i nb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep u l s es i g n a li nt i m ed o m a i n a c c o r d i n gt o l ep u l s ef e a t u r e sw 1 1 i c h 、e x t r a c t ，w em a k et h er e s e a r c ho nt h e c o r r e l a t i o nb e t 、e e na n dp u l s ef e a t l 】r e sa n db l o o dp r e s s u r e f i r s t l y 、m a k eas i m p l e c o r r e l a t i o na n a l y s i s t h ep u l s ef e a t u r e sw h i c hh a v eg o o ds i m p l ec o r r e l a t i o nw i t hb l o o d p r e s s u r ea r eg i v e nb yt h er e s u l t so ft h es i m p l ec o r r e l a t i o na 1 1 a l y s i s f o rt h e 如r t l l e r r e s e a i c ho nt h ec o n e l a t i o nb e t 、v e e na n dp u l s ef e a t u r e sa n db l o o dd r e s s u r e ，w em a k e 2 s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 3 0 6 7 0 5 2 9 ) a n dd r f u n do fl a n z h o u u n i v e r sit yo ft e c h n o l o g y( s b 0 3 2 0 0 7 0 2 ) i i 硕十学何沦文 t l l em u l t i p l es t e p w i s er e g r e s s i o na l l a l y s i s t h es t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i sf o m st i l r e e r e g r e s s i o ne q u a t i o n s d e p e n d e n tv a r i a b l e so ft h ee q 州o n sa r es y s t o l i cp r e s s u r e ， d i a s t o i i cp i e s s u r ea n dt h ea v e i a g ep r e s s u i e i n d e p e n d e n tv a r i a b l e so ft 1 1 ee q u a t i o n sa r i e t h ep u l s ef e a t l l r e sw h i c ha r es e l e c t e db yt h es t e p 、析s er e g r e s s i o na n a l v s i s f i n a l l y w eu s et h ep u l s ei m a g es e n s o rt oc o l l e c tm ep u l s es i i l g l e t h e n ，w ec a i l e x t r a c tt i l ep u l s ef e a t u r e sb yt h em e t h o d so fi m a g ea n a l y s i s t h ep u l s ef e a t u r e sw l l i c h a r es e l e c t e db yt h es t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i sa r es u b s t i t u t e di n t ot h em r e er e g r e s s i o n e q u a t i o n st oc a l c u l a t et h eb l o o dp r e s s u r e t h er e s u l t sa r ec l o s e dw i t ht h eb l o o d p r e s s u r ew h i c hw em e a s u r e d ，a n dt h ee r r o ri ss m a l l t h er e s e a r c hs h o w st h a tb l o o dp r e s s u r ef e a t u r e sc a nb ee x t r a c t e db vt h ep u l s e i m a g es e n s o r s o ，t h er e s e a r c hp r o v i d e san e wm e a n sa n dm e t h o d sf o rt h en o i l i l l v a s i v e c o n t i n u o u sb l o o dp r e s s u r em e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：p u l s ei m a g es e n s o r ；t w de l a s t i cc h 锄b e r sm o d e l ；f i n i t ee l e m e n t ；b l o o d p r e s s u r e ；p u l s ef - e a t u r e s i l i 脉搏特行参数与向爪相父忡研究 插图索引 图1 1 动脉张力测定法结构图3 图1 2 典型的脉搏波形图6 图2 1 脉搏图像传感器结构图9 图2 2 脉搏图像传感器工作原理图1 0 图3 1 双弹性腔模型示意图+ 1 3 图3 2 辨识过程框图1 4 图3 3 脉搏波标定示意图1 5 图3 4 实测脉搏波波形图1 9 图3 5 辨识结果示意图2 0 图3 6 辨识脉搏波形图2 1 图4 1 模型部件探测触头示意图2 5 图4 2 模型部件皮肤表层模拟示意图2 5 图4 3 脉搏图像传感器工作原理物理模型示意图2 6 图4 4 实验数据( 实线) 和a b a q u s 计算结果( 虚线) 比较：双轴拉仲2 8 图4 5 实验数据( 实线) 和a b a q u s 计算结果( 虚线) 比较：单轴拉伸2 8 图4 6 实验数据( 实线) 和a b a q u s 计算结果( 虚线) 比较：平面剪切2 9 图4 7 一阶多项式应变势能函数的材料参数和稳定极限2 9 图4 8 模型上施加的边界条件和载荷示意图3 2 图4 9 脉搏图像传感器有限元模型示意图3 3 图4 1 0 双弹性腔模型仿真脉搏波形图3 3 图4 1 l 输出点o u t p o i n t 选择示意图3 4 图4 1 2o u t p o n i t 点在不同切脉压力情况下的竖向位移示意图3 4 图4 1 3 多点分析时输出点选择示意图3 5 图4 1 4 薄膜上各输出点竖向位移示意图3 5 图4 1 5 典型脉搏波特征参数选择示意图3 6 图5 1 基于图像网格面积变化的方法提取的脉搏波形4 7 i v 硕士学何论文 附表所引 表3 1 动脉中血液流的分析模犁1 2 表4 1 单轴试验数据2 7 表4 2 双轴试验数据2 7 表4 3 平面试验数据2 8 表4 4 生理信息参数3 7 表5 1 血压值和脉搏波特征参数数据在e x c e l 文件中的存储形式4 l 表5 2 收缩压与脉搏特征参数的简单相关分析结果( n = 3 0 ) 4 3 表5 3 舒张压与脉搏特征参数的简单相关分析结果( n = 3 0 ) 4 3 表5 4 平均动脉压与脉搏特征参数的简单相关分析结果( n = 3 0 ) 4 3 表5 5 收缩压与脉搏波特征参数的逐步回归分析结果1( n = 3 0 ) 4 5 表5 6 舒张压与脉搏波特征参数的逐步回归分析结果l( n = 3 0 ) 4 5 表5 7 平均动脉压与脉搏波特征参数的逐步回归分析结果1( n = 3 0 ) 4 5 表5 8 收缩压与脉搏波特征参数的逐步回归分析结果2( n = 3 0 ) 4 6 表5 9 舒张压与脉搏波特征参数的逐步回归分析结果2( n = 3 0 ) 4 6 表5 1 0 平均动脉压与脉搏波特征参数的逐步回归分析结果2( n = 3 0 ) 4 6 表5 1 1 基于脉搏图像传感器提取的脉搏特征参数4 7 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：年 月日 日期：年月日 硕十学何论文 1 1 课题研究意义 第一章绪论 人体内的血压以波的形式自主动脉根部开始沿整个动脉系统传播产生脉搏波 n 1 。因此，脉搏波的传播特性是与心血管系统中的力学参数变化密切相关的，它不 仅受到心脏状况的影响，同时还受到动脉血管特性( 几何特性和物理特性) 、血 液参数( 体积、密度、粘性、压力和速度等) 、肌肉、皮肤等诸多因素的影响。 也就是说，血压、血流、血管阻力、血管弹性和血液粘性等一系列心血管参数发 生变化，可以反映在脉搏波的幅值和波形变化中，因此根据正常健康情况和不正 常的疾病情况的脉搏波的比较判断，就有可能将心血管疾病潜在的危险尽早诊断 出来削。 血压是反映心血管功能的重要生理参数，是诊断疾病、观察治疗效果、进行 预后判断的重要依据口1 。因此，血压监测在临床上得到了广泛应用。在载人航天中， 为了及时了解和掌握航天员的生理状态，血压也是必测的生理参数之一。 通常所说的血压都指动脉血压h 】。目前临床上主要采用柯氏音法等间歇式血压 测量法进行血压测量，这些间歇式测量方法只能测出人体某一特定时刻的血压值， 一般只有收缩压和舒张压两个值，且不在同一心动周期内，测量精度受人为影响 较大。而无创连续血压测量方法能够连续测得每搏血压值并可长时间监测血压波 形的变化，为疾病诊断治疗提供了更为充分的依据，在连续监测血压变化方面具 有无可比拟的优势，因此成为今后血压测量方法的发展趋势啼阳口儿引。 研究血压无创连续测量方法具有非常重要的意义，主要体现在以下几个方面： 首先，这是预防、诊断、治疗和控制高血压的需要。高血压病是心血管疾病 重要的危险因素，但高血压病患者常常直到发生靶器官损伤( t a r g e to r g a nd a m a g e ， t o d ) 时才有明显i 临床表现而引起注意。因此早期监测和发现高血压，并在t o d 前即 开始治疗，具有十分重要的意义。 据估计我国现有一亿多高血压患者，我国1 9 9 1 年对1 5 岁以上9 4 万人群抽样普 查，高血压标准化患病率为1 1 2 6 ，与1 9 7 9 1 9 8 0 年相比，1 0 年间患病率增加了2 5 。 另有资料显示，现有脑卒中5 0 0 余万人，每年新发病约1 5 0 万人，其中7 8 的人有高 血压病史。我国现有冠心病人约1 0 0 0 万人，6 5 有高血压病史。来自w h 0 的有关资 料显示发展中国家的心血管疾病患病率将以3 9 3 的速度大幅度增加。至2 0 2 0 年， 以心血管病为主的非传染性疾病将占总死亡原因的7 9 ，且因心血管病死亡的人群 中，主要是中青年人悖儿1 0 儿地3 。因此，血压的准确测量具有非常重要的意义，高血 脉搏特彳i r 参数与血压相关性研究 压的预防、诊断和治疗都依赖于准确的血压测量。有研究表明，高估舒张压5 咖h g 将使现有高血压患者人数翻倍( 其中一半为误判) ，而低估舒张压5 m i f i h g 将导致2 3 的高血压患者被漏诊n3 l 。由此可见，不准确的血压测量不仅给社会带来沉重负担， 而且给人类健康带来极大危害。 其次，诊室血压常常不能反映患者的真实血压。有些病人，尤其是有些老年 人和孕妇，到诊室测量血压时血压高，但在家里自测血压或用动态血压监测仪监 测血压则血压不高，这种称为白人衣高血压( w h i t ec o a th y p e r t e n s i o n ，w s h ) n 引。 据报道，白大衣效应可在高达4 0 的病人中使血压升高2 0 1 0 m m h g 以上。l a h i r i 的 报告指出根据诊室血压测量诊断为“高血压”的病人中，几乎2 0 的人其动态血压 完全正常。其中包括4 的病人，其诊室血压读数可1 8 0 1 1 0 i t l f n h 3 。白人衣效应 在老年人中更显著，在女性比男性更显著。 最后，正常人和高血压病人2 4 小时血压均有波动性，尤其是老年高血压病人， 这种波动和变异性可以很大。如果只根据诊室偶测血压来判断和处理病人，有可 能带来较大的误差。连续血压评价血压变异性的异常，独立的与靶器官功能受损 的后果相关。在一些轻至中度高血压病患者的研究中，那些2 4 小时血压变异性高 的人，其靶器官病的发病率比变异性低的人要高。在某些情况下，短时间内( 数分 钟内) 血压就可能发生很大的改变，而准确及时地反映这一变化，对于临床是非常 有意义的5 | 。对于这样的要求，不仅普通的偶测血压，即使是动态血压( a m b u l a t o 巧 b l o o dp r e s s u r em o n i t o r i n g ，a b p m ) 也难以及时地反映这一变异。这是因为a b p m 一 般是3 0 4 5 分钟才触发进行一次测量，而在两次测量中间的时间段的血压变化将无 法反映出来。 1 2 国内外血压检测方法研究现状 1 2 1 血压测量方法分类 血压测量方法大体可分为直接测量法( 侵入法) 和间接测量法( 非侵入法) 两大 类n 6 1 。直接测量法又称为动脉插管法，是使用专用仪器将测量导管经皮肤直接插 入人体大动脉或心脏，检测血压信号，能够进行连续测量。由于这种方法可直接 测得血压，数据最为准确，因此被国际认定为血压检测的金标准，但由于这种技 术要求较高，且有明显的创伤性，因此仅适用于危重病人的抢救和大手术病人。 间接测量法是通过检测动脉管壁的搏动、血管容积变化等参数间接测得血压。由 于这种方法简便易行，因此在临床上得到了广泛的应用n 。 间接测量法又可分为两大类：间歇式测量法和连续式测量法n 引。以柯氏音法和 示波法为代表的间歇式测量法的基本原理是用气袖阻断动脉血流，然后在放气的 2 硕士学付论文 过程中通过检测特征点时刻( 柯氏音或振荡波) 气袖内的压力来确定血压值。目前 临床上多采用此方法进行血压测量。该方法的缺点是以测量过程中每搏血压相同 为前提，测得的血压值只是某一特定时刻的( 一般只有收缩压和舒张两个值) ，不 一定是被测者有代表性的血压值，且不在同一心动周期内。因此无法连续监测每 搏血压的变化，且在心律失常和血压过低等不规则情况下无法进行正常的测量n 引。 间接连续式血压测量法又称无创连续血压测量方法，是在某一时段内无创连 续测量血压的方法。它能够在不给被测者带来创伤的情况下检测每搏血压及连续 的动脉压波形，为临床诊断与治疗提供了更加丰富和充分的依据，特别是在临床 监护以及特殊情况下观察血压连续变化方面具有传统间歇式测量方法无法比拟的 优势。因此，无创连续血压测量方法成为今后血压测量技术的发展方向啪1 。 1 2 2 无创连续血压测量方法 1 动脉张力测定法 动脉张力测定法瞳妇( a n e r i a lt o n o n l e 仃y ) 在1 9 6 3 年由p r e s s m a n 和n e w g 莉最早 提出。其基本原理是，当一个具有内在压力的血管被外在物体部分压扁时，其血 管壁内的周应力发生变化，当外压力达到某一特定值时，外压力等于内压力，通 过测量脉压波即可得到动脉血压。动脉张力法通常选择底部贴近坚硬骨组织的浅 表动脉进行测量，常用的被测动脉有挠动脉、颈动脉和股动脉等，而挠动脉由于 其具有较大管腔直径和测量方便等特点被广泛采用。图1 1 示出了它的结构图。由 于圆柱形动脉压板( 其直径小于动脉宽度) 的压力，使动脉壁内的周应力发生变化， 通过一个测量微小力的传感器测量动脉内的径向压力。调节传感器与皮肤之间的 压力，当传感器输出的脉压波达到最大时，即认为动脉血管外压等于内压，此时 脉压波的波峰点和波谷点对应的压力即分别确定为收缩压和舒张压，为了保证测 量的准确度，采用侧板使皮肤变平，使垂直方向的皮肤张力等于零，从而垂直方 向的力完全来自动脉搏动。 图1 1 动脉张力测定法结构图 3 脉缔特彳i ：参数与f i i 爪相天性研究 该型动脉张力计虽然可以测量动脉压，但测量时施加的外力不能跟随受试者 平均压的变化，从而导致外压不等于内压，使测量结果出现误差。因此，在使用 动脉张力法精确测量血压时必须首先解决好两个关键技术堙引。一是压力传感器必 须足够小，而且能精确定位在被测动脉被压扁部分的正上方以准确测量动脉压， 二是在压力传感器上提供一个大小合适且持续可调的下压力，使被测动脉被部分 压扁以提供相对足够大的压扁管壁面积。压力太大会将血管彻底压闭，压力太小 又不能保证足够大的压扁管壁面积以消除管壁张力的影响，一般应调整压力至传 感器输出的脉压波幅值达到最大。 2 容积补偿法 容积补偿法瞳3 1 ( 又称恒定容积法) 最早由p e n a z 于1 9 7 3 年提出，其理论基础是当 动脉血管由于外力作用而处于去负荷状态时，外加压力等于动脉压力，血管直径 不会随波动而变化，血管处于恒定容积状态。因此，通过预置参考压力使动脉处 于去负荷状态，同时采用快速反应伺服压力控制系统根据血压波动时刻调节外加 压力使动脉血管始终处于恒定容积状态，此时通过测量外加压力就可得到动态的 动脉血压值。该方法的关键是预置参考压力值的标定，理论上应选择动脉平均压 的压力值，p e n a z 建议预置参考压力值取血管达到最大容积1 3 时的外加压力值。 容积补偿法是目前较成熟的连续血压测量方法。市场上销售的产品多采用这 种测量原理乜引。但该方法在长时间测量时受静脉充血影响较大，当血管收缩节率 较人时，将影响脉搏描记计的输出波形，致使参考压的设置困难，影响测量精度； 由于需要在被测部位保持较高的压力，使舒适性较差；由于需要压力伺服系统来 补偿参考压力，致使测量装置复杂，使用时给受试者带来不便。 3 脉搏波速测定法 脉搏波速测定法是根据脉搏波沿动脉传播速率与动脉血压之间具有正相关性 的特点提出的，通过测量脉搏波速( p w v ) 间接推算出动脉血压值。脉搏波速可通 过脉搏波在动脉中两点间的传递时间进行计算，因此可采用相同原理利用脉搏波 传导时间( p w t t ) 间接推算出动脉血压值啦钔。 目前许多公司己经开发出利用p 1 | 方法设计的无创连续血压监护产品，如 d x t e k ，b p 一5 0 等啪1 。其中d x t e k 设备是通过连续检测e c g 和p p g 得到p w v 和脉搏 波波形参数，并通过某种算法计算出血压值。 4 脉搏波特征参数测定法 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。 当脉搏波由心脏开始向动脉系统传播时，不仅要受到心脏本身的影响，同时也会 受到流经各级动脉及分支中各种生理因素如血管阻力、血管壁弹性和血液粘性等 的影响，使动脉波中包含有极丰富的心血管系统生理病理信息。因此，脉搏波压 4 硕士学位论文 力及波形特征变化是评价血压等人体心血管系统生理病理状态的重要依据脚1 。 常用脉搏波特征参数包括主波高度( h ) 、主波上升时间( t ) 、重搏波高度( g ) 、 重搏波相对高度( g h ) 、降中峡高度( h ) 、降中峡相对高度( h h ) 以及一个反映每搏 心输出量的特征参数h ( 1 + t 。t 。) 等。其中h h 反映了外周阻力的大小，两者之间存 在正相关关系。g h 反映动脉顺应性，越大动脉顺应性越好。h ( 1 + t 。t 。) 中的t 。t 。 表示每搏收缩期与舒张期之比，h ( 1 + t 。t 。) 值越大每搏心输出量也越大脚1 。 1 3 课题研究理论基础 1 3 1 动脉脉搏波形成机理 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 嘞1 。脉搏波是脉搏信号的主要表现形式，脉搏波形蕴涵脉搏所具有的生理信息， 研究脉搏主要是以脉搏波为研究对象。脉搏波形与心血管机能状态、生理和病理 变化紧密相关。 心脏是产生持续脉搏波的能动来源。心脏有节律地间歇性射血，所产生的脉 搏波从主动脉根部出发沿着动脉管系传播，其过程大致是这样的：动脉射血时， 先使靠近心脏的主动脉根部的那一段血管内血压力上升，在收缩期终止心脏停止 射血时，主动脉根部血管内的血液压力下降。当血液压力上升时，由于动脉管壁 是富有弹性的，其管壁因受张力将向外扩张；当血液压力下降时，由于动脉管壁 的弹性回缩，管壁将向其平衡位置方向运动。这就是说，由于心脏周期性地收缩 与舒张，将首先导致主动脉根部附近某一血液段内压力的周期性上升与下降，同 时也导致这部分血管壁周期性地扩张与回缩。 动脉压从主动脉和大动脉传播到小血管和微血管的过程就形成了动脉脉搏 波，它随心动周期成周期性变化啪 。不同动脉段的血压数值有所不同。与主动脉 内的动脉压相比，外周动脉的收缩压较高、舒张压较低。桡动脉脉搏波容易从体 表测量，其典型波形如图1 2 所示，它可以很好地反映心血管的信息，如果人体动 脉系统产生异常( 如出现动脉粥样硬化等) ，动脉血管的各项性质会发生改变，从 而桡动脉脉搏波形也会发生一定的改变。 5 咏搏特行参数与j l l i 压相关性研究 q 露蛰a 攀 a 主波；b 潮波( 重播前波) ；c 重播波峰；d 降中峡谷 0 a 急性射血期时值；o c7 收缩期时值；c 7 0 舒张期时值；o o 脉动周期时值 图1 2 典型的脉搏波形图 1 3 2 动脉血压形成机理 动脉血压就是血液流经动脉系统时对血管壁所呈现的侧压。动脉血压是推动血 液流动的驱动力，它必须达到一定的高度才能保证向全身各器官的血液供应。在 血管系统内有足够的血液充盈是形成血压的前提。在此基础上心脏射血所作的功， 一部分形成流速，一部分产生侧压。但是如果不存在主要由阻力血管所构成的外 周阻力，则心脏射出的血液将迅速流向外周，致使心室收缩释放的能量全部或大 部分转为动能，而形不成侧压。只有在外周阻力配合下，心脏射出的血液不能迅 速流走，暂时存留在阻力血管向心端的较大动脉血管内，这时心室收缩的能量才 能大部分以侧压形式表现出来，形成较高的血压水平。所以，动脉血压的形成是 心脏射血和外周阻力相互作用的结果。在心室舒张期停止射血时，则由大动脉回 弹作用与外周阻力相配合，以维持一定的血压水平。 影响血压的因素主要有心输出量、外周阻力、大动脉管壁弹性、循环血量和 血液的粘滞性。由于在各种不同生理情况下，各种影响动脉血压的因素都可能发 生改变，因此血压的变化往往是多种因素作用的综合结果口。 1 4 本课题主要研究内容 本文从理论分析和计算的角度，结合脉搏图像传感器工作原理，建立传感器 有限元模型，对模型进行有限元分析，分析薄膜上多点竖向位移，研究薄膜三维 动态变化，从而获取脉搏三维动态变化信息，提取脉搏图像特征参数。以此为基 6 硕士学何沦文 础，研究血压与脉搏图像参数之间的相互关系，为血压的无创连续检测提供一种 新的手段和方法。 全文共分5 章。首先在第一章对课题的研究意义以及脉搏波、动脉血压的形成 机理进行了分析说明；第二章对现有脉搏图像传感器的结构原理和工作原理进行 分析、说明；第三章介绍了动脉管中血液流的分析模型双弹性腔模型，对模 型参数进行估计，计算某一确定周期内的动脉压力；第四章首先对所应用的有限 元软件a b a q u s 进行了简单的介绍。应用a b a q u s 建立传感器有限元模型，其中包括模 型部件的创建，模型参数的选择，接触分析，边界条件的确定及施加相应的载荷， 单元网格的划分。对模型进行动态分析，研究薄膜动态变化，从而获取脉搏图像 特征参数；第五章对提取的脉搏图像特征参数和血压进行相关性分析，研究血压 与脉搏图像特征参数之间的相互关系，选取相关的特征参数计算血压值；最后对 全文的工作进行总结并对进一步工作进行展望。 7 脉搏特抓参数与血压相关性研究 2 1 引言 第二章脉搏图像传感器工作原理 脉诊是中医的精髓，是我国传统医学的主要组成部分和最具特色的诊断方法， 它作为无创伤检测手段和方法已被广泛地应用到临床实践中。中医把用手指触觉 和压觉所获得的脉搏的频率、节律、形状、深浅与强弱等变化的综合形象，称为 脉象2 儿3 3 。脉象是中医切脉时在皮肤表面获取的指下感觉，长期以来对脉象的判 断缺乏客观的量化指标和标准。脉诊客观化是一个亟待解决的难题，其关键是如何 建立合理科学的检测方法，获取全面的脉诊触觉信息。 为实现脉诊客观化，国内外许多研究者提出了多种脉搏信号检测方法，其脉象 采集装置，其中多数系统都是基于压力传感器开发的。试验研究提示，这种传感 器由于结构限制，使用上有一定的局限性，不能全面反映脉象的丰富信息嘲，。针 对现有传感器的不足，研制了脉搏信号图像化采集装置，应用脉搏图像传感器采 取脉搏动态图像，通过相关图像处理方法来获取脉搏特征信息。 应用脉搏图像传感器采集人体桡动脉处脉搏信息，进行脉诊客观化研究，传 感器的设计至关重要。设计完善的传感器不但要能正确的采集信息，还要易于使 用，尽可能少的引入噪声。 2 2 脉搏图像传感器结构原理 脉搏图像传感器盼5 1 如图2 1 所示，主要由内含可调压力密封腔的软性探测触 头、c c d 摄像头、传感器支架、切脉压力调节机构、手动气泵、气压缓冲腔、压 力检测与指示、气路、光路、计算机等部分组成。 采集脉搏动态图像时，要求被试者处于平静放松状态。首先，通过手动气泵 向压力密封腔内充气，充气后探测触头上的软性薄膜鼓出，用以近似模拟人手指 的皮肤进行切脉，调节压力密封腔内的压力，调至接近指内压力。将手腕放置在 柔软的手腕垫衬上面的手腕放置区域，调节软性探测触头的位置，使其正对桡动 脉处，与皮肤紧密的接触。c c d 摄像头垂直放置在探测触头上方，同时使摄像头 拍摄图像的水平位置与桡动脉血液流向一致，这样图像的垂直方向正对应着桡动 脉的截面位置，以便于对多维脉象信息的分析。通过调节压力调节装置施加不同 的取脉压力，观察获取的脉搏动态图像，脉搏搏动最明显时的取脉压力即为最佳 的取脉压力。在该取脉压力下，采集脉搏动态图像。 其中，探测触头薄膜是该传感器的核心部件，由双层材料压制而成，采用紧 8 硕士学何论文 贴在一起的乳胶薄膜与柔性织物。薄膜在探测触头内侧，由理化性较好的乳胶薄 膜制成，柔性织物在探测触头外侧，与皮肤表面接触，可以限制乳胶薄膜在压力 下形变。因为压力缓冲腔的存在，压力密封腔内的压力非常稳定，引起薄膜形变 的主要因素是脉搏的搏动，在脉搏搏动时乳胶薄膜的形变较小，不用进行限制。 探测触头上需要压一个密封金属垫片，乳胶薄膜内侧印制有具有均匀纹理的 方形网格，c c d 摄像头在上方对其进行观测。探测触头中密封腔压缩空气的压力 模拟指内压力，可以连续调节并利用气压表进行显示。密封腔与气压缓冲腔相通， 气压缓冲腔空间较大，这样可以有效降低由于压力密封腔轻微的空气泄漏导致压 力变化带来的影响。切脉压力调节旋钮调节弹簧弹力，控制固定探测触头的夹持 杆的位置，使探测触头与手臂接触面间的作用力达到一个平衡状态，实现不同切 脉压力。 ( 1 、螺钉；2 、水平支架；3 、紧固螺钉；4 、板弹簧( 弹性钢板) ；5 、立柱；6 、底座：7 、 手动气泵；8 、固定铝块；9 、相机托架立柱；1 0 、计算机；1 1 、c c d 摄像头；1 2 、相机托架： 1 3 、玻璃片；1 4 、紧箍铜环；1 5 、有机玻璃探头主体；1 6 、压力密封腔；1 7 、照明光源；1 8 、 软性薄膜；1 9 、手腕放置区域；2 0 、手腕垫衬；2 1 、气路；2 2 、压力指示计；2 3 、气压缓冲 腔) 图2 1 脉搏图像传感器结构图 传感器装置的特点如下： 1 利用单目视觉，实现了脉搏触觉信息图像化； 2 接触面制成直径为1 0 啪的圆形，由于探测触头触压面积大，所以取脉容 易； 3 接触面柔软，薄膜应能模拟手指进行切脉。在检测脉搏时手腕部无明显压 痕出现，实现无创伤检测； 9 脉搏特衙参数与血压桐笑性研究 4