（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的便携式心血管检测系统的研究.pdf

中文摘要 心血管疾病是危害人类健康的严重疾病之一，世界卫生组织已经将其列为 2 1 世纪危害人类健康的头号杀手。心血管疾病的本质是血管结构与功能的异常。 通过早期检测心血管生理病理状况，有助于早期检出亚临床血管病变的患者，并 进行有效干预，具有重要的学术价值和社会意义。有创检测方法有很大创伤和风 险，并且会受客观条件所限，操作不方便，所以迫切需要一种便携式的心血管无 创检测技术及仪器。 本论文在天津市科技创新基金( 项目号：0 5 z h c x g x l 2 2 0 0 ) 的资助下，以血 流动力流变学理论和动脉弹性腔模型为理论基础，以拾取到的桡动脉的脉搏波为 研究对象，通过对脉搏波产生的生理机制和物理机制的研究，特别是血管内压力 和血管壁径向位移的定量关系的研究，还有以脉搏波图面积变化为脉搏波波形特 征量k 的研究，最后能够定量推算出血压、血流、血管以及微循环等心血管特征 的健康状况。 整个心血管检测系统硬件方面以a r m 处理器l p c 2 11 4 为核心，设计了电源 管理模块、采集模块、外部存储模块、液晶和键盘模块、u s b 通信模块和外部 时钟模块等外围电路。论文中介绍了软件的整体功能结构，重点阐述了脉搏波特 征点的识别、专家系统构建、血压测量、u s b 通讯等关键部分的软件设计。通 过脉搏波传感器采集脉搏波，信号经过调理电路和a d 转换送入l p c 2 1 1 4 进行 处理，通过键盘输入个人信息，然后综合脉搏波的参数和个人信息给出心血管参 数的测量值，再经过系统内专家系统的分析，给出科学的诊断结论，然后由液晶 显示输出。 最后通过实验验证了该心血管无创检测仪检测数据的可信性和系统的稳定 性。以该仪器中的反映血管硬度的参数即血管硬度指数a s i 为例，通过对同一被 测人的2 0 组数据分析发现，结果与作为标准仪器的a z n f 型爱心小专家的结果 接近。实验证明该心血管无创检测仪能够准确地检测心血管健康状态，给被测者 提供有价值的心血管信息，为自我保健和预防疾病提供了有效手段。 关键词：心血管系统脉搏波专家系统 高级简约指令集计算木d l ( a r m ) 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 ei so n eo ft h eh e a v yd i s e a s e sw h i c hh a r mt h eh u m a n h e a l t h ，a n dw o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o nh a sn a m e di ta st h ef i r s tk i l l e ro fh u m a nh e a l t h i nt h e21s tc e n t u r y i ti se s s e n t i a l l yc a u s e db ys t r u c t u r a lo rf u n c t i o n a la b n o r m i t yo f b l o o dv e s s e l t h ed e t e r m i n a t i o no fp h y s i o l o g i c a la n d p a t h o l o g i c a l s t a t u so f c a r d i o v a s c u l a rs y s t e ma te a r l i e rp e r i o dw o u l dh e l p d i a g n o s ep a t i e n tw h oi si na ne a r l y s t a g e ，i e s u b - c l i n i c a ls i t u a t i o no fc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ea n dh e l pp r e v e n ta g a i n s ti ta t t h i s s t a g ee f f i c i e n t l y ，w h i c hw o u l db r i n gg r e a ts c i e n c ea n ds o c i a l v a l u e i n v a s i v e m e t h o d sh a v em o r ep r e c i s ei n f o r m a t i o na b o u tc a r d i o v a s c u l a rs t a t u s ，b u ti n v a s i o na n d p o t e n t i a ls a f e t yi s s u eh a sl i m i t e dt h e i ra p p l i c a t i o n t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r ya n du r g e n t t od e v e l o pn e wt e c h n o l o g ya n dp o r t a b l ed e v i c ef o rn o n i n v a s i v ec a r d i o v a s c u l a r m e a s u r e m e n t s u p p o r t e db yt i a n j i ni n n o v a t i o nf o u n d a t i o n ( n o 0 5 z h c x g x 12 2 0 0 ) ，b a s e do n t h em e t h o d o l o g yo fc a r d i o v a s c u l a rf l u i dd y n a m i c sa n dw i n dk e s s e lm o d e l ，t h i st h e s i s h a sp e r f o r m e di n v e s t i g a t i o no nt h ep h y s i o l o g i c a la n dp h y s i c a lg e n e r a t i o nm e c h a n i s m o ft h ep u l s ew a v eo fr a d i a la r t e r y ，t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r e s s u r e w i t h i nb l o o dv e s s e la n dt h ed i s p l a c e m e n to fb l o o dv e s s e lw a l li nr a d i a ld i r e c t i o n ，a n d t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rkd e r i v e df r o mc h a n g e so fp u l s ew a v ea r e a f i n a l l y ，i ti s o u ra i mt oq u a n t i t a t i v e l yr e v e a lc a r d i o v a s c u l a rs t a t u sw i t ht h ep a r a m e t e r sf o rb l o o d p r e s s u r e ，b l o o df l o w ，b l o o dv e s s e la n d m i c r o c i r c u l a t i o n o nt h eb a s i so ft h ea b o v em e t h o d o l o g y ，i nt h i st h e s i s ，ad e v i c ef o rn o n i n v a s i v e c a r d i o v a s c u l a rm e a s u r e m e n th a sb e e nd e v e l o p e d t h eh a r d w a r eo ft h i sd e v i c e ，b a s e d o na r m c p u ( l p c 2 1 14 ) ，i n c l u d e st h em o d u l e so fp o w e rs u p p l y ，s a m p l i n g ，e x t e r n a l m e m o r y ，l c da n dk e y b o a r d ，u s bc o m m u n i c a t i o n ，e x t e r n a lt i m e r t h es o f i a r eo f t h e d e v i c ep e r f o r m st h ei d e n t i f i c a t i o no fc h a r a c t e r i s t i cp o i n t s ，e x p e r ts y s t e m ，b l o o d p r e s s u r em e a s u r e m e n ta n du s bc o m m u n i c a t i o n t h ep u l s ew a v es i g n a lh a sb e e n o b t a i n e db ys e n s o r ，a n dt h e na n a l y z e db yl p c 2114a f t e ra dc o n v e r s i o n t a k i n g p e r s o n a li n f o r m a t i o no fp a t i e n ti n t oa na c c o u n t , t h ed e v i c ec a nc a l c u l a t e t h e m e a s u r e m e n tp a r a m e t e r so fc a r d i o v a s c u l a rs t a t u s s c i e n t i f i cd i a g n o s i sc a nb y d i s p l a y e do nl c d a f t e rf u r t h e r e da n a l y z e db ye x p e r ts y s t e m t h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ed e v i c eh a sb e e nv e r i f i e dt h r o u g has e to f l l e x p e r i m e n t st a k i n ga r t e r i a ls t i f f n e s si n d e x ( a s i ) f o re x a m p l ew h i c hr e v e a l sa r t e r i a l s t i f f n e s s t w e n t yd a t as e t sh a v eb e e nc o l l e c t e df r o mav o l u n t e e r r e s u l t ss h o wt h a t p e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c ep r e s e n t e di ss i m i l a rt ot h es t a n d a r dd e v i c e ( a z n f c a r d i o v a s c u l a rf u n c t i o nt e s t i n gd e v i c e ) t h e r e f o r e ，t h ed e v i c ep r e s e n t e dc o u l db eu s e d t od e t e r m i n et h ec a r d i o v a s c u l a rs t a t u sa n df u r t h e rw o u l db e c o m ea ne f f e c t i v em e a n s t op r e v e n tc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e sa tt h e i re a r l y s t a g e s k e yw o r d s ：c a r d i o v a s c u l a r s y s t e m ，p u l s ew a v e ，e x p e r ts y s t e m ，a d v a n c e d r i s cm a c h i n e s ( a r m ) i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得吞鲞盘堂或其他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。 学位论文作者签名：乌亲永石签字目期：彩叼年f 月2 d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： l ，则管壁弹性起 丘 r 主动作用，流体内的扰动以管壁弹性波的形式传播；：芒 时，寺一0 ) j 0 f = l 其中，n 为叠加次数。叠加次数越多，信噪比越高。因此平均后测得的信号x ( 刀) 可近似表示s ( ，) 。本方法主要用于对周期脉动的采样值进行平滑加工? 对脉冲性 干扰的平滑不是很理想。叠加法处理时所需的信号样本较多，在对脉搏波进行处 1 8 第三章脉搏波信息的信号处理 理时，可以进行多周期的采样。 ( 4 ) 小波变换 小波变换是八十年代后期发展起来的数学分支，是近年来引起人们广泛关注 的一种信号的时间频率分析方法，被称为“数学显微镜”，其特点是通过对 基本小波的尺度伸缩和位移来处理待分析的信号，实现多分辨率分析。在脉搏波 信号的的处理中，主要利用小波变换来去除噪声。 ( 5 ) 人工神经网络 从上个世纪八十年代末，神经网络的研究在国际上形成一股热潮，原因是神 经网络可以应用人脑的智能原理来解决工程技术等领域中的复杂问题。生物医学 工程工作者采用神经网络来完成对波形的识别、归类。 3 5 脉搏波的频域研究 虽然对脉搏波的时域信号分析已经做了很多研究，但是时域信号的研究直至 今天还存在不少缺点，比如特征点的分析随机误差大、易受干扰、信息不完整等 缺点。所以希望通过对脉搏波信号的频谱研究来更深入的理解脉搏波信号。 众所周知，当血液在动脉中作脉动流时，动脉管中某一点的压力和流量都是 周期性变化的，一般可以展开为傅里叶级数3 1 1 。换言之，脉搏波的数学描述表示 为： 尸( ) = p 。+ p 。s i n ( 国。+ ) ( 3 3 ) n = l g ( ) = g 。+ 吼s i n ( 国。+ c p 弘) ( 3 4 ) 式中以、吼分别是压力、流量第n 次谐波的振幅，伊即、分别为第n 次谐波时 它们的相位，。为心率的基频。风、g o 是血压和流量在一个心动周期内的平 均值。同样式( 3 - 3 ) 、( 3 - 4 ) 亦可以分别用复指数的形式来表达： 尸( ) = p 。+ p 。p 。慨+ ( 3 5 ) 月= l g ( ) = 9 0 - t ：q 。p 。k + ( 3 6 ) - j - 是 r 否 是 保存 工是 传输 保存保存 1r1 r1 r r 图4 - 1 2 仪器功能框图 系统软件实现的主要功能有：综合测试、心功测试、血压测试、记录查询、 数据传输和时间调整六大部分。软件流程如图4 1 2 所示，开机之后，进入功能 选择界面，选择综合测试后，观察液晶界面上显示的脉搏波，选择质量好的波形 保存下来，然后加压放气测量腕部的血压，最后得到完整的心血管结果。选择心 功测试，则采集脉搏波后直接输入血压值而不再测量，然后得出结果。选择血压 测试，则直接测量血压而不检测血压外的其它心血管参数。对每一项测量结束后 都要输入编号，可以选择保存或不保存。记录查询选项，则是根据输入的编号查 询以往的测量纪录，以便了解自己的长期心血管变化状况。数据传输选项，则是 3 2 第四章测量系统的设计 利用u s b 接口将测量数据传输到p c 机保存，还可利用p c 机上的应用程序进行数 据分析。时间调整选项，可以调整年、月、日、时、分、秒纪录时间。 4 5 2 关键部分软件设计 4 5 2 1 脉搏波特征点的识别 由于脉搏波的变异性导致脉搏波特征点的完全识别是有难度的，而脉搏波特 征点的识别直接关系到最后心血管参数的精度，本系统对特征点的识别采用阈值 法进行。脉搏波共六个特征点，分别是b 、c 、d 、e 、f 、g ，他们的意义在第三 章已经介绍过。经过研究分析，最佳的识别顺序是先识别b 和c ，再识别f 和g ， 最后识别d 和e 。具体的算法流程如图4 1 3 所示。 图4 一1 3 脉搏波特征点识别算法流程 对于确定b 、c 两点，主要是阈值的确定，这里阈值 p = 7 7 ( 么一一彳m i n ) ( 4 6 ) q 是大量脉搏波作统计分析得到的系数，a 瞄，和a ，。分别为每一组脉搏波波形最大 值和最小值。如果检测到的极大值与极小值差大于阈值尸，则这两个极值点就是 b 并1 c 。根据b 、c 、d 、e 、f 、g 的实际位置顺序，对于f 、g 的寻找，只需要在c 点 的时间到g 点后某一时间，算法中t ，就是c 点的时间，t 2 是t ，后间隔t ( t 为已算得 的脉搏周期) 时间的时间点，在t 2 、t 。间首先找极大极小值点，找到后即是f 和g ， 3 3 第四章测量系统的设计 若没有则寻找拐点，找曲率最大的点即f 点和曲率最小的点即g 点，若再没有则只 能按一般方法寻找估算。对于d 点也类似，找到后只需在d 和f 间寻找最小负斜率e 点即可。 4 5 2 2 血压测试 本系统的血压测量主要基于示波法，具体方法是幅度系数法【3 2 】【3 3 1 。幅度系 数法又称归一法。它是将脉搏波振动信号的幅值与信号的最大幅值相比进行归一 化处理，通过确定收缩压和舒张压的归一化系数来识别收缩压与舒张压的方法。 动脉振动脉搏波的幅度与柯氏音的强弱二者之间有一致的趋势，在收缩压以 前以及舒张压以后脉搏波都有较小的波形。对腕带内压力等于收缩压或舒张压时 对应的脉搏波幅度与幅度最大值之间的比例关系进行了研究，发现收缩压的归一 化系数为0 4 6 - - 一0 6 4 ，舒张压的归一化系数为0 4 3 - - 0 7 3 。 归一化准则示意图如图4 1 4 所示。图中a s 为收缩压所对应的脉搏波幅度， a m 为平均压所对应的脉搏波幅度，即最大脉搏波幅度，a d 为舒张压所对应的 脉搏波幅度，a s a m 为收缩压的归一化值，a d a m 为舒张压的归一化值，c p 为腕带压力，横坐标代表放气过程中袖带内压力的不断减小。采用该判断准则的 算法较多，其特点是比较简单，但不同仪器所采用的归一化数值不尽相同。a s a m 及a d a m 究竟为何值，并没有一个统一的标准，因为腕带内脉搏波幅 度及波形受诸多因素影响，心率、脉压、动脉弹性及腕带顺应性( 指腕带内空气 体积及腕带材料的弹性) 等因素对归一化系数都有影响。 罄 薯 1 垂 l f 鱼pd pc p 图4 一1 4 归一化准则示意图 本系统血压测量的具体流程如图4 1 5 所示，首先确定零点，也就是检测环 境气压的值并以此为零点进行加压测量，然后加压到约为l8 5 m m h g 左右开始放 气测量，对采集到的数据进行分析，确定每一个脉搏波及其峰值，然后由这些峰 值构成包络线，对包络线采取幅度系数法进行测量，在采集数据过程中，会有抗 干扰程序，消除异常峰值，还有气压检测程序，当程序估算现有包络线不能检测 出收缩压或舒张压时会提示重新加压。 ( 1 ) 知识库 第四章测量系统的设计 知识库存放着作为专家提供的专门知识。包括与领域相关的书本知识、常识 性知识以及专家凭经验得到的试探性知识。专家系统的问题求解是这些运用专门 知识来模拟专家的思维方式进行的，因此知识库的建立是建造专家系统的中心任 务。 ( 2 ) 综合数据库 综合数据库是专家系统中用于存放反映系统当前状态的事实数据的场所，其 数据包括用户输入的事实、已知事实以及推理过程中得到的中间结果，他们最能 反映系统要处理问题的主要特征和状态，是系统操作的对象。 ( 3 ) 推理机 它是一组计算模块。在一定的控制策略下针对综合数据库的当前信息，识别 和选取知识库中对当前问题求解有用的知识进行推理。 ( 4 ) 知识的获取程序 专家系统的知识库建造中用以部分代替知识工程师进行专门知识的自动获 取，实现专家系统的自学习，不断完善知识库。 ( 5 ) 解释程序 根据用户的提问，对系统给出的结论、求解过程以及系统当前的求解状态提 供说明，既便于用户理解，也便于专家发现和定位知识库中的错误。 ( 6 ) 人机接口 将专家或用户的输入信息翻译为系统可接受的内部形式，把系统向专家或用 户输出的信息转换成人类易于理解的外部形式。 个体信息 脉搏信号采集 脉图识别和分析 被测者 心血管功能分类动力流变学参数 参数综合分析 诊断专家系统 心血管功能分类辅助诊断结粟 专家系统推理 诊断结果医学解释和健康咨询意见 按功能分类知识库 用户按需调用医学知识 图4 一1 7 心血管专家系统的应用 在心血管检测系统中我们建造了心血管专家系统，用以向被检测者提供更专 血流动力流变学理论 专家先验知识 样本练合统计算法 第四章测量系统的设计 业、更准确、更实用的检测诊断结果。心血管专家系统也是由以上几部分构成， ( 1 ) 知识库的建造主要来源于国内有丰富临床经验的中医专家的临床经验知识、 医学知识和书本知识。( 2 ) 推理机的设计中推理过程控制方式采用正向推理方 式，而推理过程中由于知识库和实际问题中含有不精确成分，故采用模糊推理。 ( 3 ) 人机接口采用液晶显示屏和键盘，以便运行解释机制和信息输入。( 4 ) 知 识的获取主要采用两种途径，一是同医学家采取会谈式和案例分析式获取，二是 对书本知识采用教学式知识获取。心血管专家系统在心血管测量中的应用如图 4 1 7 所示。 4 5 2 4u s b 囤件 对于u s b 传输部分的软件主要分为三部分：固件代码、驱动程序、客户应 用程序。驱动程序和客户应用软件应要求不同而不同，但是固件的编写都要遵循 u s b 协议，所以这里我们主要介绍在a r m 上的u s b 固件的设计。固件实际上是单 片机的程序文件，它的操作方式与硬件联系紧密，包括u s b 设备的连接、u s b 协议、 中断处理等，它不是单纯的软件，而是软件和硬件的结合。编写固件程序的一个 最主要的目的就是让w i n d o w s 可以检测和识别设备。 要编写u s b 固件首先要确定u s b 的传输方式，u s b 标准1 1 版本中，规定了4 种传输方式以适应不同的传输需求【3 5 】： ( 1 ) 控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 控制传输发送设备请求信息，主要用于读取设备配置信息及设备状态、设置 设备地址，设置设备属性、发送控制命令等功能。全速设备每次控制传输的最大 有效负荷可为6 4 个字节，而低速设备每次控制传输的最大有效负荷仅为8 个字 节。 ( 2 ) 同步传输( i s o c h r o n o u st r a n s f e r ) 同步传输仅适用于全速高速设备。同步传输每毫秒进行一次传输，有较大 的带宽，常用于语音设备。同步传输每次传输的最大有效负荷可为1 0 2 3 个字节。 ( 3 ) 中断传输( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 中断传输用于支持数据量少的周期性传输需求。全速设备的中断传输周期可 为1 2 5 5 m s ，而低速设备的中断传输周期为1 0 2 5 5 m s 。全速设备每次中断传输 的最大有效负荷可为6 4 个字节，而低速设备每次中断传输的最大有效负荷仅为 8 个字节。 ( 4 ) 批量数据传输( b u l kt r a n s f e r ) 批量数据传输是非周期性的数据传输，仅全速高速设备支持块数据传输， 同时，当且仅当总线带宽有效时才进行批量数据传输。批量数据传输每次数据传 输的最大有效负荷可为6 4 个字节。 第四章测量系统的设计 在本心血管检测系统中由于要大量测量数据与p c 机通信，所以我们采用批 量传输和控制传输，批量传输方式进行数据传输，控制传输用于设备配置的请求。 u s b 固件程序程序由三部分组成：初始化单片机和所有的外围电路( 包括 p d i u s b d l 2 ) ：主循环部分，其任务是可以中断的；中断服务程序，其任务是 对时间敏感的，必须马上执行。固件结构如图4 一1 8 所示。根据u s b 协议，任何 传输都是由主机( h o s t ) 开始的。单片机作它的前台工作，等待中断。主机首先 要发令牌包给u s b 设备( 这里是p d i u s b d l 2 ) ，p d i u s b d l 2 接收到令牌包后就给单 片机发中断。单片机进入中断服务程序，首先读p d i u s b d l 2 的中断寄存器，判断 u s b 令牌包的类型，然后执行相应的操作。在u s b 单片机程序中，要完成对各种 令牌包的响应，其中比较难处理的是s e t u p 包，主要是端口0 的编程。 主循环：初始化、发送u s b 请求和处理u s b 总线事件等 m a i n l o o p 图4 - 1 8u s b 固件结构图 端点是u s b 中一个独特的概念，它是一个可以与u s bh o s t 交换数据的硬件单 元。u s b h o s t 与u s b 设备之间都是通过端点来传输数据的，端点是桥梁和纽带， 不同的端点其传输数据的能力不同，适于不同的应用场合在本系统中主处理器让 u s b 在批量传输方式下工作，这样共需要3 个端点。 0 端点：控制端点。用于控制传输，p c 机通过与端点0 相对应的管道来读取 设备描述符，完成对设备地址的设置，并完成配置。此端点为双向数据传输端点。 两个非0 端点：批量传输端点。这种端点为单向数据传输端点，分别为批量 输入端点和批量输出端点。 主处理器通过一个端点中断寄存器( u e p i n t ) 和p c 机通信。如果某个端点 完成了相应的操作，就会引发中断。主程序流程图如图4 - 1 9 所示。 3 8 第四章测量系统的设计 图4 1 9u s b 固件流程图 当u s b 设备插入到p c 机时，p c 机一旦检测到设备后，就会通过控制管道向 默认地址发送u s b 标准请求，进入设备配置阶段，即p c 机向设备索取各种描述 符的过程，每当设备收到主机发送的数据后，便会触发端点中断寄存器中端点0 所代表的位。此时，应读取端点0 的数据缓冲区，对照u s b 标准设备请求的数据 格式，对请求类型进行识别，然后转向相应的标准请求处理函数。配置完成后， 主机便使用在描述符中所选定的命令块向批量传输端点发送控制消息和数据。 4 6 本章小结 本章主要介绍了便携式心血管检测系统的设计。系统硬件上以a r m 系列处 理器l p c 2 11 4 为核心，以电源管理、液晶显示和键盘、u s b 通讯、外部时钟、 外部存储等外围电路为辅助，完成系统工作。其中分别介绍了脉搏波和血压信 号的拾取的传感器以及预处理电路。对系统软件的整体功能作了简要说明，并 第四章测量系统的设计 对其中的重要部分包括脉搏波特征点的识别、血压测量、专家系统、u s b 通信 等在算法和程序流程上做了详细的阐述。 第五章实验及分析 第五章实验及分析 为了研究和评价本测试系统的稳定性、测量参数的可信性和正确性以及测量 方法的可行性，必须做大量的实验才能从测量数据中分析得出，所以实验是系统 开发中必不可少的一个环节。对于测量的精度可以通过与标准对比来分析，现在 心血管参数的测量最标准的仍然是有创测量，考虑到客观条件和实施的可行性， 目前所做实验选用的标准暂不用有创方法，而选用经历十余年研究改进，做了大 量临床试验证明其稳定性和精度都很好的爱心小专家作为标准仪器。 5 1a z n f 型健康监护仪“爱心小专家 介绍 爱心小专家是市场上广泛使用的医疗仪器，能无创伤检测出人体的3 0 多项心 血管功能参数。因此选择它作为评定的标准仪器。首先对本测量系统和标准仪器 的稳定性进行评估。然后，对多名实验者分别使用两种仪器测量他们的心血管参 数，比较分析测量结果，得到两种方式测量结果的相关系数。 全自动血压一1 1 , 血管健康监护仪“爱心小专家”a z n - f 型由安徽中科智能高 技术有限公司和天津市先石光学技术有限公司共同研制生产，并已取得了中华人 民共和国医疗器械注册证、制造计量器具许可证和医疗器械生产企业许可证。 “爱心小专家”a z n - f 型是一种综合检测人体心血管功能和健康状况的医疗仪 器，适用于家庭及个人借助计算机实现对自身心血管健康状况的监测、心血管疾 病的早期预测诊断、患者病情的持续监护及药物疗效的评价。 该仪器从医学模型建立、计算公式形成、临床效果验证到产品最终定型，历 经多年研制成功。先后有近百名中国科学院的科学家和国内著名医学专家参与研 制工作，累计统计分析了上百万人次的检测样本，其核心技术在多家医疗机构进 行了广泛的医学临床实验( 人群分组实验、同步对比实验、动物实验和临床验证 等) ，相关报告充分证明其临床检测结果准确可靠；该产品的核心技术已在全国 6 0 0 0 多家医院、社区和众多家庭实际应用，并出口海外。 配合个人电脑使用，“爱心小专家”a z n f 型可以无创伤检测出人体的3 0 多 项心血管功能参数：定量测出血管弹性、血液粘度、心脏供血能力、心脏耗氧量、 全身总血容量等重要参数，用数据显示出人体心脏、血管、血液、微循环、肺功 能等方面的实际检测结果，并显示出每项参数正常范围的数值，以供个人对照。 5 2 仪器测量的重现性验证 4 l 第五章实验及分析 仪器重复性的好坏反映的是测量的精度，对某一项参数，该仪器都有对应 的重复性，但是对于仪器整体的重复性要综合该仪器所能测量的多个参数考虑。 下面我们以表征动脉弹性的参数为例，来说明该仪器的重复性。本系统中表征动 脉弹性的参数是动脉硬度指数a s i ，选定的标准仪器爱心小专家中表征动脉弹性 的参数是血管弹性扩张系数e t k ，分别测试两个系统对应各自血管弹性参数的重 复性。 实验安排：一个健康的实验者( 女性，2 3 岁) ，以半小时为间隔，使用本测 试系统测量动脉硬度指数a s i 的数值，使用爱心小专家测量血管弹性扩张系数e t k 的数值，得到两组数据，每组2 0 个。观察仪器测量结果的重复性。用标准偏差 s t d e v 评价仪器的重复性。s t d e v 越小，说明测量的精度越高。 序可 s t d e v = 1 f 刍l _ ( 5 - 1 ) y 刀一l 其中，n 是样品的个数。 下面图5 1 和图5 2 分别是e t k 和a s i 测量的重复性实验结果，通过测量结 果可以看出，表征血管弹性方面状况的测量方面，标准仪器爱心小专家与本系统 的重复性是接近的，其他指标包括血液粘度、微循环半更新时间、心搏出量等参 数经过实验证明与标准仪器的重复性也是很接近的，所以本测试系统的重复性良 好。 ( 1 ) 对于e t k 澳i j 量的重复性实验 实验结果如下： 图5 - 1爱心小专家重复性实验结果 s t d e v = 0 0 3 8 7 2 3 ( 2 ) 对于a s i 测量的重复性实验 实验结果如下： 4 2 第五章实验及分析 s t d e v = 0 0 3 3 2 2 7 5 3 对比性实验 图5 2 测试系统重复性实验结果 对于本系统的测量参数的精度和可用性，通过选定大量的实验者分别用本系 统和标准仪器爱心小专家测量，然后分析相关性就可以大体确定该系统测量值的 可用性，在这里我们仍然以血管弹性的两个参数a s i 和e t k 为例，来研究二者 的相关性，确定本系统中a s i 是否可以用来精确的表征血管弹性情况。对于有些 参数，我们把本系统测量的健康人的数值和其他方法测量得到的或者文献参考中 记录健康人的数值进行了比较，从一定程度上也说明了本系统的测量精度。 5 3 1 血管弹性的对比实验 本系统中表征动脉弹性的参数是动脉硬度指数a s i ，a s l 值越大说明血管弹 性越差，a s i 值越小说明血管弹性越好。选定的标准仪器爱心小专家中表征动 脉弹性的参数是血管弹性扩张系数e t k ，与a s i 值相反的是，e t k 值越大说明 血管弹性越好，e t k 值越小说明血管弹性越差。研究e t k 和a s i 的相关性，以 此分析本系统中a s i 的测量值的町用性。 相关系数是用来描述变量x 和y 的线性相关的程度，通常用r 表示 r = ( 5 - 2 ) 这里，y - 应用标准仪器测得的结果；y 用本系统测量的结果。 r 的值介于【- l ，l 】之间，r 的绝对值越接近l ，表明x 和y 之间的线性关系越 密切。 4 3 第五章实验及分析 吲取值 相关程度 【0 ，0 3 1较低 1 0 3 1 ，0 5 l一般 1 0 5 1 ，0 7 1显著 1 0 7 1 ，0 9 l高 1 0 9 1 ，0 9 9 l 很高 实验安排：选择3 2 名实验者，男性2 0 名，女性1 2 名，年龄在2 0 - - 一5 5 之间， 通过对3 2 名受试者分别使用标准仪器a z n - f 型“爱心小专家”和本研制仪器分 别进行测量，得到每个受试者的e t k 和a s i 的数值，如表5 1 所示 表5 - 1 两种实验仪器的测量结果 序号 a s i e t k1 a s i l1 2 5 6 0 7 2 80 2 5 60 0 0 7 9 6l 2 1 2 3 7 2 70 2 6 7 2 0 0 0 8 0 8 2 31 1 7 8 3 8 20 2 7 2 50 0 0 8 4 8 6 4 10 7 0 0 2 4o 2 8 1 40 0 0 9 3 4 6 5l0 9 8 8 4 8o 3 1 70 0 0 9 1 6 1 0 0 1 4 0 80 3 3 3 2 5 0 0 0 9 9 8 6 71 0 8 1 4 8 80 3 5 50 0 0 9 2 4 7 810 0 0 9 0 80 3 7 4 20 0 0 9 9 9l 98 5 1 0 0 5 60 3 7 9 5o 0 1 1 7 5 l l o8 0 4 2 2 30 3 8 7 2 5o 0 1 2 4 3 4 1 1l2 6 6 6 0 30 3 9 90 0 0 7 8 9 5 1 28 1 8 2 1 30 4 2 3 6 70 o l2 2 2 2 1 3 9 8 1 4 3 0 4 7 8 7 50 o l o l 8 9 1 48 8 4 2 9 90 5 2 5 8o 0 1 1 3 0 8 1 59 4 8 5 4 2 30 5 6 4 7 50 0 1 0 5 4 2 1 69 1 4 6 6 30 5 9 0 7 5 o 0 1 0 9 3 3 1 78 7 7 4 1 4 80 6 4 3 2 50 o l l 3 9 7 1 88 2 7 8 5 60 6 8 5 7 5 o 0 1 2 0 7 9 1 97 7 5 8 7 30 6 9 6 3 30 0 12 8 8 9 2 07 0 7 5 8 7 80 7 6 2 7 5 0 0 1 4 1 3 3 2 ll3 6 8 7 6 2 70 2 3 20 0 0 7 3 0 6 2 2l3 6 2 7 2 80 2 3 4 40 0 0 7 3 3 8 2 31 10 0 4 5 8 70 2 6 5 6 70 0 0 9 0 8 7 2 41 0 7 - 2 9 1 5 50 2 8 4 1 70 0 0 9 3 2 2 5l0 2 2 8 2 5 6 0 3 0 1 7 50 0 0 9 7 7 7 2 61 0 5 1 7 5 5 70 3 10 0 0 9 5 0 8 2 7l0 9 7 0 6 3 3o 3 1 3 40 0 0 9 1 1 5 2 81 0 7 8 4 l l