基于波形特征点分析容积脉搏波波图的方法及检测装置

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基于波形特征点分析容积脉搏波波图的方法及检测装置\n技术领域\n[0001] 本发明属电子医疗仪器领域。是一种通过计算机技术、信号采集技术、数字信号处理技术等，将采集到的容积脉搏波波形进行自动分析与判别，用于评价微血管功能的方法及其装置。\n背景技术\n[0002] 容积脉搏波是动脉血液在心脏搏动下流过外周血管中的微动脉、毛细血管和微静脉等微血管时，该部分微血管的血液容积出现的脉动性变化。由于容积脉搏波是微循环中微血管的血流容积搏动，它处在动脉系统的末梢，因而容积脉搏波包含有丰富的微循环信息，以及与之密切相关的微血管功能等信息。\n[0003] 近年来，国内外很多科学研究人员在容积脉搏波领域做了大量研究工作，20世纪九十年代初，北京工业大学罗志昌教授提出一个以脉图面积变化为基础的脉搏波波形特征量K值，其定义为 其中， 为一个心动周期T中，脉搏压力P(t)的\n平均值；Ps、Pd分别为收缩压和舒张压。但近年来临床实测发现，此方法存在某些不足之处。\n这种方法将整个脉搏波图面积作为一个整体，它所表示的波形特征量K值没有明确的表明收缩与舒张这两个不同的生理过程。因此，在不同的生理病理状态下其升支面积和降支面积可能各不相同，但脉搏波图总面积却有可能相同。\n发明内容\n[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于波形特征点的分析容积脉搏波的方法以及使用该方法的装置，通过应用这种方法和装置，能够同时获得上肢、下肢的容积脉搏波图数据，以及根据波图特征点将波图面积细致划分而得到的全新的波形参数，因此能够更加全面、有效地反映微动脉血流状态，进而评价微动脉功能。\n[0005] 一种基于波形特征点分析容积脉搏波图的方法，是由脉搏波图采集装置和计算机构成的采集环境，波图采集装置用于获得数字化的容积脉搏波图，并将波图数据传送给计算机，在计算机中完成对波图的分析，基于波形特征点分析容积脉搏波图的方法，即从波图最大值点将整个波图分割成升支、降至两部分面积，分别求得两部分的面积特征量参数，再考察各部分面积与整个波图面积的关系，最终得出该参数。研究表明，容积脉搏波图的升支、降支分别代表不同的生理过程，经过上面的方法获得的特征参数可以更加详细的表示各生理状态。本发明的特征在于，还依次包括以下步骤：\n[0006] 步骤a：从波图采集装置的存储设备中获得原始波形。\n[0007] 步骤b：根据现有的方法找到波图最大值点。\n[0008] 步骤c：从波图最大值点向时间轴做垂线，将波图面积分为升支、降支两部分，分别计算容积脉搏波波形总面积、波形升支面积、和降支面积。计算方法为其中，A′是容积脉搏波波图总面积，Ad′是波图的升支面\n积，Ac′是波图的降支面积，T为波图的一个周期，Td是一个波图开始到波图最大值点所对应的时间，dt是每两个数据点间的时间间隔，Q(t)是波图的包络所构成的时间的函数。\n[0009] 步骤d：根据容积脉搏波所代表的生理特征，波图上升沿的斜率和幅度与人体血管硬化等因素有关，同时，波图下降沿速度等特征与外周阻力的大小密切相关，因此，分别计算波图的升支面积和降支面积，可一定程度上反映出微血管的功能状态，计算方法为K1′为升支面积特征参数，K2′为降支面积特征参数，\n在这里Qmin代表0到T时间段内血液容积最小值，Qmax代表0到T时间段内血液容积最大值，分别代表在波图上升沿这段时间内血液的平\n均容量，和在波图下降沿段时间内的血液平均容量。实验得出，若K1′值大于0.55和(或)K2′值大于0.42，则提示可能存在微血管舒张功能障碍。\n[0010] 步骤e：为了进一步考察升支面积、降支面积的敏感性，求得升支、降支面 积 与波 图总 面 积的 相 对关 系，计 算\n[0011] 并且存在关系α+β＝1，这两部分面积与波图整个面积的相对关系能够比较敏感地提示微血管功能异常，实验数据得出，当α大于0.24时，存在微血管病变及微循环障碍的可能性较大。\n[0012] 步骤f：根据步骤a-e，分别得到上肢容积脉搏波图参数α1和下肢容积脉搏波如参数α2。计算 此参数的概念是以被测体上肢为基准，评价更容易产生微循环障碍的下肢远端微循环状态。实验数据得出，当TFI-α小于等于1.30时，提示微循环功能障碍。并且此参数与波图参数α相比更为敏感。\n[0013] 步骤g：输出评价微循环状态的参数K值、K′1值、K′2值、α值、β值与TFI-α值。\n[0014] 本检测装置依次包括光电换能器模块、模拟信号预处理模块、模数转换模块、单片机控制模块、通讯模块以及计算机中的波图数据处理模块；光电换能器模块中具有双路光电换能器，分别为换能器1和换能器2，换能器1采集手指端容积脉搏波图，换能器2采集足趾容积脉搏波图，将光强的变化转化成电信号，并输出至模拟信号预处理模块中的放大电路，经过放大，再将信号输出至模拟信号预处理模块中的滤波电路，经过放大和滤波处理后的信号被输送至模数转换模块；该模数转换模块与单片机相连，并通过单片机控制模块分别对两路模拟信号进行采样转换后将数字信号上传给计算机进行波图数据分析处理。\n[0015] 在该模数转换模块中采用两个AD0804的数据线同时与单片机的数据线相连，利用单片机的一个I/O口作为控制口，分时获得两个AD的数据，将这个I/O口直接和一个AD0804的CS端口相连，同时通过一个反向门电路连接到另一个AD0804的CS端口，当这个I/O口按照一定时间间隔反复输出“0”和“1”时，就分别选通了两个AD转换器件，达到了分时控制的目的。\n[0016] 应用这样的检测装置和脉搏波图分析方法，同时获取手指、足趾容积脉搏波图，能够根据波图特征点更加有效地区分正常人群的脉搏波图和异常人群(患有微循环障碍或微血管病变)的脉搏波图，通过对实验数据进行科学统计分析，正常人群和异常人群相比，脉搏波图特征参数K′1、K′2、α、β与TFI-α，均具有显著性差异，因此本发明所提供的脉图分析方法及其装置对微血管病变具有提示作用。\n附图说明\n[0017] 图1是检测装置结构框图。\n[0018] 图2是典型的容积脉搏波图及其特征点。\n[0019] 图3是单片机控制双路AD转换器原理图。\n具体实施方式\n[0020] 一种基于波形特征点分析容积脉搏波图的方法，是由脉搏波图采集装置和计算机构成的采集环境，波图采集装置用于获得数字化的容积脉搏波图，并将波图数据传送给计算机，\n[0021] 步骤a：从波图采集装置的存储设备中获得原始波形。\n[0022] 步骤b：根据现有的方法找到波图最大值点。\n[0023] 步骤c：从波图最大值点向时间轴做垂线，将波图面积分为升支、降支两部分，分别计算容积脉搏波波形总面积、波形升支面积、和降支面积。计算方法为其中，A′是容积脉搏波波图总面积，Ad′是波图的升支面\n积，Ac′是波图的降支面积，T为波图的一个周期，Td是一个波图开始到波图最大值点所对应的时间，dt是每两个数据点间的时间间隔，Q(t)是波图的包络所构成的时间的函数。\n[0024] 步骤d：根据容积脉搏波所代表的生理特征，波图上升沿的斜率和幅度与人体血管硬化等因素有关，同时，波图下降沿速度等特征与外周阻力的大小密切相关，因此，分别计算波图的升支面积和降支面积，可一定程度上反映出微血管的功能状态，计算方法为K1′为升支面积特征参数，K2′为降支面积特征参数，\n在这里Qmin代表0到T时间段内血液容积最小值，Qmax代表0到T时间段内血液容积最大值，分别代表在波图上升沿这段时间内血液的平\n均容量，和在波图下降沿段时间内的血液平均容量。实验得出，若K1′值大于0.55和(或)K2′值大于0.42，则提示可能存在微血管舒张功能障碍。\n[0025] 步骤e：为了进一步考察升支面积、降支面积的敏感性，求得升支、降支面积 与波图 总面 积的相 对关系，计算\n[0026] 并且存在关系α+β＝1，这两部分面积与波图整个面积的相对关系能够比较敏感地提示微血管功能异常，实验数据得出，当α大于0.24时，存在微血管病变及微循环障碍的可能性较大。\n[0027] 步骤f：根据步骤a-e，分别得到上肢容积脉搏波图参数α1和下肢容积脉搏波如参数α2。计算 此参数的概念是以被测体上肢为基准，评价更容易产生微循环障碍的下肢远端微循环状态。实验数据得出，当TFI-α小于等于1.30时，提示微循环功能障碍。并且此参数与波图参数α相比更为敏感。\n[0028] 步骤g：输出评价微循环状态的参数K值、K′1值、K′2值、α值、β值与TFI-α值。\n[0029] 参见图1，本检测装置主要包括光电换能器模块、模拟信号预处理模块、模数转换模块、单片机控制模块、通讯模块以及计算机中的波图数据处理模块。在光电换能器模块中，包含换能器1和换能器2，如临床监护仪上常用的透射式血氧探头，换能器1的输出作为第一级信号，被传递给模拟信号预处理模块中的放大电路1，放大电路1由现有集成运放和电阻元件构成，如LM324。信号被放大后进入滤波电路1，该部分电路采用压控电压源二阶低通滤波电路，由运算放大器和电容元件、电阻元件构成，模拟信号预处理模块的输出信号被连接到模数转换模块中的模数转换1的输入端管脚上。与换能器2相连的是模拟信号预处理模块中的放大器2，放大后的信号经滤波电路2进行滤波处理，被输出至模数转换模块。模数转换1和数模转换2的数据线均与单片机控制模块的数据线相连，并利用单片机的一个I/O口作为控制口，分时获得两个AD的数据，参见图3，将这个I/O口直接和一个AD0804的CS端口相连，同时通过一个反向门电路连接到另一个AD0804的CS端口，当这个I/O口按照一定时间间隔反复输出“0”和“1”时，就分别选通了两个AD转换器件，达到了分时控制的目的。这样，将前一级的两路模拟信号分时转换成数字信号，并以串口通信的方式通过通讯模块传送给计算机上的波图数据处理模块。