专利名称：基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置及方法
技术领域：
本发明属于针对脉搏波速度生理参数的测量技术领域，具体涉及一种基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置及方法。
背景技术：
目前脉搏波速度是一种生理参数，该生理参数作为从人体获取的中间结果的信息或者处理信息，在相应的研究领域是非常重要的参数，因为脉搏波的传导速度跟血压具有正相关的关系，所用在动态血压监护方面可以把对脉搏波的测量来代替对血压的监护。理论研究和实验验证表明，脉搏波速度即PWV跟血管壁的弹性有相关性，而当前最为普遍的电子血压计并不能很好地测量出脉搏波速度生理参数。20世纪20年代以来，国外在脉搏波速度的测量方面做了大量的研究，并有相应的产品问世。早在1922年，Brammwell等便开始对脉搏波速度进行测量以了解动脉的弹性；国内在这方面的研究工作还比较少，未能生产出用于临床医疗的产品。目前在临床和科研上用得最多的脉搏波速度生理参数测量系统主要有两种:由英国 ScanMed Medical Instruments 公司研发的 SphgmoCor 系统以及由法国 Artech Medical单位研发的Complior系统。这两种系统 均选择颈动脉和股动脉作为测量点，但是他们采集数据所用的传感器以及计算脉搏波速度所用的方法都有差异。SphgmoCor以三个心电图作为参照，采用单通道的系统，记录脉搏波采用了一种动脉张力计，把得到的两个被测量脉搏波信号的起始点处的时间差当作脉搏波的传递时间；Complior是双通道的系统，把机械式的换能器作为传感器，把两个测量点处的脉搏波信号的上升支斜率最大值所在点对应的时间差当作脉搏波信号的传递时间。以上的两种脉搏波测量系统在总体上是采用了压电传感器来记录位于体表动脉的搏动产生的脉搏波，要准确的测量到脉搏波必须经过专门的训练，需要专业和技能，操作的复杂性以及其昂贵的价格限制其广泛应用。日本科林公司的VP -1000测量仪和韩国的PP -1000都是利用波形最低点和心音相结合原理进行设计，采用的方法为加压袖带和压力传感器的方式检测脉搏波动。利用袖带进行脉搏波速度测量时，由于采用加压袖带的方法测量上臂和下肢的脉搏波波形，对应于每次袖带中压力传感器位置的不同，人为的袖带松紧程度不同，将导致测量到的波形不同，因而最低点的位置将受到影响。国内的徐燕等研发人员从流体力学原理出发，分析动脉弹性与脉搏波速度的关系，研制了同时采用袖带压力传感器和光电容积传感器的脉搏波速度生理参数测量系统。这种方法利用加压袖带和压力传感器采集人体上肢动脉的压力波波形，利用光电容积脉搏波采集食指指端动脉。这样就可以在一条手臂上完成测量工作，使测量过程简单化。此种算法测量简单，在计算脉搏波速度时，传导距离为袖带传感器到食指端的距离。在软件数据处理上采用峰值法，对于在一个周期内出现多个峰值，只需要通过一个简单的阈值就可以找出最大峰值，即主波峰值。但是，脉搏波波形的峰值容易受反射波的影响而发生偏移，导致测量结果和实际值有一定的差距，所以此方法的测量精度有待于临床证实。
应用光电传感器来测量脉搏波传导速度的系统在临床上目前应用很少，仍然主要处于研发阶段，其中具有代表性的脉搏波测量系统是以Yung-Kang Chen所在的研究小组研究的基于双通道的脉搏波信号测量系统，此系统采用的是透射式的光电传感器，把手指与脚趾作为了两个被测量点，由于对于不同个体，两测量点所经过的血管的长度不容易准确计算，因此会产生较大误差，并且因为透射式的光电传感器在对测量点选择方面有很大的局限性，因而系统在使用时有很大的不方便。计算脉搏波时间延迟是计算脉搏波速度的关键，其测量误差越大，计算的脉搏波速度误差越大。求解两路脉搏波时间延迟，一般的方法是基于脉搏波标示点的方法，通过选择脉搏波标示点定位脉搏波，从而计算脉搏波延迟时间，基于标示点的选取，测量延时时间的方法有以下几种:
1.利用切线交点测量脉搏波延迟:切线法会增加计算的误差，降低测量精度。2.利用最低点法测量:利用袖带进行PWV测量每次袖带位置不同，袖带松紧度不同，都将会导致测量的波形不同，从而导致测量结果存在误差。3.利用峰值法测量:利用光电传感器采集人体食指上的脉搏波信号，这样在一支胳膊上完成了测量工作，但是采集的信号压力脉搏波和容积脉搏波两种信号，由于数据采集的原理不同，所以选择了峰值点 作为参考点，但是波峰容易受到反射波影响，导致测量值
与实际值存在一定差距。4.利用斜率最大点:把脉搏波斜率最大点作为测量标示点，采用差分阈值的方法求斜率最大点，根据脉搏波前沿上升支中的斜率最大点作为标志点，对于一些老年人脉搏波波足的起始点容易受到前一周期的舒张期的影响，不容易提取。通过上述方法测量的结果，延时误差太大而且非常不可靠。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置及方法，包括第一脉搏波采集通道和第二脉搏波采集通道，第一脉搏波采集通道和第二脉搏波采集通道同脉搏波模拟处理装置相信号连接，脉搏波模拟处理装置也同单片机相信号连接，单片机同电源模块相电连接，单片机通过无线模块同手持终端相信号连接，单片机还同脉搏波速度测量模块通信连接，单片机为中央控制处理单元，所述的单片机内部包含有由单片机处理器控制连接的时钟电路、存储器、定时器、A/D转换器以及I/O接口，并结合其测量方法可有效减小延时误差。为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置及方法，具体如下:
一种基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置，包括第一脉搏波采集通道I和第二脉搏波采集通道2，第一脉搏波采集通道I和第二脉搏波采集通道2同脉搏波模拟处理装置3相信号连接，脉搏波模拟处理装置3也同单片机5相信号连接，单片机5同电源模块4相电连接，单片机5通过无线模块6同手持终端8相信号连接，单片机5还同脉搏波速度测量模块7通信连接，单片机5即为中央控制处理单元，所述的单片机5内部包含有由单片机5处理器控制连接的时钟电路、存储器、定时器、A/D转换器以及I/O接口。所述的基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置能够通过有线通信接口或者无线通信接口分别以有线连接或者无线连接的方式以计算机相连接。所述的单片机5为STM32的CM3系列单片机5，其最大RAM容量大小为20K，其FLASH存储芯片容量大小为128K。所述的电源模块4包括稳压电源电路，所述的第一脉搏波采集通道I和第二脉搏波采集通道2由双通道光电传感器构成，构成双通道光电传感器的第一通道组件和第二通道组件分别形成第一脉搏波采集通道I和第二脉搏波采集通道2，第一通道组件和第二通道组件为同一型号的通道组件，所述的双通道光电传感器按工作方式归属于光电容积脉搏波传感器，所述的脉搏波模拟处理装置3由两个脉搏波模拟处理分组件构成，每个脉搏波模拟处理分组件由各自的一级放大电路101、二级放大电路102、低通滤波电路103、50HZ带阻滤波电路104、三级放大电路105、差分放大电路106和低通限幅电路107顺次两两串联连接而成，其中一个脉搏波模拟处理分组件的一级放大电路101同第一脉搏波采集通道I相连接，另一个脉搏波模拟处理分组件的一级放大电路101同第二脉搏波采集通道2相连接，每个脉搏波模拟处理分组件的低通限幅电路107均与单片机5相连接。第一通道组件和第二通道组件均为光电传感器。所述的基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置的测量方法，步骤如下: 步骤1:首先通过双通道光电传感器的第一通道组件和第二通道组件分别通过小拇指
的测量点和无名指的测量点来采集小拇指的脉搏波数据和无名指的脉搏波数据，小拇指的脉搏波数据和无名指的脉搏波数据构成了双路脉搏波数据；
步骤2:所采集到的小拇指的脉搏波数据和无名指的脉搏波数据以光敏输出电流的形式各自分别经由第一脉搏波采集通道I和第二脉搏波采集通道2传递到脉搏波模拟处理装置3中，处理后得到小拇指 的脉搏波模拟信号和无名指的脉搏波模拟信号，由此完成了双路脉搏波数据预处理得到了预处理后的双路脉搏波信号，另外在双路脉搏波数据预处理过程中脉搏波模拟处理装置3还实现对双路脉搏波信号延时不对称补偿中的硬件延时补偿；步骤3:将预处理后的双路脉搏波信号发送到单片机5中，单片机5处理器进行初始化后操纵A/D转换器分别对小拇指的脉搏波模拟信号和无名指的脉搏波模拟信号以按预设的时间段切换的方式进行数据采样，数据采样后，单片机5处理器启动脉搏波速度测量模块7根据小拇指的脉搏波模拟信号的采样均值和无名指的脉搏波模拟信号的采样均值所反映的脉搏波的波形进行识别，即遍历对应的所反映的脉搏波的波形，如果波形连续上升时间在100ms-300ms范围内，则认为对应的脉搏波输入正常；
另外在数据采样过程中，结合双通道光电传感器的第一通道组件与第二通道组件的数据采集的平稳过渡过程，单片机5处理器通过判断如果该平稳过渡过程中出现的连续直线的连续时间大于1ms，则将此次数据采样做无效处理；
步骤4:脉搏波速度测量模块7根据小拇指的脉搏波模拟信号的采样均值或无名指的脉搏波模拟信号的采样均值所反映的脉搏波的波形根据数据采样过程中的采样率的位数，从采样率的最后一位开始向前顺序去除掉预设的去除位数数量来减小量化误差的影响，脉搏波速度测量模块7根据小拇指的脉搏波模拟信号的采样均值或无名指的脉搏波模拟信号的采样均值所反映的脉搏波的波形来确定出小拇指的脉搏波的波形最大值、小拇指的脉搏波的波形最小值、无名指的脉搏波的波形最大值以及无名指的脉搏波的波形最小值，另外脉搏波速度测量模块7还对小拇指的脉搏波模拟信号的采样均值和无名指的脉搏波模拟信号的采样均值所反映的脉搏波的波形进行零点调整和波形幅值归一化处理，即脉搏波波形的每一个点减去其最小值点来进行零点调整，而小拇指的脉搏波的幅值和无名指的脉搏波的幅值调整得趋于一致就实现了波形幅值归一化；脉搏波速度测量模块7根据脉搏波速度范围为5m/iTl5m/S的条件以及小拇指的测量点和无名指的测量点的距离，导出小拇指的脉搏波和无名指的脉搏波的时间延迟范围，再结合基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置的系统延迟和传感器延迟，预设出待使用的互相关函数法所需要的互相关函数值来减小运算量，这样脉搏波速度测量模块7根据所需要的互相关函数值利用互相关函数法导出小拇指的脉搏波和无名指的脉搏波的时间延迟；
步骤5:脉搏波速度测量模块7进行双路脉搏波信号延时不对称补偿中的软件延时补偿；接着通过手动测量来获取两个测量点的血管距离差Ds ；
步骤6:脉搏波速度测量模块7根据脉搏波速度PWV求解公式(8)导出脉搏波速度PWV生理参数值，公式(8)如下所示:
权利要求
1.一种基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置，其特征在于包括第一脉搏波采集通道(I)和第二脉搏波采集通道(2)，第一脉搏波采集通道(I)和第二脉搏波采集通道(2)同脉搏波模拟处理装置(3)相信号连接，脉搏波模拟处理装置(3)也同单片机(5)相信号连接，单片机(5)同电源模块(4)相电连接，单片机(5)通过无线模块(6)同手持终端(8)相信号连接，单片机(5)还同脉搏波速度测量模块(7)通信连接，单片机(5)即为中央控制处理单元，所述的单片机(5)内部包含有由单片机(5)处理器控制连接的时钟电路、存储器、定时器、A/D转换器以及I/O接口。
2.根据权利要求1所述的基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置，其特征在于所述的基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置能够通过有线通信接口或者无线通信接口分别以有线连接或者无线连接的方式以计算机相连接，所述的手持终端(8)能被计算机所替代。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置，其特征在于所述的单片机(5)为STM32的CM3系列单片机，其最大RAM容量大小为20K，其FLASH存储芯片容量大小为128K。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置，其特征在于所述的电源模块(4)包括稳压电源电路，所述的第一脉搏波采集通道(I)和第二脉搏波采集通道(2)由双通道光电传感器构成，构成双通道光电传感器的第一通道组件和第二通道组件分别形成第一脉搏波采集通道(I)和第二脉搏波采集通道(2)，第一通道组件和第二通道组件为同一型号的通道组件，所述的双通道光电传感器按工作方式归属于光电容积脉搏波传感器，所述的脉搏波模拟处理装置(3)由两个脉搏波模拟处理分组件构成，每个脉搏波模拟处理分组件由各自的一级放大电路(101 )、二级放大电路(102)、低通滤波电路(103 )、50HZ带阻滤波电路(104 )、三级放大电路(105 )、差分放大电路(106 )和低通限幅电路(107)顺次两两串联连接而成，其中一个脉搏波模拟处理分组件的一级放大电路(101)同第一脉搏波采集通道(I)相连接，另一个脉搏波模拟处理分组件的一级放大电路(101)同第二脉搏波采集通道(2)相连接，每个脉搏波模拟处理分组件的低通限幅电路(107)均与单片机(5)相连接。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置，其特征在于第一通道组件和第二通道组件均为光电传感器。
6.根据权利要求1所述的基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置的测量方法，其特征在于，步骤如下: 步骤1:首先通过双通道光电传感器的第一通道组件和第二通道组件分别通过小拇指的测量点和无名指的测量点来采集小拇指的脉搏波数据和无名指的脉搏波数据，小拇指的脉搏波数据和无名指的脉搏波数据构成了双路脉搏波数据； 步骤2:所采集到的小拇指的脉搏波数据和无名指的脉搏波数据以光敏输出电流的形式各自分别经由第一脉搏波采集通道(I)和第二脉搏波采集通道(2 )传递到脉搏波模拟处理装置(3)中，处理后得到小拇指的脉搏波模拟信号和无名指的脉搏波模拟信号，由此完成了双路脉搏波数据预处理得到了预处理后的双路脉搏波信号，另外在双路脉搏波数据预处理过程中脉搏波模拟处理装置(3)还实现对双路脉搏波信号延时不对称补偿中的硬件延时补偿；步骤3:将预处理后的双路脉搏波信号发送到单片机(5)中，单片机(5)处理器进行初始化后操纵A/D转换器分别对小拇指的脉搏波模拟信号和无名指的脉搏波模拟信号以按预设的时间段切换的方式进行数据采样，数据采样后，单片机(5)处理器启动脉搏波速度测量模块(7)根据小拇指的脉搏波模拟信号的采样均值和无名指的脉搏波模拟信号的采样均值所反映的脉搏波的波形进行识别，即遍历对应的所反映的脉搏波的波形，如果波形连续上升时间在100ms-300ms范围内，则认为对应的脉搏波输入正常； 另外在数据采样过程中，结合双通道光电传感器的第一通道组件与第二通道组件的数据采集的平稳过渡过程，单片机(5)处理器通过判断如果该平稳过渡过程中出现的连续直线的连续时间大于1ms，则将此次数据采样做无效处理； 步骤4:脉搏波速度测量模块(7)根据小拇指的脉搏波模拟信号的采样均值或无名指的脉搏波模拟信号的采样均值所反映的脉搏波的波形根据数据采样过程中的采样率的位数，从采样率的最后一位开始向前顺序去除掉预设的去除位数数量来减小量化误差的影响，脉搏波速度测量模块(7)根据小拇指的脉搏波模拟信号的采样均值或无名指的脉搏波模拟信号的采样均值所反映的脉搏波的波形来确定出小拇指的脉搏波的波形最大值、小拇指的脉搏波的波形最小值、无名指的脉搏波的波形最大值以及无名指的脉搏波的波形最小值，另外脉搏波速度测量模块(7)还对小拇指的脉搏波模拟信号的采样均值和无名指的脉搏波模拟信号的采样均值所反映的脉搏波的波形进行零点调整和波形幅值归一化处理，即脉搏波波形的每一个点减去其最小值点来进行零点调整，而小拇指的脉搏波的幅值和无名指的脉搏波的幅值调整得趋于一致就实现了波形幅值归一化；脉搏波速度测量模块(7)根据脉搏波速度范围为5m/iTl5m/S的条件以及小拇指的测量点和无名指的测量点的距离，导出小拇指的脉搏波和无名指的脉搏波的时间延迟范围，再结合基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置的系统延迟和传感器延迟，预设出待使用的互相关函数法所需要的互相关函数值来减小运算量，这样脉搏波速度测量模块(7)根据所需要的互相关函数值利用互相关函数法导出小拇指的脉搏波和无名指的脉搏波的时间延迟； 步骤5:脉搏波速度测量模块(7)进行双路脉搏波信号延时不对称补偿中的软件延时补偿；接着通过手动测量来获取两个测量点的血管距离差Dg ； 步骤6:脉搏波速度测量模块(7)根据脉搏波速度PWV求解公式(8)导出脉搏波速度PWV生理参数值，公式(8)如下所示: PWV= Bi(8) I 式(8)中PWV为脉搏波速度，脉搏波速度取值范围为5m/iTl5m/S，t为小拇指的脉搏波和无名指的脉搏波的时间延迟。
全文摘要
一种基于光电容积的脉搏波速度生理参数的测量装置及方法，包括第一脉搏波采集通道和第二脉搏波采集通道，第一脉搏波采集通道和第二脉搏波采集通道同脉搏波模拟处理装置相连接，脉搏波模拟处理装置也同单片机相信号连接，单片机同电源模块相电连接，单片机通过无线模块同手持终端相信号连接，单片机还同脉搏波速度测量模块通信连接，单片机即为中央控制处理单元，所述的单片机内部包含有由单片机处理器控制连接的时钟电路、存储器、定时器、A/D转换器以及I/O接口，并结合其测量方法可有效减小延时误差。
文档编号A61B5/02GK103190891SQ201310148670
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月26日 优先权日2013年4月26日
发明者杨刚, 杨文武, 贺志楠, 王雪芳 申请人:西安嵌牛电子科技有限公司