本发明涉及基于容积脉搏波梯度变化的血压检测装置及方法。
背景技术：
目前，我国大约有2.9亿心血管病患者，其中2.7亿为高血压患者。由此可见，心血管疾病的首要危险因素是高血压。高血压不仅会导致心脑血管疾病的发生，还会使高血压患者产生焦虑、恐惧、抑郁等心理问题。因此，在日常生活中检测及监测血压的变化情况非常重要。
间歇式无创血压检测法主要包括柯氏音法、示波法和容积振动法。采用柯氏音法检测原理的代表性检测装置是水银血压计，它是无创血压测量的“金标准”，但一般需专业人士操作，且易引入主观误差，在日益广泛的家庭日常医疗监测尤其是血压监测中带来一定困难，测量操作要求高，稳定性差。
目前市场上的电子血压计大都采用压力示波法，一般通过波形特征法和幅度系数法计算收缩压和舒张压，并且经过不断的研究，相继提出了各种改进算法及新的算法。但这些算法都是各生产厂家在大量实验的基础上通过概率统计推算出的，无统一的计算标准，检测原理不够明晰，所以测量结果离散性大，稳定性差。
容积振动法是利用血管的非线性力学特性形成的，并且规定当容积脉搏波的振幅是容积脉搏波中最大振幅的1/4～1/8时，该处所对应的袖带压力为收缩压，容积脉搏波最大振幅处所对应的袖带压力为血管内血流的平均压力。这种方法原理清晰也已得到认可，但它无法直接测出舒张压，只能利用血流的压力波与容积脉搏波的相似性原理，间接计算出舒张压，测量结果准确率低。而且，在计算容积脉搏波的振幅与容积脉搏波中最大振幅的比值时会带来一定的误差，测量结果受检测条件影响大，稳定性差。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有测量方法无法直接测出舒张压以及测量结果准确率低，稳定性差的问题，而提出一种基于容积脉搏波梯度变化的血压检测装置及方法。
一种基于容积脉搏波梯度变化的血压检测装置包括：压力传感器、信号处理器、a/d转换器、控制单元、显示装置、放大滤波器、光电容积传感器、微型气泵、袖带、电空变换器；
微型气泵的输出气流端连接电空变换器的气流输入端，电空变换器的气流输出端连接袖带的气流输入端，微型气泵通过电空变换器为袖带供气，压力传感器的气流接收端连接袖带，袖带内压力由压力传感器检出并转换成袖带压力信号，压力传感器的信号输出端连接信号处理电路的接收端，袖带压力信号经信号处理电路的输出端送到a/d转换器的接收端；
光电容积传感器设置于袖带的内侧，用于测量手腕部位桡动脉的光电容积信号，光电容积传感器将测到的光电容积信号传递给放大滤波器的接收端，得到容积脉搏波信号，容积脉搏波信号经放大滤波器的输出端送入到a/d转换器的接收端；
袖带压力信号和容积脉搏波信号转换后经a/d转换器的输出端送入到控制单元的接收端，容积脉搏波信号和袖带压力信号经控制单元的输出端送入到显示装置进行显示。
一种基于容积脉搏波梯度变化的血压检测方法具体过程为：
步骤一、将基于容积脉搏波梯度变化的血压检测装置的袖带固定于人体待检测手腕处，将袖带与待检测手腕部位的皮肤表面接触，通过粘带将血压检测装置的袖带固定于待检测手腕部位的皮肤表面；
步骤二、微型气泵的输出气流端连接电空变换器的气流输入端，电空变换器的气流输出端连接袖带的气流输入端，微型气泵通过电空变换器为袖带供气，电空变换器通过调节自身电磁阀开口的大小控制微型气泵进入到袖带内的空气量；
压力传感器的气流接收端连接袖带，袖带内压力由压力传感器检出并转换成袖带压力信号，压力传感器的信号输出端连接信号处理电路的接收端，信号处理电路对袖带压力信号进行滤波、去噪，将滤波、去噪后的袖带压力信号经信号处理电路的输出端送到a/d转换器的接收端；
袖带压力信号转换后经a/d转换器的输出端送入到控制单元的接收端，控制单元对袖带压力信号进行数据的处理、记录与存储，控制单元计算出进入袖带的空气量的袖带压力信号，控制电空变换器电磁阀的开口，使进入袖带的空气量以规定的匀速速率给袖带加压；
步骤三、光电容积传感器设置于袖带的内侧，并通过袖带压在手腕处桡动脉的正上方皮肤表面，用于测量手腕部位桡动脉的光电容积信号，光电容积传感器将测到的光电容积信号传递给放大滤波器的接收端，放大滤波器对光电容积信号进行放大、滤波处理得到光电容积交流部分的信号pgac，即光电容积脉搏波信号；
步骤四、容积脉搏波信号经放大滤波器的输出端送入到a/d转换器的接收端；光电容积脉搏波信号转换后经a/d转换器的输出端送入到控制单元的接收端，控制单元对光电容积脉搏波信号和袖带压力信号进行数据的处理、记录与存储，找到光电容积脉搏波的最大振幅点m，计算出m点前相邻波形波谷的振幅梯度和m点后相邻波形波峰的振幅梯度；波谷的振幅梯度最大点对应的袖带压力为舒张压；波峰的振幅梯度最大点所对应的袖带压力为收缩压；
步骤五、当袖带压力达到规定的压力，电空变换器的电磁阀阀口完全打开，袖带放气，检测结束，将步骤四得到的舒张压和收缩压经控制单元的输出端送入到显示装置进行显示。
本发明的有益效果为：
本发明依据血管壁的非线性力学特性，即血管壁在外部给与不同压力时其变形刚度不同，而且处于非线性状态，当血管内部压力与外部所加压力相等时，血管壁最为柔软，即最易变形的特性，提出了基于容积脉搏波梯度变化的血压检测法。人体从心脏左心室泵到大动脉血管中的血液是呈较稳定的波动状态，形成压力波。而血压检测时需通过袖带从外部由低到高或由高到低给血管加压，当袖带压力正好与压力波的波峰或波谷瞬时相等时，血管在波峰或波谷处的变形最大，而与压力波的波峰或波谷不相等时，血管在波峰或波谷处的变形相对较小。这种压力波的波峰与波谷所对应的血管变形的差异可以通过观察血管容积脉搏波的振幅大小来实现。本发明中两个相邻容积脉搏波的振幅差被定义为容积脉搏波的梯度。波谷的最大梯度处所对应的袖带压力为舒张压，波峰的最大梯度处所对应的袖带压力为收缩压。解决了电子血压计的测量结果准确率低，稳定性差的问题，提高了测量结果的准确率和稳定性，而且可直接测出收缩压和舒张压；便于实现家庭医疗检测和监测。该方法与水银式血压计结果相比，测量结果准确率高，稳定性好，检测误差在5％以内；与容积振动法相比，测量结果准确率高，稳定性好，检测精度可提高5％以上，而且可直接测出收缩压和舒张压；与市场上销售的电子血压计相比，测量结果准确率高，稳定性好。
附图说明
图1为血管壁变形能力与血管内外压差的关系图；
图2为匀速加压过程中袖带压力与血管脉压的变化图，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为压力，单位为mmhg，a为波谷，b为波峰，m为光电容积脉搏波的最大振幅点；
图3为匀速加压过程中光电容积脉搏波的变化图，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为电压，单位为v；
图4为容积脉搏波波谷梯度图，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为电压，单位为v；
图5为容积脉搏波波峰梯度图，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为电压，单位为v；
图6为基于容积脉搏波梯度变化的血压检测装置图；
图7为实施例中袖带压力信号和容积脉搏波信号图，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为电压信号，单位为v,pgac为血管光电容积交流部分的信号，pressure为压力信号；
图8为振幅最大点前相邻波形波谷的振幅梯度图，横坐标为波谷位置，纵坐标为振幅梯度，用电压差表示，单位为v；
图9为振幅最大点后相邻波形波峰的振幅梯度图，横坐标为波峰位置，纵坐标为振幅梯度，用电压差表示，单位为v。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种基于容积脉搏波梯度变化的血压检测装置包括：压力传感器1、信号处理器2、a/d转换器3、控制单元4、显示装置5、放大滤波器6、光电容积传感器7、微型气泵8、袖带9、电空变换器10；
微型气泵8的输出气流端连接电空变换器10的气流输入端，电空变换器10的气流输出端连接袖带9的气流输入端，微型气泵8通过电空变换器10为袖带9供气，电空变换器10通过调节自身电磁阀开口的大小控制微型气泵8进入到袖带9内的空气量，压力传感器1的气流接收端连接袖带9，袖带9内压力由压力传感器1检出并转换成袖带压力信号(简称：电信号)，压力传感器1的信号输出端连接信号处理电路2的接收端，信号处理电路2对袖带压力信号进行滤波、去噪，将滤波、去噪后的袖带压力信号经信号处理电路2的输出端送到a/d转换器3的接收端；
光电容积传感器7设置于袖带9的内侧，用于测量手腕部位桡动脉的光电容积信号，光电容积传感器7将测到的光电容积信号传递给放大滤波器6的接收端，放大滤波器6对光电容积信号进行放大、滤波处理，得到容积脉搏波信号，容积脉搏波信号经放大滤波器6的输出端送入到a/d转换器3的接收端；
袖带压力信号和容积脉搏波信号转换后经a/d转换器3的输出端送入到控制单元4的接收端，控制单元4对容积脉搏波信号和袖带压力信号进行数据的处理、记录与存储，经控制单元4的输出端送入到显示装置5进行显示。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述光电容积传感器7包括一个led和一个pd。
led作为光源，pd作为接收器。光源为近红外光，光电二极管的感光中心波长与光源相同。将pd接收到的光电容积信号，通过放大、滤波处理得到光电容积交流部分的信号pgac，即容积脉搏波信号。
所述led为发光二极管，pd为光电二极管。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述控制单元4为pic单机片。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述控制单元4的输出端口分别连接微型气泵8的输入端和电空变换器10的输入端，控制微型气泵8和电空变换器10的电能输入，用于控制袖带9内的空气量。
压力传感器1型号为adp5131，日本松下公司产。
光电容积传感器1中的发光二极管型号为el302，韩国工电公司产；
光电容积传感器1中的光电二极管型号为hpi-2464r5，韩国工电公司产。
微型气泵8型号为p22d03r，日本应研精工公司产。
电空变换器10型号为vso，美国parkerhannifin公司产。
具体实施方式五：本实施方式的一种基于容积脉搏波梯度变化的血压检测装置的方法具体过程为：
本发明中所涉及的依据血管壁的非线性力学特性，基于容积脉搏波梯度变化的血压检测法的原理是：血管壁的力学性质取决于血管壁中层的胶原纤维和弹性纤维，它的非线性力学特性可用血管内外压差与血管容积的变化来表示。如图1所示，横坐标为血管内外压差，纵坐标为血管内容积变化，图中由右向左是袖带压力增加的方向。显然，来自心脏的脉压δp是近似不变的。当血管内外压差较大时，胶原纤维在受力方面起主要作用，血管不易变形，相应的血管内容积的变化δv较小。当血管内外压差δp接近零即在纵轴附近时，弹性纤维在受力方面起主要作用，其中，当袖带压力正好等于血管内平均压力、血管内外压差等于零时，血管最易变形，δv出现最大值。
袖带加压过程中袖带压力与血管内脉压的关系如图2所示。光电容积脉搏波的变化如图3所示。由图2所知，在袖带加压过程中，袖带压力与脉压波谷的最接近点以及袖带压力与脉压波峰的最接近点分别只出现一次，也表明袖带压力与脉压波谷的瞬时压力最接近值以及袖带压力与脉压波峰的瞬时压力最接近值也分别只出现一次，除此之外，没有其它的脉压波谷以及脉压波峰的瞬时压力值与袖带压力值最接近。
根据前述的血管壁非线性力学特性，当血管壁内外压差相等时血管壁最软也最易变形，由此推论，在袖带加压过程中只有袖带压力与脉压波谷的最接近点以及袖带压力与脉压波峰的最接近点，其光电容积脉搏波的振幅变化最大。将光电容积脉搏波相邻波形的振幅变化计算出来，并考虑如图3所示光电容积脉搏波的整体变化趋势，分别做出光电容积脉搏波波谷的梯度变化和波峰的梯度变化，可得到图4和图5所示的容积脉搏波波谷梯度变化图和波峰梯度变化图。其中，图4中的a点所对应的袖带压力就是图2中压力波a点的压力，即舒张压；图5中的b点所对应的袖带压力就是图2中压力波b点的压力，即收缩压。
步骤一、将基于容积脉搏波梯度变化的血压检测装置的袖带9固定于人体待检测手腕处，将袖带9与待检测手腕部位的皮肤表面接触，通过粘带将血压检测装置的袖带9固定于待检测手腕部位的皮肤表面；
步骤二、微型气泵8的输出气流端连接电空变换器10的气流输入端，电空变换器10的气流输出端连接袖带9的气流输入端，微型气泵8通过电空变换器10为袖带9供气，电空变换器10通过调节自身电磁阀开口的大小控制微型气泵8进入到袖带9内的空气量；
压力传感器1的气流接收端连接袖带9，袖带9内压力由压力传感器1检出并转换成袖带压力信号(简称：电信号)，压力传感器1的信号输出端连接信号处理电路2的接收端，信号处理电路2对袖带压力信号进行滤波、去噪，将滤波、去噪后的袖带压力信号经信号处理电路2的输出端送到a/d转换器3的接收端；
袖带压力信号转换后经a/d转换器3的输出端送入到控制单元4的接收端，控制单元(4)对袖带压力信号进行数据的处理、记录与存储，控制单元4计算出进入袖带9的空气量的袖带压力信号，控制电空变换器10电磁阀的开口，使进入袖带9的空气量以规定的匀速速率给袖带9加压；
步骤三、光电容积传感器7设置于袖带9的内侧，并通过袖带9压在手腕处桡动脉的正上方皮肤表面，用于测量手腕部位桡动脉的光电容积信号，光电容积传感器7将测到的光电容积信号传递给放大滤波器6的接收端，放大滤波器6对光电容积信号进行放大、滤波处理得到光电容积交流部分的信号pgac，即光电容积脉搏波信号；
步骤四、容积脉搏波信号经放大滤波器6的输出端送入到a/d转换器3的接收端；光电容积脉搏波信号转换后经a/d转换器3的输出端送入到控制单元4的接收端，控制单元4对光电容积脉搏波信号和袖带压力信号进行数据的处理、记录与存储，找到光电容积脉搏波的最大振幅点m(图3m点)，计算出m点前相邻波形波谷的振幅梯度和m点后相邻波形波峰的振幅梯度；波谷的振幅梯度最大点对应的袖带压力为舒张压；波峰的振幅梯度最大点所对应的袖带压力为收缩压；
步骤五、当袖带9压力达到规定的压力，电空变换器9的电磁阀阀口完全打开，袖带9放气，检测结束，将步骤四得到的舒张压和收缩压经控制单元4的输出端送入到显示装置5进行显示。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述步骤二中规定的匀速速率为3～5mmhg/s。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：所述步骤五中规定的压力为200mmhg。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六至七之一不同的是：所述电空变换器10通过调节自身电磁阀开口的大小控制微型气泵8进入到袖带9内的空气量。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：所述光电二极管pd的感光中心波长与发光二极管led的波长相同。
所述光电容积传感器7包括一个led和一个pd；
所述led为一个发光二极管，pd为光电二极管。
led作为光源，pd作为接收器；光源为近红外光，pd的感光中心波长与led的波长相同；将pd接收到的光电容积信号，通过放大、滤波处理得到光电容积交流部分的信号pgac，即容积脉搏波信号。
检测系统的组成如图6所示。该系统主要由四部分组成，即：
(1)加压装置及压力调节系统；由微型气泵、电空变换器和压力传感器组成
(2)光电容积检出系统；由光电传感装置组成，包括一个发光二极管(led)和一个光电二极管(pd)。
(3)数据采集与处理系统；由信号处理电路、放大滤波电路、a/d转换器和控制单元组成
(4)基于容积脉搏波梯度变化的血压检测数据分析与计算。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种基于容积脉搏波梯度变化的血压检测装置及方法具体是按照以下步骤制备的：
下面采用以下实施例验证本发明的有益效果：
步骤一，将袖带用医用粘带固定于手腕处，光电传感装置位于袖带内侧桡动脉正上方，距离手腕边界20～30mm；
步骤二，打开电源，由微型气泵、电空变换器和压力传感器组成的加压装置和压力调节系统工作，以3～5mmhg/s的匀速速率给袖带加压；
步骤三，光电传感装置工作，将袖带加压过程中血管光电容积交流部分的信号pgac，即容积脉搏波信号检出；
步骤四，由压力传感器检测到的袖带压力信号和由光电传感装置检测到的容积脉搏波信号通过电子回路滤波、放大处理并经a/d转换后送到控制单元，记录袖带压力信号和容积脉搏波信号，如图7所示；
步骤五，控制单元对容积脉搏波信号分析处理，找到容积脉搏波信号的振幅最大点，并计算振幅最大点前相邻波形波谷的振幅梯度和振幅最大点后相邻波形波峰的振幅梯度，如图8、图9所示，得到波谷的振幅梯度最大点对应的袖带压力信号和波峰的振幅梯度最大点所对应的袖带压力信号，确定波谷的振幅梯度最大点对应的袖带压力信号就是舒张压信号，波峰的振幅梯度最大点所对应的袖带压力信号就是收缩压信号，将袖带压力信号转换成压力信号，就可得到桡动脉的收缩压和舒张压。
实验准确找到了波谷的振幅梯度最大点和波峰的振幅梯度最大点及其所对应的袖带压力信号。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。