一种基于光电容积脉搏信号的压力脉搏波波形传播预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种基于光电容积脉搏波预测各部位压 力脉搏波波形的方法。
【背景技术】：
[0002] 脉搏波中蕴含着丰富的血流动力学信息。历来作为临床诊断和治疗的依据，大量 的临床实测结果证实，脉搏波的特征与心血管生理状态有着密切的关系。脉搏波所表现出 来的形态（波的形状）、强度（波的幅值）、速率（波的速度）与节律（波的周期）等方面 的综合信息在相当程度上反映出人体心血管系统的许多生理和病理特征。
[0003] 在采集原理方面，目前脉搏波的采集方式主要有使用压力传感器的压力脉搏波采 集或使用光电传感器的光电容积脉搏波采集。动脉内压力脉搏波已得到了较全面的分析研 宄，流体力学模型较为明确，对应的血流动力学特性及心血管生理意义应用亦较为广泛。然 而，人体压力脉搏波的采集极易受到采集位置等多方面干扰，所需操作技能要求较高，且缺 乏可重复性，不便于连续检测。光电容积脉搏波指端采集具有较好的稳定性及重复性，但其 对心血管功能判断的准确性较已研宄较为完善的压力脉搏波欠佳。
【发明内容】
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[0004] 现有的技术方案主要利用采集部位光电容积信号及对应目标部位压力脉搏波信 号的功率谱分析建立的传递函数等非生理参数模型，并主要关注于指端容积脉搏信号及桡 动脉压力脉搏信号。由于脉搏信号的个体差异性较大，上述装置在大规模应用时稳定性较 差，功能较为单一，且所建立模型本身无生理意义，不利于对模型的修正与改进。
[0005] 为解决上述问题，本发明分别提出了一种基于脉搏波生理特征的容积脉搏信号和 压力脉搏信号的波形含参表达式，并利用先验统计规律建立采集部位光电容积脉搏波表达 式参数与对应目标部位压力脉搏波形表达式参数间的回归方程组。从而实现将输入的光电 容积脉搏信号转换为目标部位的压力脉搏波信号。波形拟合的方法具有较好的稳定性，回 归方程组具有较明确的生理意义，方便针对不同生理状态进行微调与改进。由此可以解决 现有技术中预测波形稳定性差，及模型无法修正的问题。
[0006] 为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种基于光电容积脉搏信号的压 力脉搏波传播预测装置，其特征在于：包括信号输入调理模块，波形拟合模块，波形转换模 块，波形合成模块及输出模块。
[0007] 所述波形输入模块接收自人体某一部位实测的时域光电容积脉搏信号。
[0008] 所述信号调理模块，对输入的时域光电容积脉搏信号进行预处理，利用现有技术 将其分解为对应单一心动周期的单拍信号，对每一单拍信号的幅值与波长进行归一化处 理。
[0009] 所述波形拟合模块接收归一化后的单拍脉搏信号，并利用给定的波形含参表达式 A应用曲线拟合算法对其进行拟合，波形的含参表达式由分别代表脉搏波波形主波、重搏 波、反射波的含参表达式相加确定，拟合所得解析表达式各项参数向量为I1，作为波形特征 参数向量。
[0010] 光电容积脉搏信号的含参表达式为：
【主权项】
1. 一种基于光电容积脉搏信号的压力脉搏波波形传播预测方法，其特征在于：包括波 形输入模块，信号调理模块，波形拟合模块，波形转换模块，及波形输出模块； 所述波形输入模块接收自人体某一部位实测的时域光电容积脉搏信号； 所述信号调理模块，对输入的时域光电容积脉搏信号进行预处理，将其分解为对应单 一心动周期的单拍信号，对每一单拍信号的幅值与波长进行归一化处理； 所述波形拟合模块接收归一化后的单拍脉搏信号，并利用给定的波形含参表达式4应 用曲线拟合算法对其进行拟合，波形的含参表达式由分别代表脉搏波波形主波、重搏波、反 射波的含参表达式相加确定，拟合所得解析表达式各项参数向量为I 1，作为波形特征参数 向量； 光电容积脉搏信号的含参表达式为：
其中，Hin，bin，Win为参数，t为自变量，表示采样点数；表达式中η = 1，2,3的部分分别 对应脉搏波波形的主波、反射波、重搏波波形；其中，Hin表示波动的幅值，b in表示波动的中 心位置，Win波动的宽度； 曲线拟合过程算法采用最小二乘算法，并根据各波动生理意义对各项参数范围进行限 定，之后设定拟合初始条件Hn>Hi2>Hi3, bn〈bi2〈bi3，Win>0 ;拟合确定的特征参数向量^为： I1= [H n, Hi2, Hi3, bn,bi2, ^3lWil, ffi2, WJ 在上述波形含参表达式条件下，拟合效果主要取决于脉搏波采集受到的干扰程度，故 以拟合确定系数R2作为波形质量判别的定量化标准；拟合确定系数R2是常用的判断两曲线 相似程度的计算方法；R 2作为采集质量判别参数，对应R2小于一定值的单拍波形认为采集 质量差并予以舍弃； R2计算公式如下：
其中，?分别表示实测光电容积脉搏数据点、实测光电容积脉搏数据平均值及 数据点拟合期望值，Pl为单波数据点个数； 所述波形转换模块，根据被测者性别、年龄、平均动脉压指标进行分组，并根据对应分 组下光电容积脉搏波实测部位与所需预测压力脉搏波部位波形特征参数间的先验统计规 律，利用实测光电容积脉搏波特征参数计算预测对应部位压力脉搏波波形特征参数； 上述对应分类下光电容积脉搏波实测部位与所需预测压力脉搏波部位波形特征参数 间的先验统计规律建立方法如下： (1)首先，将参与实验的人群按照性别、年龄、平均动脉压进行分组，其中年龄以20岁 为起始，5岁为间隔；平均动脉压以70mmHg为起始，IOmmHg为间隔；对参与实验的人群进行 分组；分别对上述各组实验人群同时检测耳部、手指端、脚趾端处光电容积脉搏波，并利用 压力传感器检测桡动脉、肱动脉、颈动脉处压力脉搏波信号；从而获得不同人群特征的实测 压力脉搏波及光电容积脉搏波信号； (2) 之后建立实测光电容积脉搏波与实测目标部位压力脉搏波波形特征参数间的统计 学关系；与上述光电容积脉搏波特征提取方式相似，为提取压力脉搏波波形特征参数，利用 压力脉搏波表达式对实测压力脉搏波波形进行拟合，压力脉搏波含参表达式为：
表达式参数及定义域均与A相同；拟合过程算法采用最小二乘算法，并根据各波动生 理意义对各项参数范围进行限定，之后设定拟合初始条件Wm>0 ; 其特征参数向量为Iq= [Η ^氏2, Η# k，L，h，Wt5l, 1。2, WJ (3) 对不同分组不同部位的实测波形分别利用fVSf ^对实测的光电容积脉搏波波形 及压力脉搏波波形采用波形拟合模块进行拟合，获得对应实测各光电容积脉搏信号的^及 压力脉搏信号的I。向量；对于每一部位压力脉搏信号I。向量每项参数，建立对应不同分组 的同时采集的光电容积脉搏信号特征参数向量的多元线性回归方程，BP : H01= TMnXHn+TM12XHi2+......+TM 19 X WiJCM1 H02= TM21XHn+TM22XHi2+......+TM 29X Wi3+CM2 H03=TM31XHi^TM32XHi2+......+TM 39X Wi3+CM3 b0l = TM 41X Ηη+ΤΜ42 X Hi2+......+TM49 X Wi3+CM4 bo2=TM51XHn+TM52XHi2+......+TM 59XWi3+CM5 bo3=TM61XHn+TM62XHi2+......+TM 69XWi3+CM6 W01 = TM 71X Ηη+ΤΜ72 X Hi2+......+TM79 X Wi3+CM7 W02= TM81XHn+TM82XHi2+......+TM 89 X Wi3+CM8 ffo3=TM91XHn+TM92XH i2+......+TM99XWi3+CM9 TM及CM各项系数由多元线性回归方程确定；整理Itj各项参数建立方程组，整理系数矩 阵及常数矩阵，得TM及CM，其中，TM为9阶方阵，CM为9元素列向量； 根据上述利用先验概率所得TM及CM矩阵，在应用过程中，利用采集部位的波形特征参 数向量^计算目标部位的特征参数向量I M根据所测光电容积脉搏波，提取其特征I :，则得 目标部位特征向量为： I0= TMXI !+CM 之后将获得的目标部位特征参数向量L代入对应部位的压力脉搏波含参表达式f V得 到对应的压力脉搏波解析表达式；完成波形转换； 所述波形输出模块，将上述波形合成模块的结果及目标部位特征参数向量^按要求形 式输出。
【专利摘要】一种基于光电容积脉搏信号的压力脉搏波波形传播预测装置，其特征在于：包括波形输入模块，波形调理模块，波形拟合模块，波形转换模块，及波形输出模块。其中：波形调理模块包括预处理电路，单拍分离器及归一化电路，波形拟合模块包含拟合函数设定器，波形拟合器及波形质量判别器，波形转换模块包括部位设定器，目标函数设定器，特征人群设定器，参数转换器及波形合成器。该装置可利用人体各部位光电容积脉搏信号根据生理学统计规律预测具有人体各部位压力脉搏波波形信号，该装置的使用范围、预测效果及稳定性都较现有装置有一定提高。
【IPC分类】A61B5-0265
【公开号】CN104644151
【申请号】CN201510051739
【发明人】张松, 顾冠雄, 杨琳, 杨益民, 李旭雯, 杨星星, 王薇薇
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月1日