专利名称：基于脉搏波的无创心输出量检测方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过检测生命体的脉搏波得到心输出量CO和心率HR的检测方法及其装置， 属于生物医学工程的人体参数检测技术领域。
背景技术：
满足临床需要的心输出量检测方法应该具有无创、高准确性、低费用的特点。但遗憾的 是传统的心输出量检测方法没有一种能够满足以上所述特点。例如，用于加护病房和外科手 术的热稀释法，尽管相对便宜，但是不能连续操作。由于需要肺动脉导管插入，所以它的安 全性受到质疑，并且由于该方法基于很多假设，所以并不是很准确。较准确的心输出量检测 方法是通过将超声血流探头放置在大动脉上实时测量血流量获取，但是存在着需要开胸测量 的缺陷。 ，、
正当心输出量检测被证明存在不可逾越的困难时，通过分析动脉血压波形估计心输出量 的思路为此提供了一条有效的解决途径。1976年，布尔茹瓦(Bourgeois)等人根据弹性JC:器 模型(Windkessel model)提出利用分析舒张期动脉血压波形估计心输出量的技术，此技术 只能应用在中央大动脉上。但是中央大动脉血压在临床上是很少测量的，而在相对比较容易 检测的外周动脉上舒张期的波形被复杂波反射所干扰，影响了结果的准确性。2006年，木卡 马拉(Mukk卿ala)等人提出通过分析多个心动周期的动脉血压波形来消除复杂波的反射对舒 张期波形的干扰，进而将布尔茹瓦(Bourgeois)等人提出的技术推广到相对比较容易检测的 外洵动脉上。
尽管外周动脉血压波相对容易检测，但还是存在有创的问题。与此同时，动脉脉搏波的 无创检测技术己经比较成熟。由脉搏波的定义可知，脉搏波和血压波之间存在着密切的联系， 这种联系可以从两者的波形相似程度上直观的看出。所以通过分析无创方法检测到的脉搏波 波形来估计心输出量是可行的。这为心输出量的无创检测提供了新的思路。
发明内容
本发明针对现有的心输出量检测方法存在的缺陷，提供一种通过对易于检测的脉搏波波 形进行数学分析获得心-输出量的基于脉搏波的无创心输出量检测方法。同时提供一种基于脉 搏波的无创心输出量检测装置。
本发明的基于脉搏波的无创心输出量检测方法包括以下步骤
(1) 利用脉搏波检测装置得到压力脉搏信号，对压力脉搏信号进行放大和滤波，并分离 经过放大滤波后的交流量和直流量，其中，交流量表示滤波后的脉搏信号，直流量表示与外 部施加压力有关的数值；
(2) 对交流量和直流量进行模数转换，对转换后的数字信号进行重采样；利用脉搏波波 形上的特征点(例如升支起点、峰值点或切迹等)确定心率冊；通过对分离出的直流量进行 标定来确定外部施加压力的大小，以辅助检测者确定最佳施加压力；
(3) 对分离出的交流量利用数学分析方法估计出时间常数r ;
(4) 对脉搏波进行标定，得到平均动脉压M^P
(5) 根据M4尸和r计算心输出量C0。
上述步骤的具体过程是
(1) 利用脉搏波检测装置得到压力脉搏信号；
(2) 对压力脉搏信号进行放大和滤波；
(3) 分离经过放大滤波后的交流量和直流量，其中，交流量表示滤波后的脉搏信号少(f)，
直流量表示与外部施加压力有关的数值；
(4) 对交流量和直流量进行模数转换，对转换后的数字信号进行重采样，得到脉搏波波
形序列J("和与外部施加压力有关的数值；
(5) 利用脉搏波波形上的特征点(例如升支起点、峰值点或切迹等)确定心率HR;
(6) 通过对分离出的直流量进行标定来确定外部施加压力的大小，以辅助检测者确定施 加在检测点的最佳压力；
(7) 根据脉搏波波形序列7(",由脉冲序列构造一个心脏收縮信号;c(yt);脉冲序列中
的每一个脉冲定位在对应的脉搏波上升支起点处，并且脉冲的高度等于其对应的脉搏波幅值 PA， PA定义为脉搏波的峰值减去其上升支起点处的值；
(8)根据x(A)和少(&)估计出一个脉冲响应序列/z(yt)，来表示舒张期脉搏波的纯指数衰 减过程，/z("满足其与:c(A:)的巻积在最小平方意义上是j(A:)的最佳拟合，可按下式计算
<formula>formula see original document page 4</formula>其中，J(/t)是单位脉冲序列，p,，&是对自回归方程<formula>formula see original document page 4</formula>未知参数^,，6j的估计，m和"限制参数的个数(即模型阶数)，^AO是不可测量的残差；
(9) 根据W^中的纯指数衰减段，估计出衰减的时间常数r (即弹性贮器模型中的时间
常数)，其值基于下面的指数式<formula>formula see original document page 4</formula>其中，w("是不可测量的残差，v4是未知参数；
(10) 根据脉搏与血压在数值上的对应关系，对脉搏数值进行标定，得到平均动脉压
(11) 根据弹性贮器模型(Windkessel model),得到
<formula>formula see original document page 4</formula>
其中，M4尸是平均动脉压，2Ti 是外周血管总阻力'JC是大动脉顺应性'T是Windkessel 时间常数，等于r尸i 与^C的乘积，由上式得到与心输出量CO成比例的数值^;
(12)通过黄金指标(例如超声法或热稀释法)对于^d进行校准，得到比例系数，进而
得到真实的心输出量CO。
本发明的基于脉搏波的无创心输出量检测装置采用以下技术解决方案 该检测装置包括脉搏波检测装置、检测电路、心输出量估计装置和显示装置，脉搏波检
测装置与检测电路连接，检测电路与心输出量估计装置连接，心输出量估计装置与显示装置连接。
脉搏波检测装置包括压阻式压力传感器和固定支架，压阻式压力传感器安装在固定支架 上，用于检测脉搏波和施加到检测点的外部压力；固定支架由固定座和滑动块组成，固定座
上设有导轨，滑动块安装在固定座的导轨上，滑动块上部安装有进给螺栓，压力传感器安放 在滑动块上。滑动块带动压力传感器沿固定座导轨水平运动，进给螺栓与压'力传感器相连， 进给齒、栓转动使压力传感器上下运动。压力传感器的水平运动使其准确定位在检测点正上方， 上下运动保证施加在检测点处的外部压力适当。 '
检测电路包括一个初级放大电路、 一个滤波放大电路和一个交直流量分离电路，初级放 大电路与滤波放大电路连接，滤波放大电路与交直流量分离电路连接，用于对检测到的脉搏 波和压力信号进行放大、滤波，并分离经过放大滤波后的交流量和直流量，其中，交流量表 示滤波后的脉搏信号，直流量表示与外部施加压力有关的数值。各电路均采用现有通用电路，
初级放大电路采用高精度放大元件对脉搏波检测装置检测出的差动信号进行初级放大；滤波 放大电路，采用四阶低通放大。
心输出量估计装置用于对检测电路输出的信号进行变换，并根据变换后的信号估计出心 输出量，包括以下六个部分
信号预处理单元，用于对检测电路输出的交流信号和直流信号进行模数转换，对转换后 的数字信号进行重采样；
外部施加压力检测单元，通过对检测电路的交直流量分离电路分离出的直流量进行标定 来确定外部施加压力的大小'，以确定施加在受检者检测点的最佳压力； ' .心率检测单元，利用脉搏波波形上的特征点(例如升支起点、峰值点或切迹等)确定心
率服；
脉搏波波形分析单元，利用数学分析方法估计出时间常数r;
脉搏波标定单元，根据脉搏与血压在数值上的对应关系，通过对检测电路的交直流量分 离电路分离出的交流量进行标定得到平均动脉压M1P ;
心输出量C0计算单元，根据得到的平均动脉压M!P和估计出的时间常数r ，计算得到 与CO成比例的数值，再根据黄金标准对估计得到的与CO成比例的数值进行校准，得到真实 的C0。
显示装置采用显示器，用于实时显示脉搏波波形、外部施加压力数值、心输出量C0、和 心率服。
本发明通过对检测得到的脉搏波波形进行数学分析获得心输出量'实现了无创心输出量 检测。
图1为本发明的基于脉搏波的无创心输出量检测方法的流程图。
图2为脉搏波检测装置示意图。
图3脉搏波检测装置使用状态示意图。
图4为典型的脉搏波图。
图5为弹性贮器模型(Windkessel model )。
图6为本发明的基于脉搏波的无创心输出量检测装置的原理框图。
其中1、传感器，2、支架，3、固定座，4、滑动块，5、卡隼，6a、轴向定位标志， 6b、轴向定位标志，7、径向定位标志，8、进给螺栓，9、挂带柱，10、绷带，11、脉搏波检 测装置，12、受检测者颈部，13、检测电路，14、心输出量估计装置，Ha、信号预处理单元， 14b、外部施加压力检测单元，14c、心率检测单元，14d、脉搏波波形分析单元，14e、脉搏 波标定单元，14f、心输出量CO计算单元，15、显示装置。
具体实施例方式
图1给出了本发明的基于脉搏波的无创心输出量检测方法的流程图。利用如图2所示的 脉搏波检测装置在身体检测部位(如颈部)检测脉搏波，经过一系列处理后转换成数字信号， 再应用数学分析方法对此数字信号进行分析，进而估计出心输出量和心率，图2所示的脉搏 波检测装置包括传感器1和固定支架2,传感器1采用压阻式传感器，固定支架2由固定座3 和滑动块4组成，传感器1固定在滑动块4内，滑动块4两侧分别设有一个卡隼5,按住卡 隼.5可以使滑动块4沿固定座3上的导轨水平方向滑动。在固定座3 —侧设有三个定位标志 轴向定位标志6a和6b，径向定位标志7。检测时，调节支架的位置，使颈动脉轴向与固定座 3上的轴向定位标志6a和6b连线对齐，脉搏波搏动点径向投影对准径向定位标志7。在滑劫 块4的上方设有一进给螺栓8，转动该螺栓可以改变传感器1的探头与受检测者皮肤的接触 压力，固定座3上最外侧设有挂带柱9，其上安装有固定绷带10。该脉搏波检测装置ll被穿 戴在受检者的颈部12上，如图3所示。滑动块4在固定座3导轨上的推拉式定位和通过定位 标志的二次定位技术可以精确定位检测部位的动脉血管；采用进给嫘栓8的旋进加压方式可 对检测部位施加连续、细微变化的外力，并在检测到的脉搏波波形满足要求时将外加压力固 定在此时的数值保持不变。根据脉搏波波形上的特征点(例如升支起点、峰值点或切迹等) 可以确定心率。
图4给出了脉搏波检测装置得到的典型的脉搏波波形。脉搏波为从外周测定的心脏收缩、 舒张所产生的血流脉动，因此这种波形的形状反映了心脏的运动。由于动脉中阻抗的不匹配， 造成舒张期波形被复杂波的反射所干扰，不再呈纯指数衰减。本发明提出的方法通过分析多 个心动周期的脉搏波波形来消除复杂波的反射对舒张期波形的干扰，进而可以利用如图5所 示的弹性贮器模型(Windkessel model)估计出心输出量。
图6给出了的本发明的基于脉搏波的无创心输出量检测装置的原理框图中，该检测装置 包括脉Sm检測装置ll、检测电路13、心输出量估计装置14和显示装置15,各部分依次连 接在一起。检测脉搏波波形和外部施加压力的脉搏波检测装置11的结构如图2所示。
检测电路13用于对检测到的脉搏波和压力信号进行放大、滤波，并分离经过滤波放大后 的交流量和直流量，其中，交流量表示滤波后的脉搏信号，直流量表示与外部施加压力有关 的数值。心输出量估计装置14用于对检测电路输出的信号进行一系列的变换，并根据变换后
的信号估计出心输出量。心输出量估计装置14又包括以下六个部分信号预处理单元14a， 用于对检测电路13输出的交流信号和直流信号进行模数转换，对转换后的数字信号进行重采 样；外部施加压力检测单元14b，通过对交直流量分离电路分离出的直流量进行标定来确定 外部施加压力的大小，以辅助检测者确定施加在检测点的最佳压力；心率检测单元14c，利 用脉搏波波形上的特征点(例如升支起点、峰值点或切迹等)确定心率服；脉搏波波形分析
单元14d,利用数学分析方法估计出时间常数r;脉搏波标定单元14e，根据脉搏与血压在数
值上的对应关系，通过对交直流量分离电路分离出的交流量进行标定来得到平均动脉压
M4尸;.心输出量C0计算单元14f，根据得到的平均动脉压M4尸和估计出的时间常数r，计 算得到与C0成比例的数值，再根据黄金标准将估计得到的与C0成比例的数值进行校准，得 到真实的C0。显示装置15用于实时显示脉搏波波形，实时显示外部施加压力数值、显示心 输出量C0、显示心率HR。
权利要求
1.一种基于脉搏波的无创心输出量检测方法，其特征在于，包括以下步骤(1)利用脉搏波检测装置得到压力脉搏信号，对压力脉搏信号进行放大和滤波，并分离出经过放大滤波后的交流量和直流量，其中，交流量表示滤波后的脉搏信号，直流量表示与外部施加压力有关的数值；(2)对交流量和直流量进行模数转换，对转换后的数字信号进行重采样；利用脉搏波波形上的特征点确定心率HR；通过对分离出的直流量进行标定来确定外部施加压力的大小，以确定受检者检测点的最佳压力；(3)对分离出的交流量利用数学分析方法估计出时间常数τ；(4)对脉搏波进行标定，得到平均动脉压MAP(5)根据MAP和τ计算心输出量CO。
2. —种基于脉搏波的无创心输出量检测装置，其特征在于包括脉搏波检测装置、检测电路、 心输出量估计装置和显示装置，脉搏波检测装置与检测电路连接，检测电路与心输出量估计 装置连接，心输出量估计装置与显示装置连接。
3. 根据权利要求2所述的基于脉搏波的无创心输出量检测装置，其特征在于所述脉搏波检测装置包括压阻式压力传感器和固定支架，压阻式压力传感器安装在固定支架上，固定支架 由固定座和滑动块组成，固定座上设有导轨，滑动块安装在固定座的导轨上，滑动块上部安 装有进给螺栓，压力传感器安放在滑动块上。
4. 根据权利要求2所述的基于脉搏波的无创心输出量检测装置，其特征在于所述检测电路-包括一个初级放大电路、 一个滤波放大电路和一个交直流量分离电路。
5. 根据权利要求2所述的基于脉搏波的无创心输出量检测装置，其特征在于所述心输出量 估计装置包括包括以下六个部分信号预处理单元，用于对检测电路输出的交流信号和直流信号进行模数转换，对转换后 的数字信号进行重采样；外部施加压力检测单元，通过对检测电路的交直流量分离电路分离出的直流量进行标定来确定外部施加压力的大小，以确定施加在受检者捡测点的最佳压力；心率检测单元，利用脉搏波波形上的特征点(例如升支起点、峰值点或切迹等)确定心率HR;脉搏波波形分析单元，利用数学分析方法估计出时间常数r;脉搏波标定单元，根据脉搏与血压在数值上的对应关系，通过对检测电路的交直流量分离电路分离出的交流量进行标定得到平均动脉压雄尸；心输出量CO计算单元，根据得到的平均动脉压M4P和估计出的时间常数r，计算得到 与CO成比例的数值，再根据黄金标准对估计得到的与CO成比例的数值进行校准，得到真实 的C0。
全文摘要
本发明提供了一种基于脉搏波的无创心输出量检测方法和装置。检测方法包括以下步骤(1)对压力脉搏信号进行放大和滤波，并分离出经过放大滤波后的交流量和直流量；(2)对交流量和直流量进行模数转换，对转换后的数字信号进行重采样；利用脉搏波波形上的特征点确定心率；通过对分离出的直流量进行标定来确定外部施加压力的大小；(3)对分离出的交流量利用数学分析方法估计出时间常数τ；(4)对脉搏波进行标定，得到平均动脉压MAP；(5)根据MAP和τ计算心输出量。检测装置包括脉搏波检测装置、检测电路、心输出量估计装置和显示装置。本发明通过对无创检测到的脉搏波波形进行数学分析获得心输出量，实现了无创心输出量检测。
文档编号A61B5/029GK101176663SQ20071011514
公开日2008年5月14日 申请日期2007年12月6日 优先权日2007年12月6日
发明者刘常春, 刘澄玉, 欣 孙, 朱其刚, 李远洋, 王新沛 申请人:山东大学