基于手指动脉波的无创血压检测系统及方法与流程

本发明属于人体健康监护领域，具体为一种基于手指动脉波的无创血压检测系统及方法。

背景技术：

近年来，随着科技进步以及生活水平的不断提高，人们的生活方式和饮食结构都发生了巨大变化，导致了心血管疾病在我国呈逐年上升的趋势。血压作为重要的人体生理参数之一，能够反映人体心血管功能状况，在医学研究、疾病诊断、预后判断等方面具有重要意义。

目前测量血压的方法大体分为两种：有创测量和无创测量。

有创测量是通过将带有压力传感器的导管直接插入病人动脉血管以检测其血压变化，由于临床上先进医疗器械的使用，使得侵入式的血压检测方式逐步被更加人性化、更贴近生活和更先进的非侵入式血压检测方法所代替，在日常诊断中几乎不会被使用。

无创测量又分为间歇式测量和连续式测量。间歇式测量法采用传统的柯式音法或示波法来获取某一特定时刻的血压值，但是单次测量因为易受到环境条件、身体状况等诸多因素的影响，从而产生较大误差，不能完全满足临床的需求，且测量要通过袖带的充放气进行，容易引起被测者不适。无创连续式测量方法能够连续测得每搏血压值且能够长时间监测血压波形的变化，为疾病诊断治疗提供更为丰富的依据，因此在临床监护和连续监测血压变化方面具有传统方法无可比拟的优势，是今后血压测量方法的发展趋势。

无创连续式血压测量方法中，目前较为成熟的是容积补偿法和动脉张力法。这两种方法同样需要在血压测量过程中使用袖带，长时间测量容易导致静脉充血从而影响精度，也会使被测者感到不适。而新兴的通过分析心电信号和光电容积脉搏波描记信号求得脉搏波传导时间，进而求得血压的测量方式，由于要测量心电信号会使得装置整体结构复杂，不便使用，因此不利于血压计的便携以及美观设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于手指动脉波的无创血压检测系统及方法，该系统及方法操作方便、使用舒适、便携性高，能够满足日常血压监护需求。

为了实现上述目的，本发明基于手指动脉波的无创血压检测系统包括：

同时采集同一根手指动脉前后两点光电容积脉搏波信号的两个光电容脉搏波传感器；

用于对采集到的两路光电容积脉搏波信号进行放大的滤波放大电路；

用于对两路光电容积脉搏波信号进行AD转换并把对应特征点进行位置标记，以及计算两路波的波形特征点时间差得到脉搏波传导时间，依据血压的变化和脉搏波传导时间成正比的关系建立线性方程，将所得脉搏波的传导时间和经过血压计得到的血压数据带入线性方程，标定个性化待定参数，并计算得到被测试者血压的微处理器主控电路；

用于将被测试者实时血压信息传送到云平台进行存储的移动通信模块；

用于对两个光电容脉搏波传感器、滤波放大电路、微处理器主控电路以及移动通信模块进行供电的电池模块。

两个光电容脉搏波传感器分别沿动脉贴放在被测试者同一根手指的指尖及指根分枝处。

所述的两个光电容脉搏波传感器包括用于获取实时脉搏波信号的光源和光接收器，光源采用峰值波长为500nm～600nm的绿光，光接收器接收峰值波长为530nm～600nm。

所述的滤波放大电路集成在光电容脉搏波传感器上，连接光接收器的输出端；所述的微处理器主控电路、移动通信模块及电池模块集成于一体固定在手腕处。

所述的滤波放大电路采用分压电阻设置直流偏置电压为电源电压的1/2。

所述的移动通信模块采用兼具GPS、GSM、GPRS功能的集成模块。

所述的电池模块连接能够实现450mV压降的电压调节器，并且有过压保护功能。

本发明基于手指动脉波的无创血压检测方法，包括以下步骤：

1)同时采集同一根手指动脉前后两点的光电容积脉搏波信号；

2)对采集到的两路光电容积脉搏波信号进行滤波放大；

3)对两路光电容积脉搏波信号进行AD转换并把对应特征点进行位置标记，计算两路波的波形特征点时间差得到脉搏波传导时间，根据托马斯·杨和莫恩斯波速公式得出的血压和脉搏波传导时间之间的近似关系式：BP＝a+b*PTT；式中，PTT为脉搏波传导时间，BP为血压，a、b表示血压和脉搏波传导时间之间关系的个性化待定参数；

4)将所得脉搏波的传导时间和经过血压计得到的血压数据带入线性方程，标定个性化待定参数，将新的脉搏波传导时间代入确定参数后的线性方程中计算得到被测试者的血压；

5)通过移动通信模块将被测试者实时血压信息传送到云平台进行存储。

所述步骤3)采用中值滤波对AD转换后的两路光电容积脉搏波信号去除高频噪声干扰。

所述步骤4)个性化待定参数在标定时通过多组实验求取平均值。

与现有技术相比，由于人体皮肤、肌肉、组织等对光的吸收在整个血液循环中是恒定不变的，而皮肤内的动脉血液容积在心脏作用下呈搏动变化。当心脏收缩时外周血容积量最多，光吸收量最大，检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，这就使光吸收器接收到的光强度呈脉动性变化。将此光强度变化信号转换成电信号，便能够利用人体指动脉波动时造成反射光率的不同来获取脉搏波的波形。本发明基于手指动脉波的无创血压检测系统通过同时采集同一根手指动脉前后两点光电容积脉搏波信号，进而获取脉搏波传导时间差，并利用脉搏波传导时间差和血压之间的线性关系求得血压值，最终将被测试者实时血压信息通过移动通信模块传送到云平台进行存储，方便手机等通信设备查询。本发明在测量过程中取代了使用袖带束缚压迫被测试者手臂，检测过程更加舒适，采用可穿戴式设计，操作简单，并且整体设计轻便小巧、方便携带，具有较高的可行性。

进一步的，由于存在所监测的脉搏波离心脏越远，则脉搏波传导时间和动脉血压之间相关性越大的趋势，本发明将两个光电容脉搏波传感器分别沿动脉贴放在被测试者同一根手指的指尖以及指根分枝处，计算得到被测试者的血压更加准确。

进一步的，本发明光电容脉搏波传感器包括用于获取实时脉搏波信号的光源和光接收器，光源采用峰值波长为500nm～600nm的绿光，光接收器接收峰值波长为530nm～600nm。两者的峰值波长相近，灵敏度较高。由于脉搏信号的频带一般在0.05Hz～200Hz之间，信号幅度很小，通常在毫伏级水平，容易受到各种信号干扰，通过滤波放大电路将信号进行放大，并采用分压电阻设置直流偏置电压为电源电压的1/2，使放大后的信号容易被AD采集。

与现有技术相比，本发明基于手指动脉波的无创血压检测方法实现了血压连续测量，对比传统基于柯氏音或示波法的袖带式血压测量方法，避免了单次测量易受到环境条件、身体状况等诸多因素的影响，较好地满足了监护设备的实时性要求。相较于连续血压测量方法中的容积补偿法和动脉张力法，本发明采用光电容脉搏波传感器，在测量过程中不再使用袖带束缚被测试者，使检测过程变得更加舒适。对于被测试者来说，通过测量手指动脉信息以检测血压的过程操作方便，无需脱掉衣服，并且不用压迫到被测者的手臂。此外，本发明选择同一根手指侧动脉的不同两点作为测试点，既避免了动脉信息采集时，血管状态改变对脉搏波信号的影响，又舍弃了心电信号检测，操作比较简单，最终将被测试者实时血压信息上传至云平台，方便监护人员或被测者实时通过手机等设备查看血压信息及后续的宏观数据分析。

附图说明

图1本发明基于手指动脉波的无创血压检测系统结构框图；

图2本发明信号分析处理的工作流程图；

图3脉搏波传导时间的分析曲线图；

具体实施方式

参见图1，本发明基于手指动脉波的无创血压检测系统包括两个光电容脉搏波传感器1、滤波放大电路、微处理器主控电路2、云平台3、移动通信模块4以及电池模块5。

光电容脉搏波传感器1包括光源和光接收器，用于获取实时脉搏波信号。光源采用峰值波长为515nm的绿光，而光接收器的接收峰值波长为565nm，两者的峰值波长相近，灵敏度较高。此外，由于脉搏信号的频带一般在0.05Hz～200Hz之间，信号幅度很小，一般在毫伏级水平，容易受到各种信号干扰。因此在接收器后面使用了低通滤波器和由运算放大器构成的滤波放大电路，将信号放大了300～350倍，同时采用分压电阻设置直流偏置电压为电源电压的1/2，使放大后的信号能够很好地被微处理器主控电路2上的AD模块采集到。

微处理器主控电路2根据获取的两路脉搏波波形计算脉搏波的传导时间，并根据脉搏波传导时间与动脉血压之间的线性关系得出血压值。主控模块采用便携式终端主控制器，是一个微控制器电路板，有14个数字输入/输出引脚，8个模拟输入，一个16MHz的谐振器，一个复位按钮，能够使用USB转TTL电平供电，也能够利用外部电源提供电压，微处理器的成本低且性能好，同时又满足可穿戴式血压计小型化集成化的要求。

移动通信模块4用于将实时血压信息传送到云平台3，采用云平台便于被测者或者其监护人实时查询血压信息，并且移动通信模块4采用兼具GPS、GSM、GPRS功能的集成模块，具有工业级的标准接口和GPS功能，在GSM以及GPS信号覆盖的地方，无论何时何地都能够实现不同资产的无缝追踪。

电池模块5用于向所有模块供电，可选锂电池，便于携带使用，所有模块的供电电压均采用3.7V，并通过高精度电压调节器实现450mV压降，专门为低电压应用，且有过压保护。

参见图2，本发明基于手指动脉波的无创血压检测方法包括以下步骤：

1)同时采集同一根手指动脉前后两点的光电容积脉搏波信号，将两个光电容脉搏波传感器1分别贴放在被测试者同一根手指的指尖以及指根分枝处；

2)对采集到的两路光电容积脉搏波信号进行滤波放大；

3)通过微处理器主控电路2对两路模拟脉搏波进行AD转换，并把对应特征点进行位置标记，计算两路波的波形特征点时间差得到脉搏波传导时间PTT，依据血压的变化和脉搏波传导时间PTT成正比的关系建立线性方程。

4)将所得脉搏波的传导时间和经过血压计得到的血压数据带入线性方程，标定个性化待定参数，将新的脉搏波传导时间代入确定参数后的线性方程中计算得到被测试者的血压；

5)将实时血压信息传送到云平台3，使被测者或其监护人通过手机等设备实时查询血压信息，同时云平台3长期积累的大量被测试者监护数据样本能为公共医疗部门提供决策支持。

上述步骤中，对采集到的脉搏波采用中值滤波算法去除高频干扰。脉搏波信号在采集的过程中容易受到高频噪声的干扰，这些噪声主要是由人体活动、肌肉紧张、采集设备所处的外界条件引起。中值滤波是先将AD转换后的波形信息当作一个数字序列，再将序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，消除孤立的噪声点，让波形点上的值更接近真实值。这样能够有效的去除噪声，保护部分信号细节如重搏波，还能保留信号的频谱特性。

上述步骤中，血压与脉搏波之间的线性关系是由托马斯·杨和莫恩斯波速公式得出的血压和脉搏波传导时间之间的近似关系式：BP＝a+b*PTT，其中，PTT为脉搏波传导时间，BP为血压；a、b表示血压和脉搏波传导时间之间关系的个性化待定参数。

脉搏波传导时间的变化和血压大小的变化成正比，且存在检测的脉搏波离心脏越远，其脉搏波传导时间和血压的相关性越大的趋势。由于个体生理机能的差异，参数a、b的值因人而异，但对于同一个体，它们的值是稳定的。上述步骤中，个性化待定参数a、b的标定是利用实验测定两组脉搏波时间差和两组对应的真实血压值，将它们代入血压和脉搏波传导时间差的对应关系式，建立二元一次方程组，求解出两个未知值a、b，再将a、b代入原方程完善出血压和脉搏波传导时间的对应关系式。当然，通过多组实验求取平均值能够缩小误差。

本发明基于的工作原理如下：当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时，光束将通过反射方式传送到光电接收器，在此过程中由于受到指端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用，光电容脉搏波传感器1检测到的光强度将减弱。其中，皮肤、肌肉、组织等对光的吸收在整个血液循环中是恒定不变的，而皮肤内的动脉血液容积在心脏作用下呈搏动变化。当心脏收缩时外周血容积量最多，光吸收量最大，检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，这使光吸收器接收到的光强度呈脉动性变化。将此光强度变化信号转换成电信号，便能够利用人体指动脉波动时造成反射光率的不同来获取脉搏波波形。这种方法采集体征信息避免了传统血压测量法使用袖带给测试者带来的束缚感，并且将测试点选在指端使测量更加容易操作、装置更方便携带。获得同一指动脉不同两点的脉搏波波形，就可以求出脉搏波的传导时间。同时因为脉搏波传导时间和动脉血压之间存在足够的相关性，并存在监测的脉搏波离心脏越远，相关性越大的趋势。由托马斯·杨和莫恩斯波速公式得出血压和PTT之间的近似关系式可以间接求得血压值，所以本发明方法具有很高的可行性。

本发明基于手指动脉波的无创血压检测方法选取指间动脉作为测试点，采用光电容脉搏波传感器1采集前后两点脉搏波的波形，如图3所示，对比前后两路波形对应特征点的位置关系，确定脉搏波传导时间，由血压和脉搏波传导时间之间的近似关系式间接求得血压值。

本发明以指套形式将两个光电容脉搏波传感器1分别沿动脉贴放在被测试者同一根手指的指尖以及指根分枝处，滤波放大电路集成在光电容脉搏波传感器1上，连接光接收器的输出端，微处理器主控电路2、移动通信模块4及电池模块5集成于一体固定在手腕处。光电容脉搏波传感器1将采集到的脉搏波信息经滤波放大，传送至微处理器主控电路2，经主控芯片运算处理后，将获得的血压信息通过移动通信模块4上传至云平台3，方便手机等通讯设备进行实时查询。本发明方法能够实现高度集成化，应用于小型可穿戴式无袖带血压计，实现被测试者血压的无创连续监测。