[发明专利]一种基于四肢血压脉搏的心脏血管功能参数的装置

摘要

一种基于四肢血压脉搏的心脏血管功能参数的计算方法，属于生物力学技术领域。利用脉搏波传感器和血压传感器检测四肢的动脉血压和压力脉搏波，实现心脏功能，动脉网硬化程度、心脏和血管功能的血流参数的无创同步检测。其步骤是，先采集四肢肱动脉和踝动脉的血压和脉搏波信息，对采集的一系列脉搏波进行波形平均，分别获取四肢肱动脉和踝动脉的平均波形。基于波形分析获取的波形特征参量和非线性脉搏波理论，建立四肢脉搏波与压力梯度、血流量之间的关系，然后在血流量和四肢脉搏血压数据信息基础上，计算获得心脏血管功能参数。本发明将为心脏血管系统提供一种经常性、无创伤、易操作、快输出、价格低廉的检测手段。

主权项

1.一种基于四肢血压脉搏波的计算心脏血管功能参数的装置，其特征在于，同步采集肱动脉和踝动脉的血压和脉搏波信息共8路信号，对采集的一系列脉搏波进行波形平均，分别获取肱动脉和踝动脉的平均波形；基于波形分析获取的波形特征参量和非线性脉搏波理论，建立基于四肢血压脉搏波与血流量之间的关系，然后根据人体心脏血管系统的固有特征参数或者几何参数，推导出血流量、四肢血压脉搏数据与心脏血管功能参数的关系式并进行计算；所述的装置在上位机和下位机中依次按以下步骤得到心脏血管功能参数：步骤(1)，上位机和下位机初始化：上位机输入：被测者的个人信息，包括性别、年龄、身高、体重、肩宽、 既往病史信息；下位机检测：被测者肱动脉和踝动脉四肢的脉搏波和血压；上位机记录：被测者肱动脉和踝动脉四肢的脉搏波波形和血压压力值；步骤(2)，上位机自动检测、记录、保存四肢的脉搏波波形图，对得到的波形图利用周期和幅值归一化处理进行波形平均，然后按下式计算分别得到一个心动周期内被测者的四肢平均动脉压Pmf，平均动脉压为一个心动周期内四肢分别对应的动脉压力的平均值；T为一个心动周期,f为四肢的标号，f＝1，2，3，4分别表示右上肢、左上肢、右下肢、左下肢，P(t)f为一个心动周期内不同时刻各采样点对应的脉压值,f＝1，2，3，4；步骤(3)，按下式计算波形因子kf，f＝1，2，3，4；Pdf为舒张压，Psf为收缩压，均为四肢肱动脉和踝动脉的实际测量值,f＝1，2，3，4；步骤(4)，按下式计算肱动脉和踝动脉压力脉搏波的传播速度c(t)f：其中：P(t)f为一个心动周期内不同时刻各采样点对应的脉压值,f＝1，2，3，4；ρ为血液密度，ρ＝1.05*10‑3kg/cm3；bf为脉搏波波形参数，按下式计算,f＝1，2，3，4：a为与速度剖面有关的参数，a＝0.57；步骤(5)按下式计算肱动脉和踝动脉压力脉搏波的空间压力梯度F(t)f,从而得到一个心动周期内不同时刻的压力梯度；其中：为一个心动周期内不同时刻压力对时间的导数，c_1f(f＝1，2，3，4)为四肢动脉内的血液脉搏波的传播速度，ω_m为四肢动脉内脉搏波的角频率，b_mr，b_mI为四肢动脉内脉搏波的系数，m＝1,2,3……，按下式递推得出：其中：P_m为平均动脉压，P为血压在动脉内坐标Z和时间t的函数,其傅立叶形式为：幅值和频率由实测波形获得；步骤(6)，按下式计算一个心动周期内不同时刻肱动脉和踝动脉四肢的血流量Q(t)f；其中：λ(t)f为血流量随时间变化的一次幂系数；ε(t)f为血流量随时间变化的二次幂系数；A(t)f为一个心动周期内血管半径随时间变化的函数，主要描述一个心动周期内血管弹性收缩扩张的动态过程,Q(t)f为一个心动周期内不同时刻肱动脉和踝动脉各采样点对应的血流量值，f＝1，2，3，4；λ(t)f用下式表示,f＝1，2，3，4：其中：α为生理条件下人体修正系数，是计算λ(t)f时涉及一个心动周期内血流量随时间变化时的非线性脉搏波传播系数，α＝0.57；β为生理条件下人体修正系数，是计算λ(t)f时一个心动周期内血管半径随时间变化时的非线性脉搏波传播系数，与血管半径弹性扩张有关，β＝0.1.173；γ为血液运动粘度，为血液动力粘度与血液密度的比值；β1为正常生理条件下血管在体长度与血管受力平衡时长度的比值，β1＝0.57；β2m为血管受力平衡时半径与未变形时血管半径比值，β2m＝1.105；α₂为生理条件下人体修正系数，R²(t)_f由本步骤中得到ε(t)f用下式表示，(f＝1，2，3，4):其中：为血管中自然状态下的半锥角，β0为生理条件下人体修正系数，是计算ε(t)f时一个心动周期内血管半径随时间变化时的非线性脉搏波传播系数，与血管半径弹性收缩有关，β0＝‑1.5；A(t)f用下式表示，f＝1，2，3，4:其中：其中：G为被测者年龄，h为被测者身高，l为被测者肩宽，均为实测值；步骤(7)，按下式并利用预估‑修正的方法计算肱动脉和踝动脉四肢血流量Q(t)_f的预估值和修正值Q(t)_(n+1)f，f＝1，2，3，4从而分析计算出一个心动周期内不同时刻四肢分别对应的血流量数值解；n表示时间序列号，n＝1,2,……N，表示(n+1)时刻的四肢血流量预估值，Q(t)_(n+1)f表示(n+1)时刻的四肢血流量修正值，G(Q(t),τ)为中间函数,而τ_n＝(n‑1)Δτ，τ为时间量纲，N为一个心动周期T内的采样点数，在数值上等于一个心动周期T内的采样时刻数；步骤(8)，按下式计算一个心动周期内不同时刻的人体血流量Q(t)Q(t)＝δ1Q(t)1+δ2Q(t)2+δ3Q(t)3+δ4Q(t)4+δ其中：δ1，δ2，δ3，δ4是Q(t)1，Q(t)2，Q(t)3，Q(t)4的修正参数，均为常数项，δ为常数项，且参数的数值解通过医学统计学中的非线性回归方法确定；步骤(9)，血流量的误差判定按下式迭代计算判断误差：其中：Q(t)₀为健康人群的血流量的参考值；迭代计算血流量的相对误差应满足误差率小于5％，若不符合应重复上述步骤，至误差判定小于5％；如果执行上述操作后误差仍然大于5％，则修正血流量拟合公式的回归系数，直至步骤(10)，按下式计算一个心动周期内的人体平均血流量Qm：步骤(11)，按照下式计算心脏功能血流参数：心搏出量SV、心输出量CO、心搏指数SI、心脏指数CI和总血容量BV；BV＝2.65*BSA(L)其中：HR为心率，由实际测量获得；BSA为表示人体总表面积，按下式计算：BSA(m2)＝0.0061H(cm)+0.0128W(kg)‑0.1592其中：H和W分别为身高和体重，由实际测量获得；步骤(12)，按下式计算外周血管的血管参数：外周阻力TPR和顺应性C两个参数：其中：PS为右上肢肱动脉收缩压，Pd为右上肢肱动脉舒张压，均有由实际测量获得；为平均动脉压，按下式计算步骤(13)，按下式计算微循环的血流参数：血流半更新率ALK、血流半更新时间ALT和血液平均滞留时间TM参数：步骤(14)，按下式计算心脏做功参数：心脏平均功率MPP、心脏每搏运动功SKE；MPP＝Pm*Qm(mJ)其中：Ts为收缩间期，S为主动脉瓣口面积2.5‑3.5cm2，ρ为血液密度，ρ＝1.05* 10‑3kg/cm3，PS为右上肢肱动脉收缩压。