專利名稱：基于脈搏波的無創心輸出量檢測方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過檢測生命體的脈搏波得到心輸出量CO和心率HR的檢測方法及其裝置， 屬于生物醫學工程的人體參數檢測技術領域。
背景技術：
滿足臨床需要的心輸出量檢測方法應該具有無創、高準確性、低費用的特點。但遺憾的 是傳統的心輸出量檢測方法沒有一種能夠滿足以上所述特點。例如，用于加護病房和外科手 術的熱稀釋法，盡管相對便宜，但是不能連續操作。由于需要肺動脈導管插入，所以它的安 全性受到質疑，并且由于該方法基于很多假設，所以并不是很準確。較準確的心輸出量檢測 方法是通過將超聲血流探頭放置在大動脈上實時測量血流量獲取，但是存在著需要開胸測量 的缺陷。 ，、
正當心輸出量檢測被證明存在不可逾越的困難時，通過分析動脈血壓波形估計心輸出量 的思路為此提供了一條有效的解決途徑。1976年，布爾茹瓦(Bourgeois)等人根據彈性JC:器 模型(Windkessel model)提出利用分析舒張期動脈血壓波形估計心輸出量的技術，此技術 只能應用在中央大動脈上。但是中央大動脈血壓在臨床上是很少測量的，而在相對比較容易 檢測的外周動脈上舒張期的波形被復雜波反射所干擾，影響了結果的準確性。2006年，木卡 馬拉(Mukk卿ala)等人提出通過分析多個心動周期的動脈血壓波形來消除復雜波的反射對舒 張期波形的干擾，進而將布爾茹瓦(Bourgeois)等人提出的技術推廣到相對比較容易檢測的 外洵動脈上。
盡管外周動脈血壓波相對容易檢測，但還是存在有創的問題。與此同時，動脈脈搏波的 無創檢測技術己經比較成熟。由脈搏波的定義可知，脈搏波和血壓波之間存在著密切的聯系， 這種聯系可以從兩者的波形相似程度上直觀的看出。所以通過分析無創方法檢測到的脈搏波 波形來估計心輸出量是可行的。這為心輸出量的無創檢測提供了新的思路。

發明內容
本發明針對現有的心輸出量檢測方法存在的缺陷，提供一種通過對易于檢測的脈搏波波 形進行數學分析獲得心-輸出量的基于脈搏波的無創心輸出量檢測方法。同時提供一種基于脈 搏波的無創心輸出量檢測裝置。
本發明的基于脈搏波的無創心輸出量檢測方法包括以下步驟
(1) 利用脈搏波檢測裝置得到壓力脈搏信號，對壓力脈搏信號進行放大和濾波，并分離 經過放大濾波后的交流量和直流量，其中，交流量表示濾波后的脈搏信號，直流量表示與外 部施加壓力有關的數值；
(2) 對交流量和直流量進行模數轉換，對轉換后的數字信號進行重采樣；利用脈搏波波 形上的特征點(例如升支起點、峰值點或切跡等)確定心率冊；通過對分離出的直流量進行 標定來確定外部施加壓力的大小，以輔助檢測者確定最佳施加壓力；
(3) 對分離出的交流量利用數學分析方法估計出時間常數r ;
(4) 對脈搏波進行標定，得到平均動脈壓M^P
(5) 根據M4尸和r計算心輸出量C0。
上述步驟的具體過程是
(1) 利用脈搏波檢測裝置得到壓力脈搏信號；
(2) 對壓力脈搏信號進行放大和濾波；
(3) 分離經過放大濾波后的交流量和直流量，其中，交流量表示濾波后的脈搏信號少(f)，
直流量表示與外部施加壓力有關的數值；
(4) 對交流量和直流量進行模數轉換，對轉換后的數字信號進行重采樣，得到脈搏波波
形序列J("和與外部施加壓力有關的數值；
(5) 利用脈搏波波形上的特征點(例如升支起點、峰值點或切跡等)確定心率HR;
(6) 通過對分離出的直流量進行標定來確定外部施加壓力的大小，以輔助檢測者確定施 加在檢測點的最佳壓力；
(7) 根據脈搏波波形序列7(",由脈沖序列構造一個心臟收縮信號;c(yt);脈沖序列中
的每一個脈沖定位在對應的脈搏波上升支起點處，并且脈沖的高度等于其對應的脈搏波幅值 PA， PA定義為脈搏波的峰值減去其上升支起點處的值；
(8)根據x(A)和少(&)估計出一個脈沖響應序列/z(yt)，來表示舒張期脈搏波的純指數衰 減過程，/z("滿足其與:c(A:)的巻積在最小平方意義上是j(A:)的最佳擬合，可按下式計算
<formula>formula see original document page 4</formula>其中，J(/t)是單位脈沖序列，p,，&是對自回歸方程<formula>formula see original document page 4</formula>未知參數^,，6j的估計，m和"限制參數的個數(即模型階數)，^AO是不可測量的殘差；
(9) 根據W^中的純指數衰減段，估計出衰減的時間常數r (即彈性貯器模型中的時間
常數)，其值基于下面的指數式<formula>formula see original document page 4</formula>其中，w("是不可測量的殘差，v4是未知參數；
(10) 根據脈搏與血壓在數值上的對應關系，對脈搏數值進行標定，得到平均動脈壓
(11) 根據彈性貯器模型(Windkessel model),得到
<formula>formula see original document page 4</formula>
其中，M4尸是平均動脈壓，2Ti 是外周血管總阻力'JC是大動脈順應性'T是Windkessel 時間常數，等于r尸i 與^C的乘積，由上式得到與心輸出量CO成比例的數值^;
(12)通過黃金指標(例如超聲法或熱稀釋法)對于^d進行校準，得到比例系數，進而
得到真實的心輸出量CO。
本發明的基于脈搏波的無創心輸出量檢測裝置采用以下技術解決方案 該檢測裝置包括脈搏波檢測裝置、檢測電路、心輸出量估計裝置和顯示裝置，脈搏波檢
測裝置與檢測電路連接，檢測電路與心輸出量估計裝置連接，心輸出量估計裝置與顯示裝置連接。
脈搏波檢測裝置包括壓阻式壓力傳感器和固定支架，壓阻式壓力傳感器安裝在固定支架 上，用于檢測脈搏波和施加到檢測點的外部壓力；固定支架由固定座和滑動塊組成，固定座
上設有導軌，滑動塊安裝在固定座的導軌上，滑動塊上部安裝有進給螺栓，壓力傳感器安放 在滑動塊上。滑動塊帶動壓力傳感器沿固定座導軌水平運動，進給螺栓與壓'力傳感器相連， 進給齒、栓轉動使壓力傳感器上下運動。壓力傳感器的水平運動使其準確定位在檢測點正上方， 上下運動保證施加在檢測點處的外部壓力適當。 '
檢測電路包括一個初級放大電路、 一個濾波放大電路和一個交直流量分離電路，初級放 大電路與濾波放大電路連接，濾波放大電路與交直流量分離電路連接，用于對檢測到的脈搏 波和壓力信號進行放大、濾波，并分離經過放大濾波后的交流量和直流量，其中，交流量表 示濾波后的脈搏信號，直流量表示與外部施加壓力有關的數值。各電路均采用現有通用電路，
初級放大電路采用高精度放大元件對脈搏波檢測裝置檢測出的差動信號進行初級放大；濾波 放大電路，采用四階低通放大。
心輸出量估計裝置用于對檢測電路輸出的信號進行變換，并根據變換后的信號估計出心 輸出量，包括以下六個部分
信號預處理單元，用于對檢測電路輸出的交流信號和直流信號進行模數轉換，對轉換后 的數字信號進行重采樣；
外部施加壓力檢測單元，通過對檢測電路的交直流量分離電路分離出的直流量進行標定 來確定外部施加壓力的大小'，以確定施加在受檢者檢測點的最佳壓力； ' .心率檢測單元，利用脈搏波波形上的特征點(例如升支起點、峰值點或切跡等)確定心
率服；
脈搏波波形分析單元，利用數學分析方法估計出時間常數r;
脈搏波標定單元，根據脈搏與血壓在數值上的對應關系，通過對檢測電路的交直流量分 離電路分離出的交流量進行標定得到平均動脈壓M1P ;
心輸出量C0計算單元，根據得到的平均動脈壓M!P和估計出的時間常數r ，計算得到 與CO成比例的數值，再根據黃金標準對估計得到的與CO成比例的數值進行校準，得到真實 的C0。
顯示裝置采用顯示器，用于實時顯示脈搏波波形、外部施加壓力數值、心輸出量C0、和 心率服。
本發明通過對檢測得到的脈搏波波形進行數學分析獲得心輸出量'實現了無創心輸出量 檢測。


圖1為本發明的基于脈搏波的無創心輸出量檢測方法的流程圖。
圖2為脈搏波檢測裝置示意圖。
圖3脈搏波檢測裝置使用狀態示意圖。
圖4為典型的脈搏波圖。
圖5為彈性貯器模型(Windkessel model )。
圖6為本發明的基于脈搏波的無創心輸出量檢測裝置的原理框圖。
其中1、傳感器，2、支架，3、固定座，4、滑動塊，5、卡隼，6a、軸向定位標志， 6b、軸向定位標志，7、徑向定位標志，8、進給螺栓，9、掛帶柱，10、繃帶，11、脈搏波檢 測裝置，12、受檢測者頸部，13、檢測電路，14、心輸出量估計裝置，Ha、信號預處理單元， 14b、外部施加壓力檢測單元，14c、心率檢測單元，14d、脈搏波波形分析單元，14e、脈搏 波標定單元，14f、心輸出量CO計算單元，15、顯示裝置。
具體實施例方式
圖1給出了本發明的基于脈搏波的無創心輸出量檢測方法的流程圖。利用如圖2所示的 脈搏波檢測裝置在身體檢測部位(如頸部)檢測脈搏波，經過一系列處理后轉換成數字信號， 再應用數學分析方法對此數字信號進行分析，進而估計出心輸出量和心率，圖2所示的脈搏 波檢測裝置包括傳感器1和固定支架2,傳感器1采用壓阻式傳感器，固定支架2由固定座3 和滑動塊4組成，傳感器1固定在滑動塊4內，滑動塊4兩側分別設有一個卡隼5,按住卡 隼.5可以使滑動塊4沿固定座3上的導軌水平方向滑動。在固定座3 —側設有三個定位標志 軸向定位標志6a和6b，徑向定位標志7。檢測時，調節支架的位置，使頸動脈軸向與固定座 3上的軸向定位標志6a和6b連線對齊，脈搏波搏動點徑向投影對準徑向定位標志7。在滑劫 塊4的上方設有一進給螺栓8，轉動該螺栓可以改變傳感器1的探頭與受檢測者皮膚的接觸 壓力，固定座3上最外側設有掛帶柱9，其上安裝有固定繃帶10。該脈搏波檢測裝置ll被穿 戴在受檢者的頸部12上，如圖3所示。滑動塊4在固定座3導軌上的推拉式定位和通過定位 標志的二次定位技術可以精確定位檢測部位的動脈血管；采用進給嫘栓8的旋進加壓方式可 對檢測部位施加連續、細微變化的外力，并在檢測到的脈搏波波形滿足要求時將外加壓力固 定在此時的數值保持不變。根據脈搏波波形上的特征點(例如升支起點、峰值點或切跡等) 可以確定心率。
圖4給出了脈搏波檢測裝置得到的典型的脈搏波波形。脈搏波為從外周測定的心臟收縮、 舒張所產生的血流脈動，因此這種波形的形狀反映了心臟的運動。由于動脈中阻抗的不匹配， 造成舒張期波形被復雜波的反射所干擾，不再呈純指數衰減。本發明提出的方法通過分析多 個心動周期的脈搏波波形來消除復雜波的反射對舒張期波形的干擾，進而可以利用如圖5所 示的彈性貯器模型(Windkessel model)估計出心輸出量。
圖6給出了的本發明的基于脈搏波的無創心輸出量檢測裝置的原理框圖中，該檢測裝置 包括脈Sm檢測裝置ll、檢測電路13、心輸出量估計裝置14和顯示裝置15,各部分依次連 接在一起。檢測脈搏波波形和外部施加壓力的脈搏波檢測裝置11的結構如圖2所示。
檢測電路13用于對檢測到的脈搏波和壓力信號進行放大、濾波，并分離經過濾波放大后 的交流量和直流量，其中，交流量表示濾波后的脈搏信號，直流量表示與外部施加壓力有關 的數值。心輸出量估計裝置14用于對檢測電路輸出的信號進行一系列的變換，并根據變換后
的信號估計出心輸出量。心輸出量估計裝置14又包括以下六個部分信號預處理單元14a， 用于對檢測電路13輸出的交流信號和直流信號進行模數轉換，對轉換后的數字信號進行重采 樣；外部施加壓力檢測單元14b，通過對交直流量分離電路分離出的直流量進行標定來確定 外部施加壓力的大小，以輔助檢測者確定施加在檢測點的最佳壓力；心率檢測單元14c，利 用脈搏波波形上的特征點(例如升支起點、峰值點或切跡等)確定心率服；脈搏波波形分析
單元14d,利用數學分析方法估計出時間常數r;脈搏波標定單元14e，根據脈搏與血壓在數
值上的對應關系，通過對交直流量分離電路分離出的交流量進行標定來得到平均動脈壓
M4尸;.心輸出量C0計算單元14f，根據得到的平均動脈壓M4尸和估計出的時間常數r，計 算得到與C0成比例的數值，再根據黃金標準將估計得到的與C0成比例的數值進行校準，得 到真實的C0。顯示裝置15用于實時顯示脈搏波波形，實時顯示外部施加壓力數值、顯示心 輸出量C0、顯示心率HR。
權利要求
1.一種基于脈搏波的無創心輸出量檢測方法，其特征在于，包括以下步驟(1)利用脈搏波檢測裝置得到壓力脈搏信號，對壓力脈搏信號進行放大和濾波，并分離出經過放大濾波后的交流量和直流量，其中，交流量表示濾波后的脈搏信號，直流量表示與外部施加壓力有關的數值；(2)對交流量和直流量進行模數轉換，對轉換后的數字信號進行重采樣；利用脈搏波波形上的特征點確定心率HR；通過對分離出的直流量進行標定來確定外部施加壓力的大小，以確定受檢者檢測點的最佳壓力；(3)對分離出的交流量利用數學分析方法估計出時間常數τ；(4)對脈搏波進行標定，得到平均動脈壓MAP(5)根據MAP和τ計算心輸出量CO。
2. —種基于脈搏波的無創心輸出量檢測裝置，其特征在于包括脈搏波檢測裝置、檢測電路、 心輸出量估計裝置和顯示裝置，脈搏波檢測裝置與檢測電路連接，檢測電路與心輸出量估計 裝置連接，心輸出量估計裝置與顯示裝置連接。
3. 根據權利要求2所述的基于脈搏波的無創心輸出量檢測裝置，其特征在于所述脈搏波檢測裝置包括壓阻式壓力傳感器和固定支架，壓阻式壓力傳感器安裝在固定支架上，固定支架 由固定座和滑動塊組成，固定座上設有導軌，滑動塊安裝在固定座的導軌上，滑動塊上部安 裝有進給螺栓，壓力傳感器安放在滑動塊上。
4. 根據權利要求2所述的基于脈搏波的無創心輸出量檢測裝置，其特征在于所述檢測電路-包括一個初級放大電路、 一個濾波放大電路和一個交直流量分離電路。
5. 根據權利要求2所述的基于脈搏波的無創心輸出量檢測裝置，其特征在于所述心輸出量 估計裝置包括包括以下六個部分信號預處理單元，用于對檢測電路輸出的交流信號和直流信號進行模數轉換，對轉換后 的數字信號進行重采樣；外部施加壓力檢測單元，通過對檢測電路的交直流量分離電路分離出的直流量進行標定來確定外部施加壓力的大小，以確定施加在受檢者撿測點的最佳壓力；心率檢測單元，利用脈搏波波形上的特征點(例如升支起點、峰值點或切跡等)確定心率HR;脈搏波波形分析單元，利用數學分析方法估計出時間常數r;脈搏波標定單元，根據脈搏與血壓在數值上的對應關系，通過對檢測電路的交直流量分離電路分離出的交流量進行標定得到平均動脈壓雄尸；心輸出量CO計算單元，根據得到的平均動脈壓M4P和估計出的時間常數r，計算得到 與CO成比例的數值，再根據黃金標準對估計得到的與CO成比例的數值進行校準，得到真實 的C0。
全文摘要
本發明提供了一種基于脈搏波的無創心輸出量檢測方法和裝置。檢測方法包括以下步驟(1)對壓力脈搏信號進行放大和濾波，并分離出經過放大濾波后的交流量和直流量；(2)對交流量和直流量進行模數轉換，對轉換后的數字信號進行重采樣；利用脈搏波波形上的特征點確定心率；通過對分離出的直流量進行標定來確定外部施加壓力的大小；(3)對分離出的交流量利用數學分析方法估計出時間常數τ；(4)對脈搏波進行標定，得到平均動脈壓MAP；(5)根據MAP和τ計算心輸出量。檢測裝置包括脈搏波檢測裝置、檢測電路、心輸出量估計裝置和顯示裝置。本發明通過對無創檢測到的脈搏波波形進行數學分析獲得心輸出量，實現了無創心輸出量檢測。
文檔編號A61B5/029GK101176663SQ20071011514
公開日2008年5月14日 申請日期2007年12月6日 優先權日2007年12月6日
發明者劉常春, 劉澄玉, 欣 孫, 朱其剛, 李遠洋, 王新沛 申請人:山東大學