一种非侵入式的在体连续测量局部血压的系统及方法

1.本发明涉及血压测量技术领域，特别是涉及一种非侵入式的在体连续测量局部血压的系统及方法。


背景技术：

2.近年来，心血管系统疾病已成为全球人类健康的头号杀手，居各种死因首位。研究表明，血管壁的病变及其发生发展是心肌梗死、中风等多种心血管并发症的直接原因，多数血管壁的病变伴随着血压的升高，与此同时高血压患者的心血管疾病风险也更高，因此血压的在体监测对心血管疾病的早期筛查和诊断具有重大意义。另一方面，血压监测在生物健康领域也有广泛的应用背景，例如运动监护、睡眠质量评估等都需要获取实时、连续血压，因此对于健康人群的血压监测也有实际的应用价值。
3.从被测血压值的特征来看，可以将非侵入式血压测量方法分为两大类，即间歇式和连续式测量方法。传统的袖带法和听诊法属于前者，其仅能测量收缩压和舒张压，无法获得连续的压力波形。上述两种传统方法虽然在临床应用中仍为金标准，但其应用场景受到很多限制，一个明显的不足是其仅能测量肱动脉或桡动脉血压，对于临床中更关心的主动脉和大动脉处的血压无法测量。发展连续血压测量方法是近年来的研究趋势。一些新兴的传感器技术，包括压力传感器、光电传感器等使得测量局部连续血压具有可行性。从测量原理上，连续血压的测量方法又可分为如下几种，包括压平法、容积补偿法、容积描记法、脉搏波波速法、压力波形特征参数法等。但这些技术面临的主要难点是，皮肤和脂肪组织对于测量信号的干扰；测量原理的不准确性(即如何从测量量如容积、体表压力等准确标定到血压值)等，这些潜在的技术难点使得在体测量血压依然充满挑战。超声天然地具有无创、直接探测组织内部的优势，因此血管超声技术为血压测量提供了一种有效而独特的路径。
4.对于测量血压系统的加载装置的设计方式(包括外型结构、驱动装置、组装方式等)的保护，这类专利技术着重于提升设备的便携性、易操作性、稳定性等功能。将多种血压测量原理组合在同一设备上、并对多功能设备的综合应用上进行技术保护，这类专利大多是设计多功能腕表(包括压力传感器、流量传感器等)，并对采集数据进行综合分析得到血压测量值。对新的连续血压测量原理进行技术保护。这类专利主要是对已有测量血压原理进行优化、改进，或者提出新的测量原理，从而优化血压测量技术。
5.现有技术的缺点：
6.压平法：该方法通过压力传感器将被测血管压平，因此对血管存在局部压迫的问题，不利于长期连续测量。压力传感器需要对血管形成垂直压迫，位置稍微偏移则会带来较大的测量误差，因此在应用上也需要专业临床人员操作，用户自行操作会产生较大的测量偏差。脉搏波传导时间法：该方法利用脉搏波传导时间和血压的定量关系，可通过传导时间标定得到血压。但该方法的主要问题是，该传导时间仅和收缩压存在关联，事实上对于舒张压和整个心动周期内的压力波动，如何从传导时间标定出血压，在力学模型上仍存在很多不确定性，因此该方法的测量稳定性和可靠性仍有不足。容积描记法：该方法利用光电传感
器测量通过特定血管截面的流量，再建立流量和血压之间的定量关系，从而实现了血压的连续测量。该方法的主要问题是，容积描记法仅适合浅表动脉(如桡动脉、指尖动脉等)，对于临床更关心的颈动脉或主动脉无法测量。另一方面，如何通过流量标定血压，也存在力学模型上的不完善，因此其测量可靠性也面临挑战。体表压力测量法：该方法通过压力传感器测量被测血管对应皮肤位置处的压力，再由体表压力标定出局部血压。该方法的一个不足是，从血管到皮肤经过了肌肉组织、脂肪组织，其测量信噪比会受到干扰，而且血压的绝对值难以获取。
7.其他一些方法，例如脉搏波特征提取方法，主要依靠机器学习和大数据训练得到波形特征和血压的映射关系，但是其物理原理不清楚，其适用人群范围尚不确定，尤其是对于一些特定疾病患者，该方法是否仍具有较高的可靠性仍是一个需要回答的问题。


技术实现要素：

8.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
9.本发明基于超声设备和力学原理，设计了一种非侵入式的在体连续测量局部血压的系统，并发展了相应的数据处理方法。本发明通过对人体的浅表动脉进行轴向或环向导波实验，能够分析得到轴向导波或环向导波群速度；能够通过导波群速度标定得到局部的血压。该方法可方便地集成到现有的医疗仪器上；且其分析算法高效，分析结果稳定可靠，对临床的指导价值不亚于现有的方法。
10.本发明的另一个目的在于提出一种基于非侵入式的在体连续测量局部血压的系统的血压连续测量方法。
11.本发明的第三个目的在于提出一种计算机设备。
12.为达上述目的，本发明一方面提出一种非侵入式的在体连续测量局部血压的系统，包括超声测量模块、血压标定模块、数据处理模块和显示与输出模块，
13.超声测量模块，用于获取被测对象的血管图像数据；
14.血压标定模块，用于利用血压测量装置对所述被测对象的第一动脉血压进行测量得到第一动脉血压，基于所述第一动脉血压对第二动脉血压和血管群速度的线性关系进行标定得到线性关系标定结果；其中，所述血管群速度包括血管轴向导波群速度或血管环向导波群速度；
15.数据处理模块，用于对所述血管图像数据进行数据分析，以计算确定所述血管轴向导波群速度或血管环向导波群速度的血管群速度值，基于所述线性关系标定结果和所述血管群速度值得到所述第二动脉血压的连续血压值；
16.显示与输出模块，用于可视化所述第二动脉血压的连续血压值。
17.为达上述目的，本发明另一方面提出一种基于非侵入式的在体连续测量局部血压的系统的血压连续测量方法，包括：
18.获取被测对象的血管图像数据；
19.利用血压测量装置对所述被测对象的第一动脉血压进行测量得到第一动脉血压，基于所述第一动脉血压对第二动脉血压和血管群速度的线性关系进行标定得到线性关系标定结果；其中，所述血管群速度包括血管轴向导波群速度或血管环向导波群速度；
20.对所述血管图像数据进行数据分析，以计算确定所述血管轴向导波群速度或血管
环向导波群速度的血管群速度值，基于所述线性关系标定结果和所述血管群速度值得到所述第二动脉血压的连续血压值；
21.对所述第二动脉血压的连续血压值进行可视化处理得到可视化结果。
22.本发明第三方面提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现基于非侵入式的在体连续测量局部血压的系统的血压连续测量方法。
23.本发明实施例的非侵入式的在体连续测量局部血压的系统、方法及计算机设备，原则上可以对任意超声可成像的动脉部位进行连续血压测量，尤其是可测量如颈动脉等中心动脉的血压值，在临床应用上有更显著的价值。可比较容易的集成到已有的商用剪切波弹性成像仪器上。尤其是基于环向导波群速度测量血压的方法，从原理上具有鲁棒性强、准确度高的优点。
24.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
25.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
26.图1是根据本发明实施例的非侵入式的在体连续测量局部血压的系统的结构示意图；
27.图2是根据本发明实施例的基于非侵入式的在体连续测量局部血压的系统的血压连续测量方法；
28.图3是根据本发明实施例的血管沿长轴及横轴切面成像方式示意图；
29.图4是根据本发明实施例的单次成像序列按时序重复执行，实现对血管群速度的连续测量示意图；
30.图5是根据本发明实施例的沿血管长轴切面成像时提取出时空速度场的示意图；
31.图6是根据本发明实施例的血管直径变化曲线和心电曲线示意图；
32.图7是根据本发明实施例的实验中实测的由群速度表征血压的结果示意图；
33.图8是根据本发明实施例的计算机设备。
具体实施方式
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
35.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
36.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的非侵入式的在体连续测量局部血压的系统、方法及计算机设备。
37.图1是本发明实施例的非侵入式的在体连续测量局部血压的系统的结构图。
38.如图1所示，该系统10包括超声测量模块100、血压标定模块200、数据处理模块300和显示与输出模块400，
39.超声测量模块100，用于获取被测对象的血管图像数据；
40.血压标定模块200，用于利用血压测量装置对被测对象的第一动脉血压进行测量得到第一动脉血压，基于第一动脉血压对第二动脉血压和血管群速度的线性关系进行标定得到线性关系标定结果；其中，血管群速度包括血管轴向导波群速度或血管环向导波群速度；
41.数据处理模块300，用于对血管图像数据进行数据分析，以计算确定血管轴向导波群速度或血管环向导波群速度的血管群速度值，基于线性关系标定结果和血管群速度值得到所述第二动脉血压的连续血压值；
42.显示与输出模块400，用于可视化第二动脉血压的连续血压值。
43.具体地，超声测量模块100由超声主机和超声探头构成。超声主机包含rf接收/发射端、以及聚焦声辐射力端。超声探头可选用普通线阵探头(探头中心频率5～15mhz)，或者由多个单阵元构成的点阵探头。超声系统可实现辉度模式成像、可编程声辐射力激励和高帧率(》5khz)采集功能。
44.具体地，血压标定模块200主要由袖带式或听诊式血压计构成，用于测量肱动脉的舒张压和收缩压，作为对连续血压测量方法的标定。
45.具体地，数据处理模块300主要由计算机及搭载其上的软件构成，主要负责处理来自超声模块的图像数据，并对数据进行分析，从而得到轴向或环向导波群速度，并由速度值计算得到连续血压值。
46.具体地，显示与输出模块400主要由显示器构成，以屏显方式将测得的血压值输出给用户，对于多组测量数据则以连续时间的形式将数据输出给用户。
47.可以理解的是，颈总动脉血压测量是本发明的一个实施例，包括但不限于对任何浅表动脉(如桡动脉、肱动脉等)的血压进行测量。
48.根据本发明实施例的非侵入式的在体连续测量局部血压的系统原则上可以对任意超声可成像的动脉部位进行连续血压测量，尤其是可测量如颈动脉等中心动脉的血压值，在临床应用上有更显著的价值。可比较容易的集成到已有的商用剪切波弹性成像仪器上。尤其是基于环向导波群速度测量血压的方法，从原理上具有鲁棒性强、准确度高的优点。
49.为了实现上述实施例，如图2所示，本实施例中还提供了基于非侵入式的在体连续测量局部血压的系统的血压连续测量方法，包括：
50.s1，获取被测对象的血管图像数据；
51.s2，利用血压测量装置对被测对象的第一动脉血压进行测量得到第一动脉血压，基于第一动脉血压对第二动脉血压和血管群速度的线性关系进行标定得到线性关系标定结果；其中，血管群速度包括血管轴向导波群速度或血管环向导波群速度；
52.s3，对血管图像数据进行数据分析，以计算确定血管轴向导波群速度或血管环向导波群速度的血管群速度值，基于线性关系标定结果和所述血管群速度值得到第二动脉血压的连续血压值；
53.s4，对第二动脉血压的连续血压值进行可视化处理得到可视化结果。
54.优选地，本发明实施例测量的第一动脉血压为为肱动脉血压值，第二动脉血压为颈动脉处血压。
55.下面结合附图以受试者测量颈总动脉，对本发明实施例的基于非侵入式的在体连续测量局部血压的系统的血压连续测量方法进行详细说明。
56.具体地，如图3所示，用超声探头对血管沿长轴切面或横轴切面进行成像，超声探头轻放在皮肤表面，避免挤压血管。注意调节超声探头的视角，使得血管保持在视图的正中位置。图3中的a所示为血管沿长轴切面成像的方式，图3中的b所示为血管沿横轴切面成像的方式。
57.进一步地，如图3所示，通过声辐射力对血管壁进行激励，使得激励出沿血管壁传播的导波。声辐射力的激励方式包括但不限于单一声辐射力(单点聚焦在血管壁)、移动声辐射力(多点声辐射力依次聚焦在血管壁)等多种激励方式。作为具体的实施例，图3中的a示意出对血管进行轴向成像、并对血管上壁进行声辐射力激励的方式，图3中的b示意出对血管进行环向成像、并对血管上壁进行声辐射力激励的方式。
58.进一步地，如图4所示，设计超声成像序列，实现血管导波的激发和采集，且单次成像序列按时序重复执行，实现对血管群速度的连续测量。整体流程如图4所示，对于单次成像序列，包括声辐射力阶段(t
arf
)，空白阶段1(t
nl
，对应超声探头不工作，在具体实施例中，该时间可不为0，也可为0)，成像采集阶段(t
im
)，空白阶段2(t
nl2
，对应超声探头不工作，该时间不可为0)。单次成像序列沿时间轴重复实施n次，使得这n次测量至少涵盖一个心动周期。作为一个具体实施例，单次成像序列完成时间约70ms(包括t
arf
＝0.5ms,t
nl
＝0.3ms,t
im
＝4ms,t
nl2
＝65ms)，正常个体的一个心动周期约0.8s，因此n取值应大于12。
59.进一步地，成像采集阶段的目标是对血管导波信号进行采集，具体实现成像采集的技术包括但不限于：平面波快速采集技术、a-line回波采集技术(至少需要两个采样点，即沿血管壁路径上的两点)。数据采集范围应涵盖血管上壁和下壁所处位置。采样频率应当至少高于5khz。采集得到的原始数据可以是i/q数据或rf数据。作为一个具体实施例，通过平面波快速成像技术进行信号采集，采样时间t
im
＝4ms,采样频率为10khz,因此采样共40帧。
60.进一步地，在超声测量模块的操作完成后，执行血压标定模块。利用血压测量装置对被测对象的肱动脉血压进行测量。实现肱动脉血压测量的技术包括但不限于：袖带法血压计，听诊法血压计。被测对象在测量过程中保持端直坐姿，手臂平放在桌子上，使得上臂与心脏同齐，测试过程中保持安静。测试得到肱动脉的舒张压(dbp)和收缩压(sbp)。
61.针对本发明实施例的数据处理方法，可以有如下步骤：
62.具体地，从超声系统采集得到i/q数据或rf数据，通过算法对原始数据处理，得到质点速度场v
x
(x,z,t)，具体的实现算法包括但不限于：loupas算法、kasai算法等。从质点速度场中提取血管导波信号，对于不同的成像采集技术可以有不同的提取方法，核心是至少获取到血管壁的两个质点位置处的时间-速度曲线。如图5所示，对于平面波采集技术可以得到成像面内的质点速度场，当沿血管长轴切面成像时，沿血管上壁中心线的位置提取出时空速度场图5中的a所示；当沿血管横轴切面成像时，沿血管横截面的圆形中心线位置提取出时空速度场图5中的b所示。
63.进一步地，获取血管轴向导波群速度。获取方法是，从提取到的沿血管轴向的导波时空场中拟合波包斜率、从而得到轴向导波群速度ca，(图5中的a所示)，拟合方法包括但不限于radon变换、最小二乘法、互相关算法等。
64.进一步地，获取血管环向导波群速度。获取方法可以是，从提取到的沿血管环向的导波时空场中拟合波包斜率、从而得到环向导波群速度cc(图5中的b所示)，拟合方法包括但不限于radon变换、最小二乘法、互相关算法等。获取方法还可以是，从提取到的沿血管轴向的导波时空场中寻找环向导波的回波到达时刻tc(图5中的a所示),进而计算得到环向导波群速度。
65.进一步地，作为一个实施例，图6展示了所述方法的可行性和稳定性。所示即实验测得的轴向、环向导波群速度随时间的变化曲线。作为对比说明，图6还展示了血管直径变化曲线和心电曲线(ecg)，由此可见群速度的波形变化趋势和心动周期呈强相关性。
66.针对本发明实施例的连续血压的测量方法，可以通过如下步骤：
67.理论关系有压力p和群速度的平方满足线性关系，即
68.p＝α1c
a2
+β1(1a)
69.p＝α2c
c2
+β2(1b)
70.其中ca,cc分别表示轴向导波或者环向导波群速度。该线性关系中的斜率(α1,α2)和截距(β1,β2)在以上两式中互不相同，需要通过肱动脉血压值来标定。
71.标定方法由以下原则确定：沿动脉树中的舒张压和平均压保持不变。对于肱动脉血压其平均压(abp)可由收缩压和舒张压计算得到，即abp＝dbp+(sbp-dbp)/3。由上述标定原则、肱动脉血压值、以及式(1a)、(1b)所表示的线性关系，可以计算得到颈动脉处的血压p，
[0072][0073]
其中，
[0074]
其中c表示群速度，在具体实施例中，c可以是轴向导波ca或者环向导波cc。n表示测量的总次数，c
min
和c
max
分别表示测量n次数据中的最小和最大值。sbp和dbp表示肱动脉的收缩压(高压)和舒张压(低压)。通过(2)式即可由连续的导波群速度计算得到连续的血压值。
[0075]
进一步地，作为一个实施例，图7展示了实验中实测的由群速度表征血压的结果。其中红色点和蓝色点分别是由环向导波群速度和轴向导波群速度表征得到的血压值。作为对比，黑色实线为压平法(连续血压测量金标准方法)测量得到的血压值。实验表明由导波群速度测量连续血压的方案稳定性较好、准确性较高，具有比较好的测量效果。
[0076]
需要说明的是，本发明描述中包括了两种测量方案，即由血管轴向导波群速度或者血管环向导波群速度测量血压。在具体实施时，可以通过任意一个实验方案获取相应的群速度值，进而标定得到连续血压；或者同时执行两个实验方案，再通过对两种数据取平均或者加权平均的方式得到连续血压。
[0077]
另一方面，研究表明基于环向导波群速度测量血压的方法更稳定，而基于轴向导
波群速度测量血压的方法容易受到血管轴向拉伸的影响(也即，人体姿势的改变，如躯体拉伸、扭转等会影响测量结果)，因此其测量血压的稳定性存在一定的不足。因此，本发明所提出的测量连续血压的方法，尤其是基于环向群速度的方法，具有比较强的测量鲁棒性和稳定性。
[0078]
根据本发明实施例的非侵入式的在体连续测量局部血压的系统的血压连续测量方法，原则上可以对任意超声可成像的动脉部位进行连续血压测量，尤其是可测量如颈动脉等中心动脉的血压值，在临床应用上有更显著的价值。可比较容易的集成到已有的商用剪切波弹性成像仪器上。尤其是基于环向导波群速度测量血压的方法，从原理上具有鲁棒性强、准确度高的优点。
[0079]
为了实现上述实施例的方法，本发明还提供了一种计算机设备，如图8所示，该计算机设备600包括存储器601、处理器602；其中，所述处理器602通过读取所述存储器601中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现上文所述方法的各个步骤。
[0080]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0081]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。