一种血压和反射式光电容积波同步模拟定标装置及方法

1.本发明涉及生物医学工程领域，具体为一种血压和反射式光电容积波同步模拟定标装置及方法。


背景技术：

2.血压(blood pressure，bp)，是指血液在血管内流动时对单位面积血管壁作用的侧压力，其由心脏搏动产生的压力和血管弹性张力等因素共同构成。作为重要的生命体征测量参数，血压的检测在疾病诊断、医疗保健过程中有着不可替代的作用。
3.血压的测量包括直接法和间接法：直接法是将导管经皮穿刺至血管与血液直接接触，然后将血压通过液体耦合至体外压力传感器来直接测量血压的方法，虽然准确可靠，但由于其有创，操作具有一定的风险而仅限于重症监护领域使用。间接法中目前主要使用的是袖带法，即通过上臂袖带或前臂袖带将血压耦合至体外进行测量，虽然无创，但准确度较低，且需要附带袖带不断加压才能完成连续测量。
4.近年来迅速发展的基于脉搏波传导速度的无创血压测量方法由于无创且不需要附加袖带加压，具有较好的用户体验而有着越来越广泛的应用。事实上，脉搏波传导速度与血压有一定的函数关系，测量脉搏波的传导速度就可以间接获取血压信息。而脉搏波传导速度则可以通过心电传感器与一个光电容积波传感器共同测定其平均值，也可由两个相隔较远的光电容积波传感器测定其平均值，或者由两个紧密相邻的反射式光电容积波传感器测定其瞬时值。
5.这里所提及的光电容积波法，也称光电容积脉搏波描记法(photoplethysmography，ppg)，是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法：也就是当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时，光束将通过透射或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组织和血液的吸收衰减作用，光电接收器检测到的光强度将会减弱。其中皮肤、肌肉和组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏收缩舒张作用下呈搏动性变化。当心脏收缩时外周血管血容量最多，光吸收量也最大，检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，正好相反，外周血管血容量最少，检测到的光强度最大，使光电接收器检测到的光强度随之呈脉动性变化。再将此光强度变化信号转换成电信号，将此电信号经放大器后便可获得脉动血流的容积变化。
6.显然，随着心脏的搏动，血压与光电容积波是天然同步的。然而，实际应用中，基于脉搏波传导速度的无创血压测量法一直缺乏有效的血压和反射式光电容积波的同步定标装置，使得其难以直接定标，不得不借助其它已定标的血压测量方法和装置间接地进行血压定标，使用极为不便，并且由于环节较多，导致其定标精度无法达到理想要求。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种血压和反射式光电容积波同步模拟
定标装置及方法，可简单易行地为基于脉搏波传导速度的无创血压测量提供同步模拟仿真定标。
8.本发明是通过以下技术方案来实现：
9.一种血压和反射式光电容积波同步模拟仿真定标装置，包括，
10.模拟心脏，所述模拟心脏采用立方形弹性容器，所述模拟心脏内填充有用作模拟血液的红色或茶色液体，所述模拟心脏上设置有模拟血液入口和模拟血液出口；
11.电动推杆，活动端与模拟心脏的外壁接触，用于周期性的挤压模拟心脏；
12.模拟前臂，所述模拟前臂采用圆柱形弹性容器，内部填充无色透明液体；
13.模拟血管，所述模拟血管采用能够透光的弹性管道，所述模拟血管两端分别连接模拟血液入口和模拟血液出口；模拟血管连接模拟血液出口的一端设置流出单向阀，连接模拟血液入口一端设置流入单向阀；所述模拟血管沿轴向贯穿模拟前臂；
14.用于测量模拟血管光电容积波信号的两个反射式光电容积波传感器，所述两个反射式光电容积波传感器沿轴向依次设置在模拟前臂的外侧壁上；
15.用于直接法测量模拟血管血压的血压传感器，所述血压传感器设置模拟血管连接模拟血液出口的一端，且位于流出单向阀的下游。
16.优选地，电动推杆上设置有推杆控制器，用于根据接收的血压波形，产生调节电动推杆周期和行程的推杆驱动信号。
17.优选地，模拟血液入口和流入单向阀之间的模拟血管内设置有阻尼器。
18.优选地，模拟前臂的外侧近模拟心脏端包裹有袖带，所述的袖带上连通设置手动充气球。
19.优选地，模拟前臂内部填充的无色、透明液体采用水。
20.优选地，电动推杆的最大工作频率为5hz，最大运行速度为100mm/s，最大工作行程为10mm。
21.优选地，血压传感器的量程为50～300mmhg。
22.一种血压与反射式光电容积波同步模拟仿真标定方法，包括，
23.控制电动推杆周期性的挤压模拟心脏，使得模拟心脏产生形变，将模拟心脏中的红色或茶色模拟血液推入模拟血管中产生脉动血流；
24.通过血压传感器直接测量模拟血管中的模拟血压；
25.通过两个模拟前臂外侧的反射式光电容积波传感器分别检测模拟血管中因脉动血流引起的周期性容积变化，根据两个传感器分别检测到的反射式光电容积波波形特征点之间的延时，确定局部瞬时脉搏波传导速度并获得与脉搏波传导速度相关的血压信息；
26.对比同步采集的模拟血压和基于脉搏波传导速度的血压信息，实现血压与反射式光电容积波同步模拟仿真标定。
27.优选地，还包括，
28.使用商用袖带式电子血压计检测袖带内的气体压力信息，通过间接法按照无创袖带式血压测量方法测得的无创血压，
29.对比同步采集的无创血压与基于脉搏波传导速度的血压信息，实现血压与反射式光电容积波同步模拟仿真标定。
30.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
31.本发明在系统结构上模仿生物体血液循环系统的组成，使用程控电动推杆有序地挤压模拟心脏，从而在模拟血管中产生与人体内相似的血压波形；使用接驳在模拟血管上的流出单向阀和流入单向阀模拟人体心脏瓣膜，控制模拟血液在模拟血管中单向流动；同时使用可透光模拟血管及红色或茶色模拟血液以便反射式光电容积波监测装置可以检测到随血压变化而变化的反射式光电容积波信号。从而实现了一种简单易行的血压和反射式光电容积波同步模拟仿真装置，实现对基于脉搏波传导速度的血压标定，其结构简单、紧凑，成本低廉。产生的模拟血压幅度精确可控，波形特征清晰；光电容积波幅度高，噪声低，易于观察、便于测量。可供评估、测试基于脉搏波传导时间的反射式光电容积波血压测量方法研究及定标。
32.进一步的，通过使用阻尼器模拟人体毛细血管网对血流的阻尼消耗作用，避免血管内血压信号的反射。
33.进一步的，利用袖带中压力的变化，能够使用商用袖带式电子血压计按照不同的无创袖带式血压测量方法进一步的评估所获得的血压信息。
附图说明
34.图1为本发明实例中所述标定装置的结构示意图。
35.图2为本发明实例中所述biopac mp150多通道生理记录仪记录的所述标定装置产生的同步血压信号和反射式光电容积波信号。
36.图中：推杆控制器1，电动推杆2，模拟心脏3，模拟血液4，血压传感器5，流出单向阀6，流入单向阀7，阻尼器8，模拟血管9，袖带10，第一反射式光电容积波传感器11，第二反射式光电容积波传感器12，模拟前臂13，手动充气球14。
具体实施方式
37.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
38.本发明针对现有方法一直缺乏有效的血压和反射式光电容积波同步模拟仿真定标装置，使得基于脉搏波传导时间的反射式光电容积波血压测量方法难以直接定标，不得不借助其它已定标的血压测量方法和装置间接地进行血压定标，使用极为不便的问题，提出了一种血压和反射式光电容积波同步模拟定标装置及方法。本发明包括，
39.模拟心脏3，所述模拟心脏采用立方形弹性容器，所述模拟心脏内填充有用作模拟血液4的红色或茶色液体，所述模拟心脏上设置有模拟血液入口和模拟血液出口；立方形弹性容器由聚对苯二甲酸乙二酯(pet)制成；
40.电动推杆2，活动端与模拟心脏3的外壁接触，用于周期性的挤压模拟心脏3；
41.模拟前臂13，所述模拟前臂采用圆柱形弹性容器，内部填充无色、透明液体；圆柱形弹性容器由聚对苯二甲酸乙二酯(pet)制成；
42.模拟血管9，所述模拟血管9采用弹性管道，所述模拟血管9两端分别连接模拟血液入口和模拟血液出口；模拟血管连接模拟血液出口的一端设置流出单向阀6，连接模拟血液入口一端设置流入单向阀7；所述模拟血管沿轴向贯穿模拟前臂13；弹性管道由医用级聚氯乙烯(pvc)制成；
43.用于测量模拟血管光电容积波信号的两个反射式光电容积波传感器11、12，所述两个反射式光电容积波传感器沿轴向依次设置在模拟前臂13的侧壁上；
44.用于直接法测量模拟血管血压的血压传感器5，所述血压传感器5设置模拟血管连接模拟血液出口的一端，且位于流出单向阀6的下游。
45.使用时，控制电动推杆2周期性的挤压模拟心脏3，使得弹性容器3产生形变，将模拟心脏3中的模拟血液推入模拟血管中产生脉动的血流；
46.通过血压传感器5直接测量模拟血管中的模拟血压；
47.通过两个反射式光电容积波传感器分别检测模拟前臂中模拟血管中因脉动血流引起的周期性容积变化，根据两个反射式光电容积波传感器之间检测的波形特征点存在的延时，得到蕴含血压信息的反射式光电容积波；
48.对比同步采集的血压和由反射式光电容积波中提取的血压信息，可实现对基于脉搏波传导速度的血压模拟定标。
49.其中，电动推杆2上设置有推杆控制器1，用于根据接收的血压波形，产生调节电动推杆2周期和行程的推杆驱动信号。所述电动推杆2的最大工作频率为5hz，最大运行速度为100mm/s，最大工作行程为10mm。
50.模拟血液入口和流入单向阀7之间的弹性管道9内设置有阻尼器8，用于模拟人体毛细血管网的阻尼作用，避免模拟血液在模拟血管中来回反射。
51.具体的，如图1所示，本发明由推杆控制器1控制电动推杆2挤压模拟心脏3，驱动其中的模拟血液4在流出单向阀6和流入单向阀7的约束下呈逆时针方向沿模拟血管9脉动式流动，模拟血液4在模拟血管9中受到的压力由直接法血压传感器5直接测得，模拟血管9在模拟前臂13中受脉动血流的作用而产生的周期性的容积变化，导致安装于模拟前臂13上的第一、二两个光电容积波传感器11、12感知并记录到与血压相关的反射式光电容积波，研究直接法测得的血压与反射式光电容积波中检出的血压信息之间的关系即可以实现基于脉搏波传导速度的反射式光电容积波血压测量方法的直接定标。
52.如附图1所示，具体包括下述组件：
53.推杆控制器1，用于产生与血压波形相关的周期、行程可调节的推杆驱动信号，驱动电动推杆2做往复运动；
54.电动推杆2，在推杆控制器1推杆控制器的驱动下，周期性地挤压弹性的模拟心脏3，推动模拟血液4在模拟血管9中产生脉动的血流；
55.模拟心脏3为立方体形弹性聚对苯二甲酸乙二酯(pet)容器，用于在电动推杆2的推动下产生形变，将模拟心脏中的模拟血液4推入模拟血管9中产生脉动的血流；
56.模拟血液4采用红色或茶色液体，充满模拟心脏3与模拟血管9，在电动推杆2的推动下由模拟心脏3推入模拟血管9中产生脉动的血流；
57.直接法的血压传感器5位于流出单向阀6的下游和模拟血管9的上游入口之间，传感器流入、流出端口分别与流出单向阀6的下游与模拟血管9上游入口相接，传感部分直接接触模拟血液4，用于直接测量模拟血管9中的血压信号，优选地，血压传感器5选用biopac公司tsd104a血压换能器；
58.流出单向阀6位于模拟心脏3下游出口，单向导通，用于疏导模拟血液4向模拟血管9入口处流动，避免模拟血液在模拟心脏3中滞留；
59.流入单向阀7位于模拟心脏3上游入口，单向导通，用于疏导模拟血液4向模拟心脏3入口处流动，避免模拟血液在模拟血管9中滞留；
60.阻尼器8用于模拟人体毛细血管网的阻尼作用，避免模拟血液在模拟血管中来回反射；
61.模拟血管9采用医用级聚氯乙烯(pvc)弹性管道，提供模拟血液4的流动通道；模拟血管9连接模拟心脏3两端，先后通过流出单向阀6、直接法血压传感器5、贯穿模拟前臂13后经过流入单向阀7和阻尼器8后返回模拟心脏3；
62.袖带10包裹于模拟前臂13外侧近模拟心脏端，其连接手动充气球14，由手动充气球14维持袖带10内的气体压力，使用商用袖带式电子血压计检测袖带内的气体压力信息，即可以间接法按照不同的无创袖带式血压测量方法研究测得的血压与反射式光电容积波中检出的血压信息之间的关系，也可以实现基于脉搏波传导速度的反射式光电容积波血压测量方法的定标。
63.第一反射式光电容积波传感器11用于检测模拟前臂中模拟血管中因血流引起的周期性脉动容积变化；
64.第二反射式光电容积波传感器12用于检测模拟前臂中模拟血管中因血流引起的周期性脉动容积变化；由于空间位置的差异，第一反射式光电容积波传感器11和第二反射式光电容积波传感器12各自检测的光电容积波波形特征点之间存在延时，而这个延时的倒数即为局部瞬时脉搏波传导速度，而模拟血管中的瞬时血压与两测量点之间脉搏波传导速度的平方值呈函数关系；
65.模拟前臂13采用圆柱形聚对苯二甲酸乙二酯(pet)弹性容器以模拟人体前臂；其直径与人体前臂大致相当，内部充满无色透明液体，优选地，采用水填充。模拟血管9贯穿其中。
66.手动充气球14连接袖带10，可为袖带10提供不同水平的气压，按照不同的血压测量方法提供不同的气压变化模式。
67.其中，推杆控制器1可提供小于0.1秒的工作时间以及小于0.1秒的休息时间，也就是最高可以提供5hz工作频率的控制信号；电动推杆2可提供10毫米的工作行程，即电动推杆2最大运行速度为100毫米/秒；直接法血压传感器5可提供
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50～300mmhg量程。
68.本发明从系统结构上模仿生物体血液循环系统的组成，使用程控的电动推杆2在推杆控制器1的控制下有序地挤压模拟心脏3，从而在模拟血管9中产生与人体内相似的血压波形；使用接驳在模拟血管9上的流出单向阀6和流入单向阀7模拟人体心脏瓣膜，控制模拟血液4在模拟血管9中单向流动；使用阻尼器8模拟人体毛细血管网对血流的阻尼消耗作用，避免血压的反射；同时使用可透光模拟血管及红色或茶色模拟血液4以便反射式光电容积波监测装置可以检测到随血压变化而变化的反射式光电容积波。从而实现了一种简单易行的血压和反射式光电容积波同步模拟装置。所实现装置结构简单、紧凑，成本低廉。如附图2所示，产生的模拟血压幅度精确可控，波形特征清晰；测得的光电容积波幅度高，噪声低，易于观察、便于测量。在维持同样的血压水平下，光电容积波波形特征点ppg
peak
与血压波形特征点bp
peak
之间具有稳定的延时时间δt。