血压是人体重要的生理参数,能够反应出人体心脏和血管的功能状况,是临床上诊断疾病、观察治疗效果、进行预后判断的重要依据。人体血压随着生理周期、个人情绪、外界和内在的各种刺激而产生变化,具有明显的波动性。由于血压参数受身体状况、环境条件及生理韵律等诸多因素的影响,单次测量或断续测量的结果存在较大差别,而连续测量方法可在每个心动周期测量血压,在临床和医学研究中具有更重要的意义。
现有的无创连续血压测量方法测试设备比较复杂,对传感器定位要求较高,不适合应用于长时间连续血压监测。 针对这种现状,本论文提出了一种基于光电容积脉搏波的无创连续血压测量方法。研究提出了将光电容积脉搏波归一化的思想,根据归一化脉搏波模型建立了心血管系统参数提取和舒张压计算方法,并应用该方法设计了一种软硬件结合的无创连续血压测量系统,在国内首次实现了失重环境下的人体血压无创连续测量。与柯氏音法对比实验结果表明,测量结果满足AAMI标准,基于光电容积脉搏波的血压检测方法能够用于无创连续血压检测。
研究工作包括以下几个方面:
1.基于归一化脉搏波模型的心血管系统参数提取。
针对脉搏波的形成机理及其在动脉中的传播过程以及影响脉搏波传播速度的因素,详细分析了光电容积脉搏波与动脉内血液压力波形的相关关系,并利用数学推导的方法得出虽然光电容积脉搏波的幅值不能直接表征动脉中的血液压力,但光电容积脉搏波可以反映出动脉中血液压力变化状况,且一致性较好的结论;在分析心血管系统的单弹性腔模型和双弹性腔模型的基础上,详细分析了心血管模型中动脉血压与各项心血管参数之间的关系;提出了将光电容积脉搏波归一化的思想,解决了光电容积脉搏波幅值离散性较大,无法直接发映心血管系统参数变化的问题;并提出利用归一化后的光电容积脉搏波,计算血管顺应性和血管外周阻力等心血管系统参数的方法。
2.基于脉搏波传导时间和归一化脉搏波理论的收缩压和舒张压计算方法。
对根据脉搏波传导时间计算收缩压的原理进行了分析,提出对不同个体进行脉搏波传导时间与收缩压关系标定试验,对实验数据进行非线性拟合,从而得到脉搏波传导时间与收缩压关系方程,并利用关系方程连续计算收缩压的方法;详细分析了利用光电容积脉搏波计算舒张压的方法。对个体进行标定实验,利用光电容积脉搏波提取个体心血管参数。在动脉血压连续测量过程中,利用个体心血管参数以及利用脉搏波传导时间实时计算得到的收缩压值,即可以连续计算得到舒张压值。
3.基于小波变化的脉搏波信号处理。
光电容积脉搏波信号为微弱生理信号,由于人体的动态变化,使测量信号受噪声影响较严重。同时,由于不同人体动脉弹性、指端毛细血管含血量不同,测量得出的脉搏波信号形状变化很大。本论文对脉搏波信号的频带分布特点和其中各类噪声的来源进行了分析,采用了基于小波变换的mallat算法对脉搏波信号除噪和重要特征点的识别。对于处理前后的波形进行的对比实验表明,将小波变换应用于脉搏波信号除噪和特征点检测效果很好。
4.无创连续血压监测仪器开发。
为了在地面模拟实验和载人飞行期间,对航天员实施全面有效的医学监督和医学保障,中国航天员科研训练中心提出要求,开发一套无创心功能监测仪,对航天员血压、血氧饱和度、每搏心输出量等生理参数进行无创连续测量,并能同时实时提供心电和脉搏波的原始信号。航天环境的特殊性要求系统体积和功耗要小,分析功能要强,能够对信号进行实时分析并提取出各项生理指标。针对空间特殊环境下的生理信号测量,本研究设计了无创心功能监测仪,应用小波变换对心电与光电容积脉搏波信号进行降噪处理和特征点识别,并应用基于光电容积脉搏波的无创连续血压测量方法在国内首次实现了失重环境下的人体血压无创连续测量。