本文旨在研制了一套无创脉搏信号检测分析系统 ,系统采用生理压力传感器同时采集两路脉搏波信号 ,实现了 脉搏波信号的实时采集、存储、动态显示、波形波速度分析和诊断报告的打印 ,能够较全面的评价心血管系统的功 能。该系统采用单片机与计算机结合的设计方式 ,同时具有单片机小型化、便携的特点和计算机强大的数据存储、 分析、处理的能力。初步临床实验表明 ,该系统操作方便 ,稳定性好 ,检测的可重复性较好。
1 引 言
心血管病是威胁人类健康的主要疾病之一 ,其 病理状态能在脉搏波波形和波速度上表现出 来[1～4 ] ,通过对脉搏波的无创检测和分析 ,可以得 到心率、脉压、平均压、脉搏波速度、波形特征参数、 心输出量、心博出量、心指数等衡量心血管系统功能 的重要参数 ,因此能在患病初期发现病情 ,使病情得 到及时控制和治疗。
在无创脉搏检测分析领域 ,近年来国内外已经 开展了一些工作并有相应的产品问世 ,分析目前市 场上的这类产品 ,它们一般功能比较单一 ,只能进行 波形分析或者波速分析 ;采用基于单片机的设计方 式使仪器便于携带 ,但同时也限制了对信号的处理 速度和存储能力 ;另外 ,大多数检测脉搏波速度的仪 器都需要采集心电信号作为参考信号 ,即首先记录 一对心电-脉搏信号 ,再记录另一对心电-脉搏信号 ,以心电为参照计算两路脉搏信号间的时间差 ,因此 两路脉搏信号并不是同时测得 ,使计算结果易受心 率变化的影响 ,同时心电测量需要暴露胸部皮肤 ,也 为患者带来不便。
为实现脉搏波形和波速的精确分析 ,综合评价 心血管系统的功能 ,我们研制了一套能对脉搏波进 行同步、多路、高频采集和处理的脉搏检测分析系 统。该系实现了脉搏波的存储、实时动态显示、回 放、波形分析、波速分析和诊断报告打印。
2 脉搏波的无创检测原理
临床上 ,通常采集人体某些骨骼附近体表动脉 处的脉搏波 ,如桡动脉、颈动脉、踝动脉等 ,主要由于 这些部位容易暴露、组织结构好(表层皮肤和肌肉都 较薄 ,血管下方为坚硬的骨头 ,检测时血管不易滑 动) ,因此容易得到精确的脉搏信号。
假定动脉管为薄壁弹性圆柱管 ,其壁厚与直径 相比可忽略不计 ,血液均匀的作用在管壁上 ,其压强为 ,血管底部受骨骼支撑 ,传感器、表皮、血管及骨 头之间无摩擦 ,脉搏压力传感器对血管施加一定的 压力 ,使一部分血管壁呈扁平状态 ,但并不造成血管 闭塞 ,再假定传感器与血管壁之间的表皮厚度相对 于血管直径可以忽略不计 ,如图 1 所示。
传感器与动脉管壁之间力的作用关系可以用图 2 中的理想模型来表示 ,其中 p1 代表体表动脉血管 内的血压 , F 代表传感器测量得到的压力 ,血管壁 近似为理想薄膜。从血管的受力分析可知[5 ,6 ] ,在 该状态下 ,理想薄膜所受张力方向与传感器表面平 行 ,因此不产生任何弯矩。从图中可以看到 ,压力矢 量 F 方向与张力 T 方向相互垂直 ,因此 F 与 T 相 互独立 , F 的大小仅取决于动脉压 p1 和血管扁平区 域面积 A :
F = p1·A (1)；
在 F 一定的状态下 ,通常可认为血管扁平区域 面积 A 恒定 ,由式(1) 可知 ,此时传感器检测到的压 力 F 与动脉压 p1 成正比 ,在一个心动周期内 ,血压 p1 随时间变化的波形与传感器检测到的压力 F 随时间的变化变化波形相似。因此可以把传感器压力 F 随时间变化的波形近似认为是动脉压 p1 随时间 变化的波形。
3 仪器结构与功能实现
传统的以单片机为核心的检测仪器存储和处理 数据能力有限 ,随着计算机技术和数字信号处理技 术的发展 ,计算机已经具有了强大的存储、分析和处 理数据的能力 ,利用计算机优势开发产品 ,无疑可以 大大的缩短开发周期、节省成本。因此脉搏检测分 析系统采用单片机与计算机相结合的方式 ,基于单 片机的数据采集器主要负责数据的采集 ,而计算机 主要负责数据的存储、分析、处理以及与用户的交 流。系统操作人员通过安装在计算机内的软件系统 对整个系统进行控制。脉搏检测分析系统工作原理 如图 3 所示 ,采用生理压力传感器同时采集两路脉 搏信号 ,信号通过放大、滤波、A/ D 转换后 ,由单片 机通过 RS2232 送往计算机实时显示、存储、分析和 处理。
无创脉搏检测分析系统主要分为四部分 :信息 管理、数据采集、检查分析、报告打印 ,系统模块结构 如图 4 所示。
(1) 信息管理 :包括新患者登记模块、患者信息 查询修改模块和检查结果查询模块 ,三个模块均与 数据库连接。新患者登记界面引导患者进行姓名、 性别、出生日期、病历号、身高、体重、腰围、臀围、颈 桡动脉距、颈股动脉距、颈踝动脉距、病史及用药说 明等信息的登记 ,保存患者信息后自动生成 ID 号 ; 在患者信息查询修改界面只要输入 ID 号或姓名 , 就能查阅患者基本资料 ,可修改除姓名、性别、出生 日期、病历号、ID 号以外的患者基本信息 ;在检查结 果查询界面中可以查询患者的历次检查结果和诊断 报告。
(2) 数据采集 :基于单片机的数据采集器以 667 Hz 的采样频率采集两路脉搏信号 ,通过 RS2232 送 往计算机 ,运用多线程串口通信技术解决了串口读 写速度与 CPU 速度严重不匹配的问题 ,提高了系统 效率 ,使系统在高速串口通信的同时还能相应用户 的其它操作。
(3) 检查分析 :包括患者检查模块、虚拟示波器 模块、波形分析模块和波速分析模块。通过 ID 号 进入患者检查界面 ,系统自动生成检查日期并显示 患者姓名和 ID 号 ,选择检查类别后 ,点击“开始| 停 止”按钮就可以对脉搏信号进行检测记录 ;计算机屏 幕以示波器的方式动态显示脉搏波形 ,实现波形动 态显示的关键在于整幅图像的左移及新数据点的绘 制和背景色的填充 ,屏幕上脉搏波幅值大小可以随 时调节 ,只需将鼠标移动到波形曲线上就会自动显 示当前点的幅值和时间 ,采集得到的波形曲线如图5 所示。
波形稳定后 ,再次点击“开始| 停止”按钮停止检 测 ,保存波形后可以进行波形和波速分析 ,波形分析 主要包括平均压、心率、波形特征参数、心搏出量、心 输出量、外周阻力、心指数的计算 ,波速分析的关键 在于波速参考点的确定 (体表距离与两路波形上波 速参考点间的时间差之比为波速) ,本系统通过脉搏 波前沿升支内斜率最大值点的个数和位置确定波速 参考点。
(4) 报告打印 :诊断报告打印模块用于打印患者 基本信息、病史及用药情况、脉搏波形曲线以及波形 和波速的分析结果。
4 检测性能验证
医学界对于脉搏波速度并没有一个统一的定 义 ,且不同仪器对脉搏波速度 (PWV) 、心搏出量 (SV) 、心输出量 (CO) 、外周阻抗 (R) 、心指数 (CI) 等参数的定义和算法各不相同 ,使得目前市面上各 种仪器测得的这些参数之间可比性不大。在这种情 况下 ,稳定性和测量的可重复性便成为评估仪器性 能的重要指标 ,因此我们对建立的系统进行了可重 复性实验。
应用上述装置对人体脉搏信号进行了检测分 析 ,实验对象为 166 名志愿者 ,其中男 84 人 ,女 82 人 ,年龄主要分布在 43～83 岁年龄段 ,每人在相同 的条件下检测四次。我们对 166 例检测结果中的平 均压(MP) 、心率( HR) 、脉搏波速度 (PWV) 、脉搏特 征参数( K) 、心搏出量(SV) 、心输出量(CO) 、外周阻 抗(R) 、心指数(CI) 八项参数进行了可重复性分析。 分别统计分析每种检测结果的均值、标准偏差、数据 偏差率 (标准偏差/ 均值) ,将数据偏差率作为衡量 检测结果可重复性的标志 ,偏差率越小 ,则重复性越 好 ,偏差率越大 ,重复性越差。图 6 为各项参数的偏 差分布情况。
对于平均压 ,偏差率在 5 %以内的占 100 % ;对 于心率 ,偏差率在 5 %以内的占 9710 % ;对于脉搏波 速度 ,偏差率在 5 %以内的占 8918 % ;对与波形特征参数 ,偏差率在 5 %以内的占 8215 % ;对于心搏出 量 ,偏差率在 5 %以内的占 9914 % ;对于心输出量 , 偏差率在 5 %以内的占 9818 % ;对于外周阻力 ,偏差 率在 5 %以内的占 8215 % ;对于心指数 ,偏差率在 5 %以内的占 9818 %。初步实验结果表明 ,仪器检 测的重复性较好。
5 结果与讨论
脉搏检测分析系统实现了两路脉搏信号的同步 采集、显示、存储、查询、波形波速分析和诊断报告打 印 ,能够较全面的评价心血管系统功能。与同类系 统相比具有功能全面、操作方便、分析速度快、存储 量大、人机交互性好等特点 ,系统运行稳定 ,检测效 果良好 ,达到系统设计要求。
单片机与计算机相结合的方式使系统具有单片 机系统小型化的优势以及计算机强大的数据处理优 势 ,只需携带基于单片机的数据采集器和配套的应 用软件 ,在任何一台计算机上都可以进行脉搏信号 的检测和分析 ;另外 ,这种组合方式还为系统留出了 一定的扩充空间 ,由于一台计算机一般有多个串口 , 因此可以接入多台数据采集器 ,实现多个检测者的 同时检测。系统程序采用面向对象的模块化设计 , 各个功能模块独立编写 ,具有很强的可扩展性和可 移植性 ,能够根据需要随时添加、删除或扩展各项功能。虚拟示波器技术的运用使系统能够实时动态的 显示波形曲线 ,方便操作者更直观的判断波形的好 坏 ,选择较好的波形进行分析 ;多线程串口通信技术 的应用不但提高了数据的传输速率 ,还大大的提高 了 CPU 的利用率 ,实现了高速串口通信和用户其它 操作的同时进行。
目前系统只能进行两点脉搏信号的同时检测 , 因而每次只能对一段血管的脉搏波速度进行计算 , 若要进行多段血管的波速测量需增加检测次数 ;另 外 ,波形分析的计算精度与信号采集频率密切相关。 因此 ,如何提高系统效率 ,在硬件处理速度允许的范 围内尽可能多的增加信号检测的路数、提高信号的 采集频率是系统需要完善的地方。