脉搏波光电传感器
基于EMD的指端光电容积脉搏波中呼吸波提取方法研究
基于E MD的指端光电容积脉搏波中呼吸波提取方法研究 李文彪1,陈真诚1,刘福彬2 (1.中南大学信息物理工程学院生物医学工程研究所,湖南长沙410083;2.武警江苏省总队医院设备科,江苏扬州225003) 摘要:目的通过人体指端的脉搏波,提取人体呼吸波信号。方法使用多参数临床生理监护仪,同步采集人体指端光电容积脉搏波信号和胸阻抗法检测的呼吸波信号,对光电容积脉搏波信号做各层的经验模式分解,选择合适频率的本征模函数,与采集的呼吸波信号做相关性分析。结果经验模式分解由脉搏波中所提取的呼吸波与采集的呼吸波有很好的相关性。结论经验模式分解法可有效提取人体指端光电容积脉搏波中所包含的呼吸波成分,对改进医疗监护设备设计、实现生理信号的多参数提取和精确分析有重要意义。 关键词:光电容积脉搏波;经验模式分解;本征模函数;呼吸波 中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:1002 0837(2010)04 0279 04 Ex traction of Res p iratory Wave fro m F inger T i p Photolet h ys m ography Si g nals Based on EMD M ethod LI W en b i a o,C HEN Zhen cheng,LIU Fu bin.Space M edic i n e&M ed ical Eng ineeri n g,2010,23(4):279~282 Abst ract:Objective To extract resp iratory w ave i n for m ation fr o m photo lethys m ography(PPG)si g na ls.M et h ods U si n g a cli n ica lm ulti para m eter physi o log ica lm on ito r,the fi n ger ti p PPG si g nals w ere acqu ired synchro nousl y and the resp iratory wave w as detected by the tho rac ic i m pedance m ethod.Then e m p irica lm ode deco m position w as conducted for the PPG si g na ls,se lecting the i n tri n sic m ode functi o n(I M F)w ith appr opriate fre quency to carry out corre lation analysis togetherw ith respirato r y w ave signals.R esults The resp iratory w ave di rectly acqu ired had a good co rre l a ti o n w ith t h at deri v ed fr o m photo lethys m og raphy signals by e m p irica lm ode deco m position m ethod.Conclusi o n It is indicated that e m pirical mode deco m positi o n m ethod can effectively ex tract t h e respiratory infor m ati o n conta i n ed i n PPG si g na ls.Th is a ll o w s for i m prov i n g the desi g n o fm ed ica l m on ito ri n g dev ices and is useful i n physi o l o g ica lmu lti para m eter ex tracti o n and accurate ana l y sis. K ey w ords:photo lethys m ography;e mp iricalm ode deco m positi o n;i n trinsic m ode function;resp iratory w ave Address repr i n t requests to:L I W en b iao.I nstit u te of B i o m edical Eng i n eering,Schoo l o f Info physics& Geo m atics Eng i n eering,C entra l South U niversity,Changsha H unan410083,China 近年来,在任意时间、任意地点、对人们日常生活影响最小的情况下提供健康诊断或治疗服务,特别是无创、简易、舒适地获取人体生命体征信号(如心电、血压、心率、呼吸等)的方法,越来越受到科研人员的关注。 作为无创检测典型应用之一的光电容积描记法(photo lethys m og raphy,PPG)是采用光电传感器,在人体指端、耳垂、额部位等,利用红外或近红外光在人体内透射或反射的原理,检测由心脏搏动引起的血管内血容量的脉动性变化而获得相关生理信号。PPG信号中含有多种生理参数信息[1],如心率、血压、血氧、呼吸等。由于其无创、多参数、操作简单、低成本的特点,日益为生物医学工作者所青睐,但受到检测手段和分析方法的局限,目前仅在血氧饱和度检测方面得到了广泛的应用。呼吸波(resp iratory w ave,R W)是睡眠监测的重要内容,目前获取呼吸波的方法主要 修回日期:2010 03 19 通讯作者:李文彪 ti ger830611@163.co m 有热敏传感器和胸阻抗检测法等,操作繁琐,检测不便。如果能提取PPG信号中所蕴含的呼吸波,将大大降低仪器成本,增加检测舒适度。文献[2 3]中提到了在脉搏波信号中呼吸波成分的形成机理,却忽视了其临床应用价值,仅将其作为干扰而去除,文献[4]提出了由PPG信号中提取呼吸参数的3种方法,但其基本原理都是线性平滑滤波,而PPG是典型的生物医学信号,在呼吸运动缓变的调制作用下,表现为非平稳随机性的特征,故其参数提取的效果或有效性非常有限。目前,针对非平稳信号通常的分析方法主要有短时傅里叶变换、小波变换等。短时傅里叶变换的基础是傅里叶变换,无法摆脱傅里叶变换的局限性[5]。小波分析本质上也是一组可调的窗口傅里叶变换,并且在信号分析过程中存在小波基选择、分解层数选取、阈值确定等问题,通过小波分析得到的小波分量和小波谱只相对于所选的小波基有意义,不具自适应性和广泛通用性。经验模式分解(e m pirical m ode deco m positi o n,E MD)是 第23卷 第4期 航天医学与医学工程 V o.l23 N o.4 2010年 8月 Space M edic i ne&M edical Eng i neer i ng A ug.2010
脉搏波分析与脉搏波速度
脉搏波分析与脉搏波速度(综述) [日期：2007-06-19] 来源：作者：[字体：大中小] 脉搏波分析与脉搏波速度 ——Korotkov后的一百年对于血压解释的回顾 刘景林杨栓平 摘要：血压（如，脉压）由搏动产生的，作为一个重要的心血管疾病的风险因子，受到人们广泛的关注。在预测心血管事件上，测量升主 动脉或者颈动脉的中心动脉血压要比测量传统的肱动脉脉压更有意义， 这是因为靶器官承受的压力来源于中心动脉压力而不是肱动脉压力。而 由于波的反射，上肢的血压并不能真实反映中心动脉血压；因此，知名 学者把焦点放在了一种无创检测中心动脉血压的方法上，并寻求主动脉 僵硬度产生的原因。直到现在，越来越多的证据表明：在评定主动脉的 性质上，测量中心动脉血压要比测量传统的肱动脉血压更准确和更具优 越性。在此我们通过两种主要的方法对“中心”指数进行评定，即“脉 搏波分析”和“脉搏波速度”。在这篇综述里我们对此进行了总结，目 的在于把中心动脉血压和大动脉僵硬度应用到临床研究和临床实践中。 关键词：动脉僵硬度；中枢血压测量；波反射 最近一个时期，关于袖带式血压计检测脉压（肱收缩压和舒张压）受到人们越来越多的质疑。其关注远远超过人们熟悉的问题如“白大衣”高血压，静态测量和血压24小时动态监控，并逐步淘汰水银为基础的设备。这些关注关于所有袖带设备通过肱动脉检测脉压的不准确性，在肱动脉和中心动脉之间压力的差异，和对收缩压，舒张压和脉压的解释。 从上下文可以看到目前的问题是在过去的两个世纪中当医师对高血压病史的检测和评估。Richard Bright最早开始研究“高动脉血管张力”与肾病，心脏衰竭和中风的关系。他的评估是从触诊手腕上的脉搏以及临床认识的情况下脉搏需要相当大的阻力才能消失，而脉搏在收缩压的后期还在持续。在十九世纪末期开始使用图形的方法记录桡动脉脉搏，并被英国心血管疾病的先驱Mackenzie和
【CN110025296A】一种光电容积脉搏波的特征参数的采集方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910154992.6 (22)申请日 2019.03.01 (71)申请人 西安理工大学 地址 710048 陕西省西安市金花南路5号 (72)发明人 陈剑虹 雷苏力 何菲 刘泽晨 林志强 朱凌建 (74)专利代理机构 北京国昊天诚知识产权代理 有限公司 11315 代理人 杨洲 (51)Int.Cl. A61B 5/02(2006.01) (54)发明名称 一种光电容积脉搏波的特征参数的采集方 法 (57)摘要 一种光电容积脉搏波的特征参数的采集方 法，包括以下步骤：1)采集手指端的光电容积脉 搏波信号，对光电容积脉搏波信号低通滤波，放 大后传送给上位机；2)使用数字滤波器对采集到 的信号进行滤波处理并获取其中一个心动周期 的脉搏波信号；3)使用3个高斯项叠加进行脉搏 波波形拟合；4)给拟合函数设定系数限定条件； 5)根据最小二乘原则，列出误差平方和函数以求 解该高斯函数的系数；6)对式(3)中的每一项系 数求偏导数；7)使用BFGS的方法迭代求解方程 组；8)根据高斯函数的每一个平移分量和交点信 息确定脉搏波特征值的位置；解决了对于脉搏波 波形生理特征位置不明显的情况下特征值的确 定问题。权利要求书2页 说明书4页 附图3页CN 110025296 A 2019.07.19 C N 110025296 A
1.一种光电容积脉搏波的特征参数的采集方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，基于朗伯比尔定理的原理，使用红外波段的光源照射人体指端，由光电探测器采集透射过指端的光信号，对含有高频噪声的光电容积脉搏波信号采用模拟滤波器进行低通滤波，并使采集到的光电容积脉搏波信号通过放大电路进行放大，再对其进行A/D转换后将数据传送给上位机； 步骤2，使用数字滤波器对光电容积脉搏波信号中由采集卡、人体呼吸、抖动带来的噪声再进行滤波处理，以获得更好的信噪比，获得去噪后的光电容积脉搏波信号并采用差分阈值法获取其中一个心动周期的脉搏波信号； 步骤3， 使用3个高斯函数叠加进行脉搏波波形拟合： 其中，V i 分别对应为其中一个高斯函数的峰值，T i 分别对应了其中一个高斯函数的主峰相对于横坐标零点的偏移量，U i 表征了每一个高斯峰的宽度； 步骤4， 给拟合函数设定系数限定条件： 其中，a i 、b i 、c i 分别为非线性拟合的限定条件； 步骤5，根据最小二乘准则求解，要求拟合的方程与原信号的误差平方和最小，暨式(2)取得最小值时，便获得了V i 、T i 、U i 的最优解， 式中，sig为输入信号，Q为误差平方和函数； 步骤6，对式(2)中的每一项系数求偏导数， 令： 使得偏导数为0的解：V i ，T i ，U i 则构成了误差平方和Q的最优解； 步骤7，求解F(V i ,T i ,U i )，对于多元非线性方程而言，很难得到其解析解，故使用基于牛顿秩_2迭代法的BFGS算法对非线性方程进行迭代求取其最优解， 权 利 要 求 书1/2页2CN 110025296 A
脉搏波速度的相关分析
对脉搏波速度估计的相关分析 摘要 本文提出用phonocardiographic(PCG)信号延时评价的方法来估计人体的心血管系统的脉搏波速度,尤其是动脉段动脉树的脉搏波速度。这种测量方法是完全无创伤的。电子扩音听诊器-压力/声波转换器被用作信号传感器。脉搏波速度估计法是利用了PCG信号,PCG 原信号的平方和PCG 第一类派生进行相关分析。可以在Matlab环境下使用创建的应用程序进行信号处理,即过滤、标准化等。把五个年轻健康的志愿者分为一个实验组来进行验证。 关键字 相关分析PCG信号脉搏波速度心血管系统血压 1.引言 从技术的角度来看,心血管系统包括两个主要部分:脉冲泵(心)以及弹性管(动脉树)。机械和几何是人类动脉树的动态属性，脉搏波速度与其心血管系统的状态密切相关[1]。在系统性动脉脉搏波循环出现在心脏收缩阶段的活动,特别是在左边心脏心室的收缩。在心脏收缩,低血容量的较高压力注入一个输入动脉体循环的主动脉。该过程会使人体系统血压升高，局部动脉扩张，血流速度增加。脉搏波动速度会随着时间的推移而具有准周期性的特点,即所谓的心率变异性。 目前，心血管系统疾病的风险是显著的；因此，监测，甚至是长期监测，会和心血管系统的状态的关系是越来越密切。无创伤式监测方法尤其适用于这一活动。整个系统的采集测量主要基于评估的压力曲线,换句话说评估相应的压力脉冲之间的时间距离[9、10],如图1所示,就是一个信号坐标（切线的交叉点）的距离。信号脚的位置对动脉血管的力学性能和回血流量的影响是最小的。整个体系中会使用其他方法直接测量血液配送速度,如超声波设备用多普勒测量模式。本研究的另外一个目的是通过扩音听诊器实现无创伤的血液采集来测量人类心血管系统和信号处理,即使用phonocardiography(PCG)的相关分析。
指端容积脉搏波检测
工业大学研究生开题报告 学位级别：□博士■硕士□工程硕士 学号：S200915049 研究生：王东明 指导教师：松、益民 专业名称：生物医学工程 所在学院：生命科学与生物工程学院开题报告时间：2010年12月06日 工业大学研究生部制表
一、基本情况
二、报告正文
1）采样精度：大于等于10位 2）采样间隔：5ms 3）频率响应：0.05Hz到200Hz 4）电源供电：直流5V供电（电源适配器或USB供电）或手机锂电池供电 5）电源功耗：不大于1.5W（即电路小于300mA） 6）电池供电待机时间不小于10小时 拟采取的研究方案及可行性分析 本选题主要涉及到硬件系统的设计与制作、软件部分的设计、理论研究及临床验证四大部分。1．系统硬件设计与制作 在实验室研究成果的基础上，继承以往仪器小型便携等优点，选用TI定点DSP(采用TMS320VC5402)[12]~[14]，进一步改进传感器采集电路，在传感器电路部分让脉搏波信号不失真的送到F330单片机，使脉络中最大限度的包含心血管信息，通过DSP的控制和处理显示检测结果，设计相应的硬件采集系统。 本系统将针对指脉容积脉搏波的采集和分析设计相应的指脉采集处理电路，根据指脉信号幅值小、频率响应围主要集中在低频段（0.05Hz到200Hz）的特点，设计新的放大和采集电路，最大限度不失真地反映脉搏波波形形态，满足后续对波形分析的要求。 系统的硬件结构如图1所示： 图1 系统硬件结构图 2．软件部分设计 软件的设计主要分为以下三部分：单片机采集控制程序、主从机通讯及控制和计算机软件设计（实现计算结果存储和远程发送）。 单片机软件部分完成数据采集、电池电量采样和数据传送，主要包括定时、A/D转换、平滑滤波、自适应滤波[20]~[21]、串口数据发送等功能的实现。 主从机通讯控制和计算机软件设计完成主机和从机之间的通讯控制，实现主机对从机的访问以及对液晶、flash存储芯片的访问和控制、波形分析计算工作流程的控制等。 计算机软件部分是软件的辅助功能部分，要完成数据接收、波形和检测结果显示、数据分析处理、数据存取等。该软件将采用Microsoft Visual C++进行开发[22]~[24]。
基于容积脉搏波的无创连续血压测量系统
本文通过文献复习［1-7］，综合分析不同血压脉搏波特征变化，提出针对不同脉搏特征下的传导时间提取算法，通过逐步回归分析建立血压模型，并据此模型实时测量人体收缩压与舒张压,实现血压的便捷、无创连续测量并可彻底摆脱袖套束缚。 1基本原理 血流动力学研究表明，动脉中血液从心脏向外周传播时，由于人体末端很多小动脉、微动脉和毛细血管起着阻力血管的作用，所以血管中血液是存在向心的反射作用的，这些往返脉搏波的线性组合构成动脉中脉搏波的特征形状［8］。对于动脉硬化的情况而言,其血管弹性降低,血管中血液流速加快,使人体末端的反射血液提前返回心室,这些反射波与推进波的叠加效应,使人体脉压抬升；而动脉状况较好的情况下,血管弹性较好,血液流速较慢,反射波的到来将延迟,收缩期压力将减少。因此,反射波与推进波汇合的时间,是可以反映脉搏波传导时间的,并可作为反映血压状况的参数。 Hiroshi等［9］在对由容积脉搏波进行二次微分后的加速脉搏波进行研究时发现,加速脉搏波各特征点能很好地反映血液微循环过程。从加速脉搏波中, 可以清晰看到波形呈现很有规律的上升和下降（图1）。这些上升支和下降支可以很好地解释心脏搏动引起的血液迸出、血液反射等血液微循环过程,且微循环过程有如下解释。 O-A段：由心脏逬出的血液在20~30mmHg的血压作用下,推进至人体末端的某个小动脉（如手指端）,并流进毛细血管,但是毛细血管极其细微而密集的特性,使推进至此的血液无法快速通过静脉流回心脏,因此,毛细血管中血液容量便急剧增加。 图1 光电容积脉搏波（a）和对应加速脉搏波（b）的图解说明 Fig.1 Illustration of PPG pulse wave（a）and accelerated pulse wave（b）A-B段：上述增加的血液在经过一定时间不断向前推进后,会出现一个快速下降过程。 B-C段：随着血液到达末端终点,会遇到静脉的阻碍,因此,来自静脉的反射血液便停留在毛细血管中,再次产生的结果就是毛细血管中血液容量再次有所增加。 C-D段：上述由静脉回流的血液在经过一定时间不断向前推进后,会再次出现一个下降过程。 以上过程会出现多次,因此毛细血管中血液容积也会有微弱的增加和减少,在加速脉搏波中,则如D-E段和E-F段表现的微弱的上升和下降。直到这种变化几乎可以忽略不计了,则一次心脏搏动过程结束,正如加速脉搏波中G点所示。 根据血液微循环机理分析可知脉搏波传导时间可通过A-C段时间间隔表示,它能比较准确地反映血液从心脏搏出到传递至手指末端毛细血管并反射汇合的时间［10］。Bazzett［11］发现脉搏波传导时间（pulse wave transittime, PWTT）和动脉血压值有关,也同血管容积和血管壁弹性量有关。在一定范围内, PWTT和动脉血压之间呈线性相关,且这种关系在某一个体,在一段时间内相对稳定。因此,如果能准确的获取推进波与反射波的传导时间,建立动脉血压与传导时间的血压估算模型,计算人体实时血压值,将可极大地简化检测流程, 降低检测复杂度,实现无创连续测量并能彻底摆脱袖套的束缚。 2 软件设计及提取算法 本文提出的无创连续血压测量方法,本质在于找出血压与脉搏波传导时间之间的关系,因此首要 的是准确提取脉搏波传导时间。
基于LabVIEW的光电容积脉搏波信号采集系统
收稿日期：2011－01－10作者简介：章伟（1986—），男，重庆永川人，硕士研究生，主要研究方向为集成电路设计；高博（1975—），男，山东人，讲师，主要研究方向为集成电路设计；龚敏，男，四川成都人，教授，主要研究方向为集成电路设计、新型半导体材料与器件工艺。 基于LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系统 章 伟，高 博，龚 敏 （四川大学物理科学与技术学院，四川成都610064） 摘要：光电容积脉搏波包含了人体丰富的生理、病理信息，对其进行实时监测可为临床研究和诊断提供 科学的指导。开发了一套基于图形化虚拟仪器工程设计平台LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系 统， 可完成对该信号的实时采集、显示和数据存储。经过指端光电容积脉搏波信号的透射式采集实验，在LabVIEW 前面板上准确显示出了该信号的波形，有助于对光电容积脉搏波进行深入分析。关键词：光电容积脉搏波；采集系统中图分类号：R543文献标识码：A 文章编号：1000－8829（2011）12－0016－04 A Photoplethysmograph Signal Acquisition System Based on LabVIEW ZHANG Wei，GAO Bo，GONG Min (College of Physical Science and Technology，Sichuan University，Chengdu 610064，China) Abstract:Photoplethysmograph(PPG)includes abundant information of physiology and pathology．Real-time monitoring on it can provide scientific guidance for clinical research and diagnosis．A PPG signal acquisition system is introduced．This system is developed on an engineering design platform named LabVIEW，which is a virtual instrument based on graphic language．PPG signal acquisition system is used to collect，display and store data in real time．One experiment is carried out for this research，which gathers PPG signal from fingertip in transmission way．PPG waveform is exactly displayed on LabVIEW s front-panel．These display results are helpful to analyze PPG in depth． Key words:photoplethysmograph;acquisition system 光电容积脉搏波（PPG ， photoplethysmograph ）信号是人体重要的生理信号， 包含着人体心脏器官和血液循环系统丰富的生理、病理信息。当一定波长的光束照射到皮肤表面时，光束将通过投射或反射方式传送到光电传感器。由于受到皮肤肌肉组织和血液的吸收衰减作用，光电传感器检测到的光电强度会有一定程 度的减弱。当心脏收缩时， 外周血管扩张，血容量最大，光吸收最强，因此检测到的光信号强度最小；当心脏舒张时，外周血管收缩，血容量最小，光吸收最弱，因此检测到的光信号强度最大，使得光电传感器检测到的光强度随心脏搏动而呈现脉动性变化。将此光强度 变化信号转换为电信号， 再经放大后即可反映出外周血管血流量随心脏搏动的变化［1］ 。PPG 信号对于临 床诊断和救护有重要的指导意义，但是由于PPG 信号 在采集过程中易受体内、 体外各种因素干扰，信号波形容易受到影响，为信号特征参数的提取带来很大困难，因此目前对PPG 信号的应用还主要限于提取其振幅 来计算血氧饱和度、 根据频率来得到心率上。可见，获取高质量的PPG 信号是其在临床上得到推广的重要基础。 LabVIEW 是美国国家仪器公司（NI ）推出的虚拟仪器开发平台，是计算机辅助测试（CAT ）领域的一项重要技术。基于图形化编程语言（G 语言）的Lab-VIEW 提供了功能强大的函数模块库，包含数学、仪器I /O 和信号处理等方面的函数。利用LabVIEW 软件可直接对经由PPG 信号硬件采集系统采集到的数字信号进行处理，利用软件的功能来设计低通滤波器，避免了滤波器硬件电路的设计，在降低设计难度的同时增加了滤波处理的精度，更可有效避免在滤波过程中引入的噪声和信号失真，使信号保持较高的真实性。因此，基于LabVIEW 来开发PPG 信号采集系统具有广阔的应用前景。
光电容积脉搏波描记法原理及其在临床上的应用
光电容积脉搏波描记法原理及其在临床上的应用 罗志昌张松杨益民李旭雯 本文作者罗志昌先生北京工业大学生物医学工程中心教授张松先生副研究 员 杨益民先生助理研究员李旭雯女士助理研究员 关键词: 光电容积脉搏波描记法 一前言 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和血液的吸收衰减作用检测器检测到的光强度将减弱其中皮肤肌肉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作用下呈搏动性变化当心脏收缩时外周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检测到的光强度最大 使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化将此光强度变化信号转换成电信号便可获得容积脉搏血流的变化由此可见容积脉搏血流中包含有心搏功能血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息同时容积脉搏血流主要存在于外周血管中的微动脉毛细血管等微血管中所以容积脉搏血流同样包含有丰富的微循环生理病理信息是我们研究人体循环系统重要的信息来源由于光电容积 脉搏波描记法并不需要复杂而昂贵的仪器设备且操作简便性能稳定具有无创伤和适应性强等诸多优点因而受到国内外医学界的普遍重视引起工程科技 人员的广泛兴趣自1938年Hertzman首次提出光电容积脉搏波描记法原理以来的半个多世纪中国内外的许多科研人员在此领域中做了大量的基础研究和临床应用研究工作应用领域亦由人体循环系统发展到呼吸系统在人体血压血流血氧脑氧肌氧血糖微循环外周血管脉率呼吸率和呼吸容量等的无创检测中都有很好的应用前景并由此开发出许多在临床上有实用价值的医疗仪器 新产品本文将对此作一综述 二与PPG有关的基础性研究工作
人体脉搏信号检测系统设计
第1章绪论 1.1 研究背景和意义 随着社会和科学技术的不断进步，人们对生命现象的认识也越来越深入，生物医学信号的检查是对人体健康状况评估的手段。在医院里，通过检查必要的生物医学数据，医生可以对病人健康程度做一个评估，并且根据数据诊断出病患所得的疾病以及康复状况。同时，医药保健类产品早已经不是医院的专利，以家庭为单位，几乎每个家庭都配备了必要的医疗保健类用品[1-3]。在适宜的医疗设备条件下，病人可以不依靠医生的辅助，自己采集医学生理数据，通过医学根据对此参数分析，评估健康水平或者诊断自身是否有疾病。现代的医疗仪器给人民生活带来了便捷，在智能化、便携式、可靠性、安全性等方面都有了很大的提高。仪器在实现功能的同时都有不同的特点，有的仪器便于携带，有的仪器操作简单。当然，结合众多优点的仪器无疑受到消费者的青睐。以医院为单位，因为测量出来的数据可以直接提供给医生作为诊断或评估病人身体状况的参考，所以这类医疗仪器性能高、功能强大、测量数据准确。而对于以家庭或个人来说，在保证功能的同时，方便测量生理数据、便于携带、价格低廉、智能化这些特点是此类医疗仪器发展的趋势。 作为诸多生理信号的一种，脉象信号蕴含着丰富的信息，从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多 生理病理的血流特征[4]。许多中医文献分析脉象的形成和西医分析虽然表、述各有不同，但是有相同的科学原理。 人体循环系统由心脏、血管、血液所组成，负责人体氧气、二氧化碳、养分及废物的运送。血液经由心脏的左心室收缩而挤压流入主动脉，随即传递到全身动脉。当大量血液进入动脉将使动脉压力变大而使管径扩张，在体表较浅处动脉即可感受到此扩张，即所谓的脉搏[1]。 正常人的脉搏和心跳是一致的。脉搏的频率受年龄和性别的影响，婴儿每分钟
脉搏波传导速度与反射波增强指数相关性分析
专 论FEATURES 引言 心脑血管疾病已成为危害人类健康的第一大杀手，对公众健康造成了严重的影响。动脉硬化病变是心血管疾病的病理生理基础，因此人们对动脉硬化疾病的发生，发展机制深入认识，做到早期发现并干预，减少心血管疾病的发病率和死亡率至关重要[1]。人们不断寻求更确切地反映心血管疾病的生理信号，如动脉硬化发生发展过程出现的信号，采用无创方法检测动脉僵硬度，其中脉搏波速度（Pulse Wave Velocity，PWV）是最常用的动脉弹性功能检测指标之一，测定的PWV是测定动脉系统两点之间的脉搏波速度，被公认为“金标准”的是颈—股动脉速度（carotid-femoral Pulse Wave Velocity，cf-PWV），但测量cf-PWV操作相对复杂，需要患者暴露腹股沟区域[2]，故在临床上有一定的局限性，尤其颈—股动脉之间距离在腹部肥胖者测量存在困难，股动脉处脉搏波信号在肥胖、糖尿病、代谢综合征、外周动脉疾病中测量也存在困难[3-4]。桡动脉反射波增强指数（Radial Augmentation Index，AIr）比cf-PWV 更能方便测量，然而在评估动脉硬化性能方面，AIr还存在局限性，以桡动脉反射波增强指数为中心的丰富数据形成鲜明对比事件中，由反射波引起的舒张期增强指数受到了很少的关注。反射波增强指数（Augmentation Index，AI）是另一项常用的无创评价动脉系统弹性功能的指标[5-6]。目前，无创的计算方法主要是根据传递函数等方法先估测中心动脉的脉搏波形，然后从估测的波形上再计算主动脉的增强指数（Augmentation Index，AIx）[7]。虽然传递 脉搏波传导速度与反射波增强 指数相关性分析 刘文彦a，王璐b，姚阳a，徐礼胜a，周树然a，张良钰a 东北大学 a.中荷生物医学与信息工程学院；b.计算机科学与工程学院，辽宁沈阳 110169 [摘 要] 探究脉搏波传导速度（Pulse Wave Velocity，PWV），桡动脉反射波增强指数（Radial Augmentation Index，AIr）及桡动脉舒张期增强指数（Diastolic Augmentation Index，AId）之间的相关性及其影响因素，分析对AIr和AId有相同影响的因素。本文采集133名健康人的数据，使用澳大利亚AtCor公司的SphygmoCor Px脉搏波形分析系统采集颈、股动脉的压力波形；使用中国泰盟科技有限公司的BL-420S生物机能实验系统，采集桡动脉压力波形；然后对波形进行去噪、特征提取，并计算PWV、AIr和AId。通过统计分析，发现cf-PWV与AIr之间显著相关（R=0.5，P<0.001），cf-PWV与AId之间的相关性不显著（R=-0.15，P=0.0908）；心率是AIr和AId的共同影响因素。 [关键词]脉搏波传导速度；桡动脉反射波增强指数；桡动脉舒张期增强指数；心率 Correlation Analysis of Pulse Wave Velocity and Augmentation Index LIU Wenyan a, WANG Lu b, YAO Yang a, XU Lisheng a, ZHOU Shuran a,ZHANG Liangyu a a.Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering School; b.School of Computer Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110169, China Abstract: To investigate the correlation among pulse wave velocity (PWV), radial augmentation index (AIr) and diastolic augmentation index (AId) and their influencing factors, we selected 133 health subjects to measure the pressure waveforms of the carotid and femoral artery by using the SphygmoCor Px pulse waveform analysis system (AtCor, Australia). The radial artery waveforms were collected by BL-420S Data Acquisition & Analysis System (China Pacific Technology Co., Ltd.). Then the waveform was denoised and some feature parameters such as PWV, AIr and AId were calculated. There was significant correlation between cf-PWV and AIr (R=0.5195, P<0.001), and cf-PWV was not significantly correlated with AId (R=-0.1472, P=0.0908). Heart rate is the common in?uence factor of AIr and AId. Key words: pulse wave velocity; radial augmentation index; diastolic augmentation index; heart rate [中图分类号]N945.14 [文献标识码] A doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2018.08.004 [文章编号] 1674-1633(2018)08-0021-04 收稿日期：2018-02-04 修回日期：2018-03-08 基金项目：国家自然科学基金项目（61773110，61374015）；中 央高校基本科研业务费项目（N161904002）资助。 通讯作者：王璐，副教授，主要研究方向为图像与信号处理。 通讯作者邮箱：wanglu@https://www.wendangku.net/doc/f61320340.html, 中国医疗设备 2018年第33卷 08期 V OL.33 No.0821
盘点可穿戴设备心率监测那点事
盘点可穿戴设备心率监测那点事 来源：互联网 [导读]在此之前，包括三星 Gear Fit、Fitbit Surge、Microsoft Band等手环上也都配备的是光电式心率计，它们从原理和本质上与Apple Watch是没有差别。 关键词：Apple Watch智能硬件可穿戴设备 Apple Watch所采用的心率监测是“光电容积脉搏波描记法”，简称光电式或透射法，它的原理非常简单——通过Apple Watch背面配备的绿色LED灯，搭配感光光电二极管照射血管一段时间，由于血液是红色的，它可以反射红光而吸收绿光，而在心脏跳动时，血液流量增多，绿光的吸收量会随之变大，处于心脏跳动的间隙时血流会减少，吸收的绿光也会随之降低，基于此，就可以根据血液的吸光度来测量心率。 在此之前，包括三星 Gear Fit、Fitbit Surge、Microsoft Band等手环上也都配备的是光电式心率计，它们从原理和本质上与Apple Watch是没有差别的，这也就使得它们的问题也同样是共性的——设备都需要紧贴手腕，并且毛发不能过于旺盛、不能出汗、也不能在运动时测量。这也就是为何苹果会建议用户在进行心率监测时让手表贴紧皮肤的原因，此外，苹果在介绍中也表示在天冷的情况下，用户手腕部位的血流量可能不足以监测到心率，而且用户在进行节率性运动（如：跑步和骑行）时，心率测量的准确性会比无规则运动（如：网球和拳击）更加的准确——这些亦都是光电式心率监测的局限性所在。 不过可能更令人沮丧的是，由于当血液经过毛细血管流入手腕时，血液流动速度实际上已经减缓了，因此最终的结果也不一定能够真实反映心率——也就是说，使用 Apple Watch 监测出的心率数据，最后可能还不如一些手机准确，特别是在手握机器的情况下，由于人的食指指尖有一个动脉血管，而后者能够和心脏基本保持一样的频率。 除了光电式监测之外，另一种心率监测方式也在一些穿戴设备上普及开来，这就是生物电式，它的核心是借助于生物电阻抗传感器，通过生物肌体自身阻抗来实现血液流动监测，
基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统前端装置设计_石磊 - 副本
第３３卷 第１期２０１６年 ２月生物医学工程学杂志 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１６基于光电容积脉搏波描记法的心率变异性分析系统 前端装置设计＊ 石 磊１△ 孙 朋２ 庞 宇１ 罗志勇１ 王 伟１ 王延项１ １（重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室，重庆４０００６５ ）２（解放军３０９医院，北京１０００９１ ）摘 要：心率变异性（ＨＲＶ）是指逐次心跳周期差异的变化情况，它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。传统对ＨＲＶ的分析多是基于心电信号，而心电信号的采集过程较为复杂，因此我们设计了一种基于光电容积脉搏波（ＰＰＧ）描记法的ＨＲＶ分析系统，ＰＰＧ信号通过单片机从人体手指端采集，数据经过ＵＳＢ转串口模块发送给上位机，上位机软件将采集到的数据绘成波形图并将数据存储下来，以便日后ＨＲＶ分析使用。该系统尺寸小、功耗低、操作简单，适用于家庭和医院的日常监护。关键词：心率变异性；心电图；光电容积脉搏波描记法；低功耗 中图分类号 Ｒ－３３ 文献标志码 Ａ ＤＯＩ １ ０．７５０７／１００１－５５１５．２０１６０００４Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ Ｈｅａｒｔ Ｒａｔｅ Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄ ｏｎ Ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ ＳＨＩ Ｌｅｉ １ ＳＵＮ Ｐｅｎｇ２ ＰＡＮＧ Ｙｕ１ ＬＵＯ Ｚｈｉｙｏｎｇ１ ＷＡＮＧ Ｗｅｉ １ ＷＡＮＧ Ｙａｎｘｉａｎｇ １ １（Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｌｅｖｅｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ ＴｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５，Ｃｈｉｎａ）２（ＰＬＡ３０９ｔｈ Ｈｏｓｐｉｔａｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１ ０００９１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ（ＨＲＶ）ｉｓ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｒｔｂｅａｔ ｃｙｃｌｅ，ａｎｄ ｉｔｉｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｎｏｍｉｃ ｎｅｒｖｏｕｓ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｕｓ ｎｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｒｔ．Ｔｈｅ ＨＲＶ ｉｓ ａ ｖａｌｕａｂｌｅ ｉｎｄｉ－ｃａｔｏｒ ｉｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｄｄｅｎ ｃａｒｄｉａｃ ｄｅａｔｈ ａｎｄ ａｒｒｈｙｔｈｍｉｃ ｅｖｅｎｔｓ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＨＲＶ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｍｕｌｔｉ－ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ（ＥＣＧ），ｂｕｔ ｔｈｅ ＥＣＧ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｓｏ ｗｅ ｈａｖｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎ ＨＲＶ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＰＧ）．ＰＰＧ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｂｙ ａ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｒｏｍ ｈｕｍａｎ’ｓ ｆｉｎｇｅｒ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓｓｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｖｉａ ＵＳＢ－Ｓｅｒｉａｌ ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｃｏｌｌｅｃｔｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ａｎｄ ｐｌｏｔ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ，ｂｕｔａｌｓｏ ｓｔｏｒｅｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ＨＲＶ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｍａｌｌ ｉｎ ｓｉｚｅ，ｌｏｗ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄ ｅａｓｙ ｆｏｒｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｄａｉｌｙ ｃａｒｅ ｎｏ ｍａｔｔｅｒ ｗｈｅｔｈｅｒ ｉｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｔ ｈｏｍｅ ｏｒ ｉｎ ａ ｈｏｓｐｉｔａｌ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ；ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ；ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ；ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ＊国家自然科学基金资助（ ６１４７１０７５）；重庆高校创新团队建设计划（智慧医疗系统与核心技术创新团队） △通信作者。Ｅ－ｍａｉｌ：１４０３９５５３５８＠ｑｑ ．ｃｏｍ引言 心血管系统疾病是威胁人类生命安全的重大疾 病，具有高发病率、高致残率和高死亡率等特点［ １］ 。根据世界卫生组织统计，全世界每年死于心脑血管疾病的人数高达１ ５００万人，居各种死因首位。心率变异性（ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ，ＨＲＶ）指逐次心跳周期差异的变化情况，它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调制，反映了自主神经系统的活性，是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个很有价值的指标。光学容积描记（ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａ－ｐｈｙ ，ＰＰＧ），也叫光电容积脉搏波描记法，是一种用来检测组织微血管中血容量变化的光学测量方 法［２－ ５］。传统对ＨＲＶ的分析多是基于心电信号，但是随着光电技术在医疗应用中的扩大，人们对利用 光电技术测量人体生理参数的研究也逐渐加强。１９８１年，Ｎｉｊｂｏｅｒ等提出影响ＰＰＧ信号强度的因素包括血液容量、红血球的位置和血管运动等。２０１１
PWV脉搏波速度
脉搏波速度（PWV）在临床无创检测中的应用 心脑血管疾病已成为威胁人类健康的主要疾病，动脉硬化在其中起着重要的作用，而高血压、糖尿病又增加了动脉硬化的危险性。高血压并发症的患病率和死亡率主要与动脉壁的损害有关，动脉壁的结构和功能的改变甚至在高血压的早期就已经发生。考虑到动脉硬化程度评估在心血管疾病防治方面的潜在作用，世界卫生组织（WHO）建议通过动脉僵硬度的改善程度来评价降压药物的效果。作为评估动脉僵硬度的一个指标，脉搏波波速（PWV）的作用正日益引起重视。目前，国外PWV测定在临床试验中有多方面的应用。 一、PWV简介 所谓PWV，指的是脉搏波在动脉系统的两个既定点间的传播速度，根据Moens-Korteweg方程，PWV与弹性系数的平方根成正比，由于动脉弹性的减低，脉搏波在动脉系统的传播速度加快了。近年来，由于PWV与动脉僵硬度的这种正相关性，再加上它的测量方法简便易行而又没有创伤，所以，被广泛应用来作为评估动脉硬化程度的一个指标。颈动脉一股动脉PWV、肱动脉一踝动脉PWV常用于临床检测。PWV可以良好地反映大动脉的扩张性，PWV越快，动脉的扩张性越差、僵硬度越高、弹性越差。 Siebenhofer等的研究结果更显示，经过培训的不同研究人员之间所测得的PWV值几乎相同，显示了极好的可重复性。Asmar教授1995年采用全自动测量的Complior（康普乐）检验了PWV测量的重复性，结果进一步说明PWV检测具有极好的重复性。目前，这种测量方法已
经成为PWV检测的“金标准”。 动脉硬化与PWV：动脉僵硬度与年龄呈正相关，这主要是由于血管壁中层退行性变，中层胶原含量增加，导致弹力层随着年龄的增长而断裂，伴有中层纤维化和钙化。其它相关因素包括性别、吸烟、高血压、糖尿病、高胆固醇血症等。而高血压、动脉退行性变、心血管疾病又加剧了动脉硬化的进程，这种变化尤以中心弹力血管，如主动脉为显著。动脉硬化又导致了大动脉缓冲功能障碍，引起脉压（PP）以及收缩压（SBP）不成比例地增加，由此，引发了左室后负荷的增加以及冠状动脉缺血的加重，冠状动脉灌注压降低，收缩期压力跃升，增加收缩末期左室应力，导致左室肥厚。 鉴于PWV与动脉硬化及高血压的关系，PWV测量近年来被广泛使用。Blacher等对约530名高血压患者所做的研究提示，根据Framingham 方程式，PWV与AA的存在及程度具有显著相关性，而且，PWV>13mPs作为心血管疾病发生危险性的强预测因子具有很高的应用价值。在没有动脉粥样硬化的患者中，随着PWV的升高，心肌梗死(MI)、冠心病(CHD)、CHD死亡率、中风、心血管疾病(CVD)以及CVD 死亡率都随之上升。所有心血管疾病的危险因子与PWV的升高呈线性相关。而且，在任一年龄，大动脉PWV都是心血管疾病死亡率最好的预测因子。60岁以上人群中，PWV>13-15m/s发生心血管病死亡的相对危险度(OR值)为7.11。Asmar等对1470名原发性高血压患者的横断面研究也表明，PWV的升高与CVD的存在具有显著相关性，这种相关性独立于抗高血压治疗而存在。