一种测量心脏收缩时间参数的测量方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量心脏收缩时间参数的测量方法及装置，所述测量方法包括光电容积脉搏波信号采集、特征点自动提取、对特征参数进行数学修正等步骤，所述装置作为以上方法的硬件载体。本发明旨在采用简单的手段，在光电容积脉搏波信号上得到更加精确的LVET及相关参数的测量结果，从而快速地获得关于心脏疾病初期筛查和心功能评估方面的临床诊断数据；实现以上功能的光电容积波描记设备包括光电容积脉搏波信号采集、信号处理和数据输出单元，整个装置易于佩戴、造价低廉，有利于降低心血管功能评估和疾病监测的成本。
【专利说明】一种测量心脏收缩时间参数的测量方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于临床心脏功能参数测量的方法及装置，特别是涉及一种测量心脏收缩时间参数的测量方法及装置。
【背景技术】
[0002]左心室射血时间(LVET)是指在每个心动周期内，左心室收缩时血液通过打开的主动脉瓣进入大动脉这一过程所经历的时间。大量临床实验结果表明，LVET及由其衍生出来的参数，在心脏疾病初期筛查和心功能评估方面具有重要的临床意义。现有技术中，LVET的测量方法有侵入式和非侵入式测量两大类。侵入式测量将一根导管插入到大动脉根部，可以精确测量LVET，但需要由专业医护人员操作，费用较高，并且会给被测量者带来强烈的痛苦。
[0003]在非侵入式类中，心脏成像技术可以提供较为精确的LVET测量方法。申请号为W02006024088A1的发明专利提出在利用多普勒技术记录的血流速度图上测量LVET。这种技术的缺点是需要成本高昂的设备以及高难度的操作技能，并且很难实现连续测量；专利CN103491868A提出从可穿戴式的心阻抗描记系统记录的心阻抗信号中测量LVET，该系统比较复杂，需要在被测者身上安置多个电极，且对检测位置的要求十分严格，信号的稳定性和重复性都不够理想；专利US4446872提出了在外周动脉脉搏波上测量LVET的方法，该方法使用压电传感器测量颈动脉脉搏波，并将单个心动周期内脉搏波的上升沿起点和下降沿拐点之间的时间间隔作为LVET的估值，临床数据表明，这种方法检测得到的LVET跟侵入式方法测得的LVET值有很强的相关性，但是这种方法对也对检测位置要求严格，且不便于连续测量。
【发明内容】
[0004]上述现有技术中，侵入式测量需要由专业医护人员操作，费用较高，并且会给被测量者带来强烈的痛苦；非侵入式测量存在设备复杂、操作难度高、信号的稳定性和重复性都不够理想、不便于连续测量、实际使用寿命也不理想等问题。针对上述问题，本发明提供了一种新型便捷的心脏收缩时间参数的非侵入式测量方法及装置。
[0005]具体地，本发明提供的一种心脏收缩时间参数的测量方法及装置通过以下技术要点来解决上述问题:
本申请提供了一种测量心脏收缩时间参数的测量方法，用于测量左心室收缩时血液通过打开的主动脉瓣进入大动脉所经历的时间及由其衍生出来的参数，包括以下步骤:
a)采用光电容积波描记法从人体末梢组织采集光电容积脉搏波信号；
b)用峰值搜索算法对上个步骤得到的各心动周期内的光电容积脉搏波信号上的特征参考点进行自动检测，包括:第一参考点(上升沿起始点)、第二参考点(收缩期峰值点)、第三参考点(舒张期峰值点)；
c)在脉搏波的一阶导数曲线上搜索第四参考点(下降沿拐点)；d)建立数学模型，对第一参考点到第四参考点之间时间间隔进行修正，以计算左心室射血时间LVETjP:记第一参考点时刻为tl、第四参考点时刻为t4，LVET = a*(t4 - tl) +b，其中a和b为由以侵入式方法或心脏成像技术为参考的对比试验上获得的具体数值；
e)计算心室射血时间指数LVET1:用相邻两个心动周期的第一参考点之间的时间间隔作为心动周期长度，并以此心动周期长度计算得到当前心率，利用数学模型对LVET进行修正，从而得到LVETI，具体的数学模型为:LVETI = LVET + c*心率，其中，c为常数，取0.0016。
[0006]其中，所述步骤c)的实现步骤为:从第三参考点对应的时刻起，在容积脉搏波的一阶导数曲线上后向搜索，在达到第二参考点之前，一旦搜索到某时候曲线值由正变负，搜索停止，该时刻在原始波形上对应的点即为第四参考点；若在达到第二参考点时仍未找到该一阶导数曲线值符号改变的点，则在第二、三参考点之间的某子区间内，一阶导数绝对值最小的时刻被认为是第四参考点对应的时刻。
[0007]进一步的，还包括步骤f)，所述步骤f)为对一段时间内各心动周期重复步骤a)到
e)，得到LVET和LVETI的平均值；或对一段时间周期中重复步骤a)到c)得到每个心动周期的tl和t4，分别取上述tl和t4的平均值，并将平均值运用于步骤d)和e)，得到LVET和LVETI的平均值。
[0008]进一步的，所述步骤a)与步骤b)之间还包括滤波步骤，所述滤波步骤为对步骤a)中采集的光电容积脉搏波信号进行滤波处理，消除低频运动噪声干扰。
[0009]本申请还提供了一种测量心脏收缩时间参数的装置，包括用于从人体末梢组织采集光电容积脉搏波信号采集的信号采集单元、用于数据处理的信息处理单元和用于结果显示的数据输出单元，所述信号采集单元和数据输出单元分别连接在信息处理单元的输入端和输出端上。
[0010]其中，所述信号采集单元与信息处理单元之间还设置有模数转换器，所述信号采集单元的频谱采集范围为0.05_35hz，所述模数转换器与信号采集单元之间还设置有陷波器，所述陷波器用于消除50hz的工频干扰信号。
[0011]其中，所述信号采集单元与模数转换器之间还设置有信号预处理单元。
[0012]其中，所述信号预处理单元包括滤波器和信号放大器之中的至少一个。
[0013]其中，所述数据输出单元包括显示单元、数据传输单元中的至少一个。
[0014]其中，所述信息处理单元上还设置有用于控制信息处理单元的控制单元。
[0015]本发明提供了一个或多个技术方案，至少具有以下有益效果或优势:
1、本发明提出了一种基于临床对比试验建立起来的数学模型，通过按照数学模型的步骤得到的所需值对从光电容积脉搏波信号上提取的特征参数进行修正，从而便于采用简单的方法得到更加精确的LVET测量结果；同时实现以上功能的设备成本低，有利于减小心血管功能评估和疾病监测的设备投资。
[0016]2、本发明提出了在光电容积脉搏波信号的基础上自动提取特征点的方法，特别是利用其中的脉搏波上升沿起点和下降沿拐点，可实现在测量时间段内的LVET、LVETI或其它指标参数的监测，即有利于自动得到多个关于心脏疾病初期筛查和心功能评估方面的评估数据。
[0017]3、本发明提供了一种测量心脏收缩时间参数的测量方法及装置，实用范围广，适用于任何希望从光电容积脉搏波信号上自动测量LVET及相关参数的检测应用中，如将本发明提供的方法和装置跟心电、心音信号采集和分析系统相结合，则可以自动检测心率、LVET, LVET1、PEP、LVET/PEP等更多关于心脏功能评估的临床参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明所述的一种测量心脏收缩时间参数方法的一个具体实施例的测量流程图；
图2为本发明所述的一种测量心脏收缩时间参数的测量方法中，脉搏波特征参考点自动检测提取的一个具体实施例的示意图，其中，图2中处于上方的两个波形为脉搏波:P，图2中处于下方的两个波形分别为两个脉搏波P各个时刻t对应的脉搏波导数:dP/dt ；
图3为光电容积脉搏上升沿起点和拐点之间的时间间隔与从心脏超声图上实际测得的LVET之间的线性拟合图；
图4为本发明所述的一种测量心脏收缩时间参数的装置一个具体实施例的拓扑图。
【具体实施方式】
[0019]本发明提供了一种测量心脏收缩时间参数的测量方法及装置，用于解决:侵入式测量需要由专业医护人员操作、费用较高、并且会给被测量者带来强烈的痛苦等问题；现有非侵入式测量中存在的设备复杂、操作难度高、信号的稳定性和重复性都不够理想、不便于连续测量、实际使用寿命也不理想等问题。本发明提供的方法及装置可以实现采用简单的方法得到更加精确的LVET测量结果、自动得到关于心脏疾病初期筛查和心功能评估方面的评估数据。以上技术效果的实现思路是在人体末梢组织上安置光电传感器，利用通过临床对比试验建立起来的数学模型，对从光电容积脉搏波信号上提取的特征参数进行修正，并为上述方法提供了一种或多种硬件支持。下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的测量方法及装置不仅限于以下实施例:
实施例1:
如图1至图4所示，本申请提供了一种测量心脏收缩时间参数的测量方法，用于测量左心室收缩时血液通过打开的主动脉瓣进入大动脉所经历的时间LVET及由其衍生出来的参数，包括以下步骤:
a)采用光电容积波描记法从人体末梢组织采集光电容积脉搏波信号；
b)用峰值搜索算法对上个步骤得到的各心动周期内的光电容积脉搏波信号上的特征参考点进行自动检测，包括:第一参考点(上升沿起始点)、第二参考点(收缩期峰值点)、第三参考点(舒张期峰值点)；
c)在脉搏波的一阶导数曲线上搜索第四参考点(下降沿拐点)；
d)建立数学模型对第一参考点到第四参考点之间时间间隔进行修正，以计算LVET，即:记第一参考点时刻为tl、第四参考点时刻为t4, LVET = a*(t4 - tl) + b,其中a和b为由以侵入式方法或心脏成像技术为参考的对比试验上获得的具体数值；
e)计算心室射血时间指数LVET1:用相邻两个心动周期的第一参考点之间的时间间隔作为心动周期长度，并以此心动周期长度计算得到当前心率，利用数学模型对LVET进行修正，从而得到LVETI，具体的数学模型为:LVETI = LVET + c*心率，其中，c为常数，取0.0016。
[0020]本申请还提供了一种测量心脏收缩时间参数的装置，包括用于从人体末梢组织采集光电容积脉搏波信号采集的信号采集单元、用于数据处理的信息处理单元和用于结果显示的数据输出单元，所述信号采集单元和数据输出单元分别连接在信息处理单元的输入端和输出端上。
[0021]本实施例中使用的光电容积波描记法使用特定光源，如可见红光、绿光或红外线探照人体末梢组织，例如手指、耳垂或脚趾等，根据反射光或透射光的光强变化，来测量脉搏博动时引起的血管内血流量的变化状况。具体的，设置的信号采集单元用于从人体末梢组织采集光电容积脉搏波信号，本实施例中，设置的信号采集单元为光电容积脉搏波信号传感器；设置的信息处理单元用于完成本实施例中方法步骤中的b)至e)，即在光电容积脉搏波信号的基础上自动提取特征点、对提取的特征参数进行修正以得到更加精确的LVET、LVET1、心率或其他指标参数的测量，方便获得多个关于心脏疾病初期筛查和心功能评估方面的评估数据；同时实现以上功能的光电容积波描记设备易于佩戴、造价低廉，有利于减小心血管功能评估和疾病监测的成本。
[0022]本实施例提供的方法和装置运用于一组临床试验中，使用一台M-型超声设备和一台光电容积脉搏波描记设备在每个被测量个体身上同步采集主动脉瓣运动图像和指尖容积脉搏波信号。于每个心动周期内，在超声图像上标记主动脉瓣的开启和闭合点，并将这两点间的间距作为当前左心室收缩时间LVET。进一步的，利用本发明中提出的方法自动在脉搏波信号上提取上升沿起点和下降沿拐点之间的时间间隔，记为t4 - tl。
[0023]图3显示了从11名被测量者身上获得的试验数据。图中横轴表示从超声图像上测量得到的真实LVET，纵轴表示从脉搏波形上测量得到的时间间隔t4 - tl。为了消除呼吸周期的影响，这些测量结果都是取自从每个个体身上，连续记录15秒信号获得的平均值。
[0024]从图3可以看出，虽然t4 - tl跟LVET有明显的线性关系，但是在数值上明显偏高。因此，为了从脉搏波形上获取准确的LVET估值，本发明提供了数学模型对t4 - tl进行修正。本实施例中还提供了一种得到a和b具体数值的方法:
1)使用侵入式或心脏成像技术精确测量LVET，并以此作为参考值，在末梢组织记录光电容积脉搏波信号，并自动提取时间特征点，从而得到t4 - tl;
2)对得到的LVET参考值和t4- tl进行线性拟合，从而得到a和b的具体数值；
3)利用从容积波上自动提取的特征点tl，t4和数学模型LVET= a * (t4 - tl)+ b精确估算LVET。
[0025]本实施例中通过以上步骤I)和2)，得到一组精确的a和b具体数值以运用于后续数学模型的推广，步骤2)中线性拟合的方法可采用最小二乘法。
[0026]取不少于10组试验对象重复上述步骤I)和2)，最终得到一组a和b的具体数值:a 为 1.67，b 为 268。
[0027]即在图3 所示的例子中，LVET = 1.67 * (t4 - tl) - 268。
[0028]在本实施例中，任意取图3中的一个点进行数值分析，现取图3中左起第2个点。参考LVET来自于M-型心脏超声成像图，在15秒内的测量平均值为310毫秒，从容积波上测量到的t4 - tl在15秒内的平均值为345毫秒。在使用数学模型LVET = 1.67 * (t4-tl) - 268修正后，从容积波上测量得到的LVET值为308毫秒，误差率仅为参考值的千分之六。
[0029]实施例2:
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图1所示，所述步骤C)的实现步骤为:从第三参考点对应的时刻起，在一阶导数曲线上后向搜索，在达到第二参考点之前，一旦搜索到某时候曲线值由正变负，搜索停止，该时刻在原始波形上对应的点即为第四参考点；若在达到第二参考点时仍未找到该一阶导数曲线值符号改变的点，则在第二、三参考点之间的子区间内，一阶导数绝对值最小的时刻被认为是第四参考点对应的时刻。以上步骤为实现c)步骤提供了一种具体方法，根据本方法得到的第四参考点时刻准确，在测量时间段内得到的所有结果偏差小，即数值具有重复性，同时，采用该种方法测量下降沿拐点效率极高:作为一种优选方案，本实施例中的子区间可取第二参考点之后50 ms至第三参考点之前50 ms这一时间段。
[0030]为避免测量数据受短时干扰，如由于被测量者情绪波动带来的影响，使得得到的结果未能反应被测试者的真实情况，本实施例中还提供了多次测量取平均值的方法:即，进一步的，还包括步骤f)，所述步骤f)为对一段时间内各心动重复步骤a)到e)，得到LVET和LVETI的平均值；或对一段时间周期中重复步骤a)到c)得到的每个心动周期的tl和t4，分别取上述tl和t4的平均值，并将平均值运用于步骤d)和e)，得到LVET和LVETI的平均值。
[0031]进一步的，为便于得到更为清晰的光电容积脉搏波信号采集值，所述步骤a)与步骤b)之间还包括滤波步骤，所述滤波步骤为对步骤a)中采集的光电容积脉搏波信号进行滤波处理，消除低频运动噪声干扰。
[0032]实施例3:
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如图4所示，所述信号采集单元与信息处理单元之间还设置有模数转换器，所述信号采集单元的频谱采集范围为0.05-35hz，所述模数转换器与信号采集单元之间还设置有陷波器，所述陷波器用于消除50hz的工频干扰信号。设置的模数转换器用于对所采集到的信号进行后续的数字化处理；信号采集单元的频谱采集范围的限定旨在保证采集所需信号频带的基础上尽量减小信号采集单元的数据采集量，有利于降低本发明的数据处理花费；设置的陷波器用于消除工频信号对本发明测量精度产生的干扰。
[0033]为便于本发明能够得到更为准确的测量值输出，所述信号采集单元与模数转换器之间还设置有信号预处理单元。其中，所述信号预处理单元包括滤波器和信号放大器之中的至少一个。
[0034]为便于本发明能够单个或全部实现本地检查和远程结果传送，所述数据输出单元包括显示单元、数据传输单元中的至少一个。
[0035]为便于本发明的参数调整和功能丰富，所述信息处理单元上还设置有用于控制信息处理单元的控制单元。
[0036]实施例4:
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如2所示，本发明在实现采用光电容积波描记法从人体末梢组织采集光电容积脉搏波信号的步骤中，可得到清晰的脉搏波信号，通过信息处理单元对脉搏波信号中参考点的检查，使得本实施例提供了一种可利用光电容积脉搏波信号来测量LVET及其相关参数的装置。
[0037]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的【具体实施方式】只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种测量心脏收缩时间参数的测量方法，用于测量左心室收缩时血液通过打开的主动脉瓣进入大动脉所经历的时间及由其衍生出来的参数，其特征在于，包括以下步骤: a)采用光电容积波描记法从人体末梢组织采集光电容积脉搏波信号； b)用峰值搜索算法对上个步骤得到的各心动周期内的光电容积脉搏波信号上的特征参考点进行自动检测，包括:第一参考点(上升沿起始点)、第二参考点(收缩期峰值点)、第三参考点(舒张期峰值点)； c)在脉搏波的一阶导数曲线上搜索第四参考点(下降沿拐点)； d)建立数学模型，对第一参考点到第四参考点之间时间间隔进行修正，以计算左心室射血时间LVETjP:记第一参考点时刻为tl、第四参考点时刻为t4，LVET = a*(t4 - tl) +b，其中a和b为由以侵入式方法或心脏成像技术为参考的对比试验上获得的具体数值； e)计算心室射血时间指数LVET1:用相邻两个心动周期的第一参考点之间的时间间隔作为心动周期长度，并以此心动周期长度计算得到当前心率，利用数学模型对LVET进行修正，得到LVETI，具体的数学模型为:LVETI = LVET + c*心率，其中，c为常数，取0.0016。
2.如权利要求1所述的一种测量心脏收缩时间参数的测量方法，其特征在于，所述步骤c)的实现步骤为:从第三参考点对应的时刻起，在容积脉搏波的一阶导数曲线上后向搜索，在达到第二参考点之前，一旦搜索到某时候曲线值由正变负，搜索停止，该时刻在原始波形上对应的点即为第四参考点；若在达到第二参考点时仍未找到该一阶导数曲线值符号改变的点，则在第二、三参考点之间的某子区间内，一阶导数绝对值最小的时刻被认为是第四参考点对应的时刻 。
3.如权利要求1所述的一种测量心脏收缩时间参数的测量方法，其特征在于，还包括步骤f)，所述步骤f)为对一段时间内每个心动周期重复步骤a)到e)，得到LVET和LVETI的平均值；或对一段时间周期中重复步骤a)到c)得到的每个心动周期的tl和t4，分别取上述tl和t4的平均值，并将平均值运用于步骤d)和e)，得到LVET和LVETI的平均值。
4.如权利要求1所述的一种测量心脏收缩时间参数的测量方法，其特征在于，所述步骤a)与步骤b)之间还包括滤波步骤，所述滤波步骤为对步骤a)中采集的光电容积脉搏波信号进行滤波处理，消除低频运动噪声干扰。
5.一种测量心脏收缩时间参数的装置，其特征在于，包括用于从人体末梢组织采集光电容积脉搏波信号的信号采集单元、用于数据处理的信息处理单元和用于结果显示的数据输出单元，所述信号采集单元和数据输出单元分别连接在信息处理单元的输入端和输出端上。
6.根据权利要求5所述的一种测量心脏收缩时间参数的装置，其特征在于，所述信号采集单元与信息处理单元之间还设置有模数转换器，所述信号采集单元的频谱采集范围为0.05-35hz，所述模数转换器与信号采集单元之间还设置有陷波器，所述陷波器用于消除50hz的工频干扰信号。
7.根据权利要求6所述的一种测量心脏收缩时间参数的装置，其特征在于，所述信号采集单元与模数转换器之间还设置有信号预处理单元。
8.根据权利要求5所述的一种测量心脏收缩时间参数的装置，其特征在于，所述信号预处理单元包括滤波器和信号放大器之中的至少一个。
9.根据权利要求5至8中任意一个所述的一种测量心脏收缩时间参数的装置，其特征在于，所述数据输出单元包括显示单元、数据传输单元中的至少一个。
10.根据权利要求5至8中任意一个所述的一种测量心脏收缩时间参数的装置，其特征在于，所述信息 处理单元上还设置有用于控制信息处理单元的控制单元。
【文档编号】A61B5/0295GK104068841SQ201410318189
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】段文锋, 郑定昌, 潘帆 申请人:成都康拓邦科技有限公司