一种基于PPG信号的微循环功能指标检测系统及方法

技术领域

本发明涉及微循环检测技术领域，尤其是一种基于PPG信号的微循环功能指标检测系统及方法。

背景技术

微循环是人体血液循环系统的重要组成部分，主要是指微动脉与微静脉之间进行血液循环，实现在组织与血液之间进行物质交换，吸收营养物质并排出废物。如果人体微循环功能出现障碍，那么组织器官的正常代谢也将出现障碍，继而诱发多种疾病，例如高血压、糖尿病以及多种心脑血管疾病等血管并发症。因此，人体微循环功能检测对于疾病的早筛和预防都有着重大意义。

阻断后反应性充血试验能够反映局部受压力刺激后的微血流变化，其原理是首先局部加压血管，阻断血流造成局部缺血，然后维持一段时间后快速取消压力，造成缺血部位反应性充血，从而引起血管舒张反应。压力前皮肤微血流灌注量的基值RF与充血后最大微血流灌注量值PF，两者之比反映血管最大舒张程度、反应敏感性和弹性，评价皮肤微循环，间接反映血管内皮细胞功能。通过RF/PF值的变化，可以观察到局部血流情况，从而反映局部血管内皮功能。阻断后反应性充血所引起的血管舒张反应依赖结构完整和功能正常血管内皮，血管内皮功能受损会表现压力阻断后反应性充血的改变。

目前市面上无创微循环检测技术最成熟、应用最广的为激光多普勒技术，而以此为基础研制出的多普勒血流仪能够提取出阻断后反应性充血过程中的微循环功能指标进行微循功能检测，但多普勒血流仪存在造价昂贵、设备体积大、检测结果需人工分析等缺点。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种能够增加检测数据的维度、提高检测数据与评估结果的准确性、降低检测技术的成本、提高使用的便捷性的基于PPG信号的微循环功能指标检测系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于PPG信号的微循环功能指标检测系统，包括：

PPG信号采集模块，用于采集原始PPG信号并进行转换、放大、去除干扰信号；

压力控制模块，用于阻断局部血流；

中央控制模块，用于进行阻断后反应性充血实验，并采集数据；

数据接口模块，用于将电信号转换为数字信号，并传输给数据分析模块；

数据分析模块，用于对阻断后反应性充血各阶段的PPG信号进行分析，去除噪音优化波形，提取出PPG特征参数并转换为血流动力学参数；

数据展示模块，用于展示血流动力学参数与波形；

所述中央控制模块分别与压力控制模块、PPG信号采集模块、数据接口模块、数据分析模块、数据展示模块双向通讯。

所述PG信号采集模块由PPG传感器、信号放大器和滤波器组成，所述PPG传感器的输出端与信号放大器的输入端相连，信号放大器的输出端与滤波器的输入端相连。

所述压力控制模块由压力袖带和压力传感器组成，所述压力袖带的输出端与压力传感器的输入端相连。

所述中央控制模块采用控制芯片，其型号为NUC980DK。

所述数据接口模块采用USB转串口通讯模块。

所述数据展示模块为计算机显示屏。

本发明的另一目的在于提供一种基于PPG信号的微循环功能指标检测系统的检测方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)注册、登录：打开系统注册用户并登录；

(2)输入受试者基本信息：在系统中输入受试者的姓名、年龄、性别、身高、体重的基本信息；

(3)输入受试者健康信息：在系统中填写受试者健康信息问卷，包括：是否吸烟、是否患有糖尿病、是否患有高血压、是否患有心脏病、是否患有神经病变；

(4)进行阻断后反应性充血实验，并在实验过程中实时采集PPG信号数据；

(6)进行数据分析：将采集的PPG信号数据实时传输至数据分析模块，使用PPG特征参数提取算法进行分析，得到血液动力学参数以及波形；

(7)展示数据与评估结果：将血液动力学参数以及波形显示在计算机显示屏的系统界面上。

所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4a)受试者佩戴好PPG传感器与压力袖带，待PPG波形稳定后，记录基线PPG信号；

(4b)局部加压血管，阻断血流造成局部缺血，维持阻断状态，记录血流阻断过程中的PPG信号；

(4c)快速取消压力，使得缺血部位反应性充血，引起局部血管舒张反应，记录充血过程中的PPG信号。

在步骤(6)中，所述PPG特征参数提取算法包括PPG波形分析参数及其一阶导、二阶导参数，通过PPG特征参数提取算法提取出血流动力学参数用于微循环功能评估；所述血流动力学参数包括血流量变化百分比RP、充血后血流量达峰时间TM、灌注量PU和充血补偿HO：

血流量变化百分比RP＝RF/PF,其中RF为静息血流量相对值，即静息状态下PPG波形单个波形曲线全周期面积的平均值，PF为峰值血流量相对值，即充血过程中PPG波形单个波形曲线全周期面积的最大值；

充血后血流量达峰时间TM＝TP-T0,其中，T0为结束阻断时的时间，TP为充血过程中PPG波形达到波峰最大值对应的时间；

灌注量PU＝AC

充血补偿HO＝AH/AO,其中，AO表示阻断面积，即阻断过程中的每单位血流灌注量PU与阻断时间的乘积，AH表示充血面积，即充血过程中每单位血流灌注量PU与充血时间的乘积。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明选择了造价更为低廉、使用更为便捷的PPG信号，降低微循环检测的成本；第二，本发明提供了阻断后反应性充血作为测试流程，检测数据参数更加全面；第三，本发明的数据样本量大且包含了各种微循环功能状态的人体数据，检测数据与评估结果更加准确。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为去除干扰信号后的PPG波形图；

图4为灌注量变化曲线图。

具体实施方式

光电容积描记术(Photoplethysmography，PPG)是借助光电手段检测血容量变化的一种无创检测方法。随着光电技术的不断发展，PPG在医学领域的应用也愈加广泛。PPG波形可用于检测大血管和微血管灌注的变化，从而能够评估动脉、静脉以及微循环功能。

如图1所示，一种基于PPG信号的微循环功能指标检测系统，包括：

PPG信号采集模块，用于采集原始PPG信号并进行转换、放大、去除干扰信号；

压力控制模块，用于阻断局部血流；

中央控制模块，用于进行阻断后反应性充血实验，并采集数据；

数据接口模块，用于将电信号转换为数字信号，并传输给数据分析模块；

数据分析模块，用于对阻断后反应性充血各阶段的PPG信号进行分析，去除噪音优化波形，提取出PPG特征参数并转换为血流动力学参数；

数据展示模块，用于展示血流动力学参数与波形；

所述中央控制模块分别与压力控制模块、PPG信号采集模块、数据接口模块、数据分析模块、数据展示模块双向通讯。

所述PG信号采集模块由PPG传感器、信号放大器和滤波器组成，所述PPG传感器的输出端与信号放大器的输入端相连，信号放大器的输出端与滤波器的输入端相连。

所述压力控制模块由压力袖带和压力传感器组成，所述压力袖带的输出端与压力传感器的输入端相连。

所述中央控制模块采用控制芯片，其型号为NUC980DK。

所述数据接口模块采用USB转串口通讯模块。

所述数据展示模块为计算机显示屏。

如图2所示，本方法包括下列顺序的步骤：

(1)注册、登录：打开系统注册用户并登录；

(2)输入受试者基本信息：在系统中输入受试者的姓名、年龄、性别、身高、体重的基本信息；

(3)输入受试者健康信息：在系统中填写受试者健康信息问卷，包括：是否吸烟、是否患有糖尿病、是否患有高血压、是否患有心脏病、是否患有神经病变；

(4)进行阻断后反应性充血实验，并在实验过程中实时采集PPG信号数据；

(6)进行数据分析：将采集的PPG信号数据实时传输至数据分析模块，使用PPG特征参数提取算法进行分析，得到血液动力学参数以及波形；

(7)展示数据与评估结果：将血液动力学参数以及波形显示在计算机显示屏的系统界面上。

所述步骤(4)具体包括以下步骤：

(4a)受试者佩戴好PPG传感器与压力袖带，待PPG波形稳定后，记录基线PPG信号；

(4b)局部加压血管，阻断血流造成局部缺血，维持阻断状态，记录血流阻断过程中的PPG信号；

(4c)快速取消压力，使得缺血部位反应性充血，引起局部血管舒张反应，记录充血过程中的PPG信号。

在步骤(6)中，所述PPG特征参数提取算法包括PPG波形分析参数及其一阶导、二阶导参数，通过PPG特征参数提取算法提取出血流动力学参数用于微循环功能评估；所述血流动力学参数包括血流量变化百分比RP、充血后血流量达峰时间TM、灌注量PU和充血补偿HO：

血流量变化百分比RP＝RF/PF,其中RF为静息血流量相对值，即静息状态下PPG波形单个波形曲线全周期面积的平均值，PF为峰值血流量相对值，即充血过程中PPG波形单个波形曲线全周期面积的最大值；

充血后血流量达峰时间TM＝TP-T0,其中，T0为结束阻断时的时间，TP为充血过程中PPG波形达到波峰最大值对应的时间；

灌注量PU＝ACIR/DCIR,其中，ACIR表示PPG信号交流分量的幅值，DCIR表示直流分量的电平，以伏特表示；

充血补偿HO＝AH/AO,其中，AO表示阻断面积，即阻断过程中的每单位血流灌注量PU与阻断时间的乘积，AH表示充血面积，即充血过程中每单位血流灌注量PU与充血时间的乘积。

本发明中，所述PPG信号采集模块采用四个透射式PPG传感器，分别对应于左手大拇指指尖、右手大拇指指尖、左脚大拇指指尖与右脚大拇指指尖；所述信号放大器采用跨阻放大器，用跨阻放大器将光电流信号转换为PPG电压信号，并放大信号；所述滤波器采用低通滤波器，用低通滤波器初步去除基线漂移、干扰信号。

所述压力控制模块采用四个压力袖带和四个压力传感器，分别对应于左上肢肱动脉处、右上肢肱动脉处、左下肢踝动脉处与右下肢踝动脉处。对应部位压力传感器可在压力袖带充气加压时实时获取加压部位压力值，进而控制阻断压力。

在阻断后反应性充血实验时，将压力袖带与PPG探头即PPG传感器固定在受试者测试部位，待波形稳定后，开始阻断后反应性充血实验。开始测试后，记录2分钟基线值；而后开始充气加压，加压过程中与阻断压力稳定后实时记录PPG信号数据；阻断时上肢阻断压力与时间采取收缩压以上30mmHg持续3分钟、下肢阻断压力与时间采取收缩压以上40mmHg持续4分钟；最后放气，并记录5分钟充血反应过程中的PPG信号数据。

如图3所示，a段波形为阻断开始前的静息状态，PPG波形稳定，随心脏搏动呈现周期性变化；b段波形为阻断开始时充气加压，局部开始缺血，PPG信号变小；c段波形为阻断状态下，血流阻断造成局部缺血，PPG信号近乎消失；d段波形为阻断停止时压力快速消失，缺血部位反应性充血，PPG信号再次出现；e段波形为压力彻底消失后，阻断部位持续充血，局部血流量达到峰值后趋于稳定，因此相应的PPG波形振幅达到峰值后趋于稳定。

如图4所示，RF为静息状态下的基线血流灌注量、BZ为阻断状态下的生物零点血流灌注量、PF为充血状态下的峰值血流灌注量；PF对应的时间减去阻断结束对应的时间为达峰时间。

综上所述，本发明选择了造价更为低廉、使用更为便捷的PPG信号；本发明提供了阻断后反应性充血作为测试流程，检测数据参数更加全面；本发明的数据样本量大且包含了各种微循环功能状态的人体数据，检测数据与评估结果更加准确。