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在生理学数学模型中验证的收缩系和舒张血压的示波测量

抽象的

背景

用自动袖带测量血压的示波方法产生了有效的均衡估计,而是可疑的收缩压和舒张压估计。现有算法对脉冲压力和动脉刚度的差异敏感。有些人密切守卫商业秘密。精确提取来自袖带压力振荡封套的收缩和舒张压仍然是生物医学工程的开放问题。

方法

对相关解剖学,生理学和物理学的新分析揭示了袖带压力振荡的生产的机制以及从任何个体受试者的振荡壳中提取收缩和舒张压的方法。压缩动脉段的刚度特性可以从包络形状中提取以产生个性化的数学模型。用可能的收缩系统和舒张压值的基质进行测试,观察和预测的包络功能之间的最小最小二乘差异表示测试基质内的收缩和舒张压的最佳选择。

结果

该模型再现现实的袖带压力振荡。回归过程在不同的脉冲压力和动脉刚度方面精确提取收缩压和舒张压。在一系列挑战性测试场景上提取的收缩系统和舒张压中提取的根本平方误差为0.3mmHg。

结论

一种基于物理和生理学的新算法,可以通过在公共领域的验证,批评和更新的方式中精确提取来自袖带压力振荡的袖带压力振荡。

背景

将血液从心脏左心室喷射到主动脉中的血液产生脉动血压在动脉中。收缩压是最大脉动压力和舒张压是动脉中最小脉动压力,在下一个心室收缩之前发生最小。正常的收缩/舒张值近120/80 mmHg。正常平均动脉压约为95mmHg [1]。

通过用外部气动袖带封闭主要动脉(通常是臂臂)的主要动脉(通常是臂动脉)来测量血压。当袖带中的压力高于动脉内部的血压时,动脉塌陷。由于外部袖带中的压力通过排出阀门缓慢降低,袖带压降降低收缩压,血液将开始通过动脉进行喷射。这些喷射使动脉在袖扣区域中与每个脉冲扩展,并导致着名的特征声音称为Korotkoff声音。当血液首先穿过动脉的袖扣区域时,袖带的压力是对收缩压的估计。当血液首先开始连续流动时,袖带的压力是舒张压的估计。有几种方法可以在袖带放气时检测脉动血流:触觉,用听诊器对动脉进行听诊,听到KOROTKOFF声音,并记录袖带压力振荡。这些对应于使用袖口测量血压的三种主要技术[2]。

在触摸方法中,远端脉冲的外观表明袖带压力刚刚下降到收缩动脉压下降。在综进方法中,KOROTKOFF声音的外观类似地表示收缩压,声音的消失或消失表示舒张压。在示波器方法中,袖带压力是高通滤波以提取心频处的小振荡,并且计算这些振荡的包络,例如通过集成每个脉冲而获得的区域[3.]。由于袖带压力在收缩压和平均动脉压之间落下时,这些振荡增加了幅度。然后振荡减小振幅,因为袖带压力低于平均动脉压。通过计算机辅助分析解释相应的振荡包络功能,以提取血压估计。

最大振荡的点对应于平均动脉压力[4.-6.]。然而,对应于收缩和舒张压的包膜上的点数较小。通常是最大幅度算法的版本[7.]用于估计收缩系和舒张压值。最大振荡的点用于将信封划分为上升和下降阶段。然后,峰值幅度的特征比或级分用于在包络的上升相和对应于封套的下降相的舒张压上找到对应于收缩压的点。

特征比(也称为振荡比或收缩量和舒张检测比率[8.[通过在独立确定的收缩点或舒张点处测量袖带振荡振荡,除以最大袖带振荡幅度,通过实验实验获得。收缩期点在封套的上升阶段的峰值高度的约50%处发现。舒张点以约70%的峰值高于封套的阶段[7.]。这些经验比对于生理条件的变化,包括最重要的是脉冲压(收缩减去舒张压)和动脉僵硬度的最重要敏感性敏感性9.10.]。此外,缺乏任何特定比率的合理物理解释。由于袖口压力振荡继续延长延伸血压下降时,舒张压的终点是模糊的。在市售设备中使用的大多数实用算法是密切保护的商业秘密,不受独立的批评和验证。因此,确定来自袖带压力振荡的收缩系和舒张动脉压力的最佳方法仍然是开放的科学问题。

本研究解决了基于潜在物理,解剖学和生理学的新方法问题。该任务需要在袖带通气期间建模袖带和臂和臂内部分闭塞动脉的动态。问题的第二阶段是开发用于分析记录的袖带压力振荡的回归过程,以提取模型参数并预测将产生观察到的袖带压力振荡的独特的收缩压和舒张压水平。

方法第1部分:袖带压力振荡建模

袖口和手臂的模型

如图所示1,可以将袖带视为尺寸的空气填充的气球,大约30cm×10cm×1cm,其在臂周围的非膨胀织物中包裹。通胀后,袖带的外壁变得刚性,并且袖带的顺应性完全是由于它含有的空气。在示波器中,袖带将箍筋膨胀至收缩渗透良好的压力,比如150至200 mmHg,然后以r = 3mmHg /秒的渗出速率逐渐排放[11.]。当动脉填充和清空时,袖带压力的小振荡发生,因为袖带压力在动脉中的收缩压和舒张压之间通过。

图1
图1

袖口,皮肤,肌肉,骨骼和动脉的安排,在示波器血压记录期间,手臂的简单模型。

让P.0.是跑步开始时袖口的最大充气压力。以速率,RmHg / sec(约3mmHg / sec [11.])。在短暂的一个心跳期间,袖带内的空气量大致恒定。除了平滑的袖带通气外,小袖带压力振荡是由动脉的脉动膨胀和袖带中空气的相应压缩引起的。一个可以将袖带模拟作为具有几乎固定的容积的压力容器,V0.- ΔV一种,其中V.0.是心跳和ΔV之间的袖口体积一种随着动脉脉冲扩张,是袖带下方动脉下方的血液的小增量体积。

从音量变化计算袖带压力振荡,ΔV一种,在闭塞动脉段中,有必要了解袖口的依从性,C =ΔV/ΔP,这可以从博伊尔法律上获得,如下所示。Boyle’s law is PV = nRT, where P is the absolute pressure (760 mmHg plus cuff pressure with respect to atmospheric), V is the volume of air within the cuff, n is the number of moles of gas, R is the universal gas constant, and T is the absolute temperature. During the time of one heartbeat, n, R, and T are constants and n is roughly constant owing to the slow rate of cuff deflation. Hence to relate the change in cuff pressure, ΔP to the small change in cuff volume, ΔV, from artery expansion we may write P. V. P. + δ. P. V. + δ. V. P. V. + P. δ. V. + V. δ. P. ,对于绝对的袖带压力p.所以

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