[发明专利]基于光电体积描记（PPG）信号估计血压和动脉硬化度的方法

说明书

本发明涉及一种基于光电体积描记(PPG)信号估计血压和动脉硬化度的方法。开发了新的算法，并基于PPG信号对其进行了验证，以通过估计心血管参数来分析人的心血管状况。利用本发明，提供了一种用于基于PPG信号测量受试者的一个或多个心血管参数的方法。

本发明涉及一种基于光电体积描记(photoplethysmography， PPG)信号估计血压和动脉硬化度的方法。开发了新的算法，并基于 PPG信号对其进行了验证，以通过估计心血管参数来分析人的心血管状况。利用本发明，提供了一种用于基于PPG信号测量受试者的一个或多个心血管参数的方法。

可以在许多不同的设备中找到光电体积描记(PPG)传感器。它们不仅内置于消费品诸如腕式健身追踪器中，而且内置于医疗专业人员使用的设备中。传感器主要用于估计脉搏率或血液中的氧饱和度。

体积描记器是一种测量器官体积变化的仪器，并且基本上是一种光学传感器。术语光电体积描记通常是指由于血流引起的动脉和小动脉的体积变化的测量。有不同类型的PPG传感器。有些放置在指尖，有些放置在手腕，以及其他部位例如耳垂也是可能的。传感器本身由将光发射到皮肤上的发光二极管(LED)和光电二极管组成。该二极管通常位于LED旁边，用于检测反射的光(B型)。对于手指传感器，光电二极管也可以放置在手指的另一端，用于测量穿过手指的光(A 型)。图1.1显示了不同的类型。

PPG传感器的放置可影响信号质量以及对运动伪影的稳健性。光波长、配置和连续分析取决于测量部位(Castaneda等人,International journal of biosensorbioelectronics,vol.4,n.4,pp.195-202,2018)。光波长是一个相关的项目问题(其也影响光电探测器系统)。通常， PPG设备在红色或近红外波长下工作。由于其光学特性，这种类型的光源提供出色的深层组织(例如进入肌肉)的血流测量。最近，越来越多的商用传感器配备了绿色光源：它适用于表面测量(例如小动脉)，它提供更大的信号调制(Tamura等人,Electronics,vol.3,pp.282-302, 2014)，并且它的信噪比比红外光源更好(Jing等人,38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in medicine andbiology society,2016)。

PPG波形

基于光在其中传播的不同层，PPG波形包括两部分：搏动(AC) 生理波形，其归因于每次心跳时(血管中)血容量的心脏同步变化，该波形叠加在缓慢变化(DC)的组分上。DC或静态信号由身体组织的静态组分(例如表皮、骨骼和非搏动性血液)确定。

心动周期内的光电体积描记信号具有定型活动的波形。能够检测到两个相位：上升相位(anacrotic phase)和下降相位(catacrotic phase)。前者主要归因于心动周期的收缩事件，后者部分归因于舒张事件和周围血管对压力波的反射。

如图1.2所示，在PPG波形中能够检测到标志点。收缩足定义为心动周期中PPG波的最小值。收缩峰是最大点。这两点都处于上升相位。舒张峰是第二最大值。重搏切迹是收缩峰和舒张峰之间的轻微负拐点；此切迹的存在与否取决于多个因素(例如年龄或测量部位)。重搏切迹和舒张峰均落入下降相位。

传感器放置

PPG传感器的放置能够影响信号质量以及对运动伪影的稳健性。光波长、配置和后续分析取决于测量部位。最常见的测量部位是指尖：其在重症监护室中使用以获得有关氧饱和度的信息(其通常称为“脉博血氧仪”)。由于与其他测量部位相比能够实现较大的信号振幅，因此该测量可被视为PPG信号的金标准。但是，此部位的最大缺点是这种类型的传感器干扰日常活动，因此不适合普遍感测。