[发明专利]一种中心动脉压波形重构系统及方法

说明书

本发明公开了一种中心动脉压波形重构系统及方法，重构系统的外周动脉脉搏波测量模块将测量的外周动脉脉搏波发送给脉搏波矫正模块进行矫正，并输出矫正后的脉搏波数据至中心动脉压重构计算模块；中心动脉压重构计算模块由输入层、计算层、输出层三部分组成；输入层接收矫正后的外周动脉脉搏波并输入到计算层，计算层由若干长短时记忆单元构成，每个长短时记忆单元接受当前时刻输入层的信号和上一时刻本长短时记忆单元的输出；每个长短时记忆单元输出给输出层并同时作为下一时刻本长短时记忆单元的输入；输出层输出最终重构的中心动脉压脉搏波至数据显示模块。本发明能自动实现端到端的中心动脉压波形重构，重构准确率显著优于传统方法。

技术领域

本发明涉及中心动脉压波形重构系统及方法，具体涉及一种利用双边长短时记忆人工神经网络实现外周动脉到中心主动脉血压波形的无创重构的系统及方法，属于人工智能与医疗器械技术的交叉领域。

背景技术

中心动脉压波形指升主动脉根部血压随时间变化的曲线，它包含丰富的人体生理病理信息。通过提取中心动脉压波形的参数指标，如收缩压、舒张压、均压、脉压、反射强度、增强指数、射血时间、心输出量等，可以对测试者生理病理情况进行评估和预测。而且，一些临床研究表明：中心动脉压相比肱动脉血压的临床价值和指导意义更加突出，相比外周动脉血压更能反映心脏负荷，与心血管事件的发生更加密切相关。因此，中心动脉压波形的准确重构是提取这些参数指标的重要前提，是心血管系统疾病准确监测的关键，具有十分重要学术价值和临床应用意义。

目前，中心动脉压波形测量方法的“金标准”是利用导管介入外周动脉，如桡动脉和股动脉，在血管内部将传感器伸入到升主动脉根部附近，进行连续血压波形的测量。该导管介入法具有一定的创伤性，主要用于特定场合，如急救、心血管介入手术和重症监护等情况，其应用场景具有一定局限性。为此，一些无创方法被相继提出，并应用于一些医疗设备系统中。主要方法包括：传递函数法、N点移动平均法、分波法、盲源系统辨识法等。这些方法涉及的系统装置主要通过压力传感器或充气袖带中的传感器采集手指动脉、桡动脉、颈动脉、肱动脉或股动脉血压信号，然后建立物理模型或数学模型对数据进行分析和诊断，测量得到中心动脉血压波形。

传递函数法是最早的无创中心动脉压波形重构方法。1993年Karamanoglu等在European Heart Journal首次提出了该方法，该方法通过采集桡动脉和中心动脉压波形，然后采用傅里叶变换并进行两者相除，获得桡动脉与中心动脉压之间的传递函数，并对所有病例进行平均获得平均或通用传递函数。利用该传递函数作用于任一病例的桡动脉的傅里叶变换结果并进行逆傅里叶变换，从而计算出中心动脉压波形。1997年，Chen等在Circulation杂志上提出了新的基于自回归模型ARX的传递函数法，得到了更好的结果。该方法已经用于澳大利亚AtCorMedical公司开发了SphygmoCor动脉脉搏波分析系统中。由于这些学者提出的只是通用传递函数，没有体现个体差异性，在有些群体(如运动群体、糖尿病、低血压等)的临床实验中，其准确率不够理想。为了提高准确率，一些学者提出了个体化传递函数法。这些方法有的是利用桡动脉下降支获得特定参数实现传递函数的个体化，有的是通过建立人体动脉系统的集总模型、弹性腔模型、传输线模型、电网络模型等数学模型，并利用测量的桡动脉进行模型的参数估计，然后利用模型仿真或计算出中心动脉压波形。此类方法需要一定的血流动力学知识才能构建，而且模型参数的估计引入了潜在的误差风险。基于此，个体化传递函数的商用化还未完全实现。

N点移动平均法是Williams等2011年在Journal of the American College杂志上提出的一种便捷的中心动脉压方法。该方法采用一定窗宽的矩形波对桡动脉进行滑动平均从而获得中心动脉压，精度达到通用传递函数法的水平。我们小组2018年在IEEETransactions on Biomedical Engineering期刊上发表了关于N点移动平均法是一种特殊的通用传递函数法的证明和实验，指出窗口的调节实质修改了传递函数的传递时间和反射系数。尽管N点移动平均法的实现十分简单高效，具有很好的抗噪性，但是此方法只能获得中心动脉压的收缩压，无法获得波形和其他参数。