数字血压计的模拟和人体血压的分析
目前，有两种最常用的测量血压的方法-Korotkov方法（听诊或声学）和oscillometric。 这些方法中的每一种都提供了必要的准确性和方便的再现性，然而，它们中的每一种都有其优点和缺点。
目前，Korotkov方法是世界卫生组织批准的非侵入性血压测量方法。 使用眼压计进行测量，并且使用听诊器或麦克风收听来自袖带夹住的动脉的音调。
示波测量方法与Korotkov方法一样，基于记录层流血流变为湍流时的动脉搏动，但不听音调。 振荡测量方法使用直接在袖带中记录压力波动（振荡）。 因此，在第一个Korotkov音调期间，观察到脉动幅度最显着的增加–记录收缩压。 脉动幅度的急剧减小表明湍流血流到层流-舒张压的变化。
使用此示例，您可以使用测量压力的示波法研究数字眼压计的基本原理，并在研究期间考虑人体运动的影响。
安装必要的库以进行进一步建模。
In [ ]:
let
installed_packages = collect(x.name for (_, x) in Pkg.dependencies() if x.is_direct_dep)
list_packages = ["Random","Plots", "Statistics", "DSP"]
for pack in list_packages
pack in installed_packages || Pkg.add(pack)
end
end
In [ ]:
using Plots, Random, DSP, Statistics
关于心血管系统结构的一般信息
首先，我们将描述一个人（病人）的生理参数，这些参数是建模所必需的
*脉搏率-心脏收缩（收缩）和松弛（舒张）的周期数，通过每单位时间外周动脉中的脉搏波记录
***收缩压（上）动脉压（SD）**是心脏最大收缩时刻的血压水平，表征左心室心肌的状态。
***舒张（较低）血压（DB）**是心脏最大放松时刻的血压水平，表征动脉壁的音调程度。
In [ ]:
# Физиологические параметры человека (пацеинта)
age = 20 # Возраст, год
weight = 80 # Вес, кг
height = 180 # Рост, см
pulse_rate = 75; # Частота пульса, уд./мин.
systolic_bp = 120.0; # Систолическое давление, мм.рт.ст.
diastolic_bp = 80.0; # Диастолическое давление, мм.рт.ст.
血压以毫米汞柱为单位测量，缩写为mmHg。 血压值为120/80意味着收缩压为120mmHg，舒张压为80mmHg。
收缩压和舒张压值之间的差异称为脉压（PD）。 它显示了收缩压超过舒张压的程度，这是在收缩压期间打开半月板主动脉瓣所必需的。 通常，脉压为35-55毫米汞柱。
动脉压（BP）以毫米汞柱（mmHg）测量。
写入120/80mmHg的血压值意味着:
*收缩压（DM）=120mmHg。
*舒张压（DD）=80mmHg。
脉压（PD）是收缩压和舒张压值之间的差异。:
In [ ]:
pulse_bp = systolic_bp - diastolic_bp; # Пульсовое давление, мм.рт.ст.
为了确定平均动脉压（MPP），它表示持续血流的能量，可以使用以下Hickam公式:
In [ ]:
mean_bp = (systolic_bp + 2*diastolic_bp)/3; # Среднее артериальное давление, мм.рт.ст.
为了评估心血管系统的功能状态，计算心脏的分钟体积（MO）并与适当值（DMO）进行比较。
其中2.2是心脏指数，以升为单位，PT是体表，使用nomogram或各种公式计算。 在这个例子中，将使用Dubois公式。:
并且心脏的中风体积（UO）由表达式计算:
其中B是年龄，g。
让我们来介绍一下英文的符号
*PT(体表)→BSA(体表面积)
*UO(冲击体积)→SV(冲程体积)
*MO（分钟体积）→CO（心输出量）
*DMO(应有分钟体积)→RCO(所需心输出量)
In [ ]:
BSA = 0.007184 * (weight^0.425) * (height^0.725); # Поверхность тела, м^2
SV = 101 + 0.5 * systolic_bp - 1.08 * diastolic_bp - 0.6 * age; # Ударный объем, мл
CO = SV * pulse_rate; # Минутный объем, мл/мин
RCO = 2.2 * BSA * 1000; # Должный минутный объем, мл/мин
我们将显示计算心血管系统（CVS）参数的所得结果。
In [ ]:
println("Результаты расчета параметров сердечно сосудистой системы (ССС):")
println("----------------------------------------------------------------")
println("1. Пульсовое давление (ПП): ", round(pulse_bp; digits=1), " мм.рт.ст")
println("2. Среднее артериально давление (СрАД): ", round(mean_bp; digits=1), " мм.рт.ст")
println("3. Площадь поверхности тела (ПТ): ", round(BSA; digits=4), " м²")
println("4. Ударный объем (УО): ", round(SV; digits=1), " мл")
println("5. Минутный объем сердца (МО): ", round(CO; digits=1), " мл/мин")
println("6. Должный минутный объем (ДМО): ", round(RCO; digits=1), " мл/мин")
用振荡测量方法模拟数字眼压计的操作
具有示波测量方法的数字眼压计通过分析脉搏波从动脉传输时袖带中发生的气压波动（振荡）来确定血压。 让我们按顺序分析他的工作阶段。:
-
增加袖带中的压力
-
袖带中的压力缓慢释放
-
波动登记
-
测量结果的处理
-
显示结果
建模的准备阶段包括设置后续生成生理数据所必需的信号参数。 这个阶段决定了所有信号将建立在其上的时间轴的关键特性。
In [ ]:
# Параметры сигнала
fs = 200 # Частота дискретизации (200 Гц)
total = 60.0 # Общая длительность измерения (60 сек)
# Временная шкала
t = 0:1/fs:total - 1/fs;
第一阶段是模拟眼压计袖带中的压力。 该模型使用三个关键参数生成逼真的压力曲线。:
*抽水时间:10.0秒
（舒适的袖带填充的最佳时间，而不会对动脉造成过度负荷）
*高原持续时间:1.0秒
（动脉完全压缩的压力稳定期）
*峰值压力:160.0mmHg
(标准值超过典型收缩压30-40毫米汞柱)
In [ ]:
# Фазы измерения давления в манжете тонометра
time_pump = 10.0 # Длительность накачивания манжеты, сек
time_plato = 1.0 # Длительность плато после накачивания, сек
peak_pressure = 160.0 # Максимальное давление в манжете, мм.рт.ст
# Моделирования давления в манжете тонометра
function generate_pressure(time)
pressure = zeros(length(time)) # Создаем массив нулей той же длины, что вектор времени
# Накачивание давления в манжет
pump_phase = time .<= time_pump
pressure[pump_phase] = peak_pressure * (time[pump_phase] / time_pump).^0.85
# Плато
plato_start = time_pump
plato_end = time_pump + time_plato
plato_phase = (time .> plato_start) .& (time .<= plato_end)
pressure[plato_phase] .= peak_pressure
# Сброс давления в манжете
deflate_phase = (time.> plato_end)
deflate_time = time[deflate_phase] .- plato_end
tau = 7.0
pressure[deflate_phase] = peak_pressure .* exp.(-deflate_time ./ tau)
return pressure, deflate_phase, plato_end
end;
第二阶段包括对眼压计袖带中的振荡进行建模。 Generart_oscillation函数考虑到以下几个方面来实现波动:
*收缩期对应于直接脉搏跳动。
*Decrotic衰退模拟来自闭合主动脉瓣的反射波。
*舒张波动反映血管中的残余搏动。
*高斯调制模拟真实现象：当袖带中的压力等于平均动脉压时，观察到振荡的最大振幅。
In [ ]:
function generate_oscillations(pressure, time, pulse_rate, systolic_bp, diastolic_bp, mean_bp, inflation_duration; movement=false)
pulse_freq = pulse_rate / 60.0
T = 1 / pulse_freq
oscillations = zeros(length(time))
movement_detected = false
movement_start_time = 0
movement_end_time = 0
movement_start = 140.0 # Начальное давление артефактов движения, мм.рт.ст
movement_end = 110.0 # Конечное давление артефактов движения, мм.рт.ст
for i in eachindex(time)
t_val = time[i]
p = pressure[i]
t_mod = mod(t_val, T)
# Фаза сердечного цикла
systolic_phase = 0.15 * T # Систола, сек
dicrotic_phase = 0.18 * T # Декротическая выемка, сек
diastolic_phase = 0.45 * T # Диастола, сек
wave = 0.0
if t_mod < systolic_phase
phase_ratio = t_mod / systolic_phase
wave = 1.6 * phase_ratio * exp(1.8 * (1 - phase_ratio))
elseif t_mod < dicrotic_phase
phase_ratio = (t_mod - systolic_phase) / (dicrotic_phase - systolic_phase)
wave = 1.0 - 2.2 * phase_ratio
elseif t_mod < systolic_phase + diastolic_phase
phase_ratio = (t_mod - dicrotic_phase) / (diastolic_phase - (dicrotic_phase - systolic_phase))
wave = 0.3 * exp(-3.5 * phase_ratio) * sin(2*π * 1.2 * phase_ratio)
end
# Модуляция амплитуды
spread = (systolic_bp - diastolic_bp) / 2.5
amp_mod = exp(-0.5 * ((p - mean_bp) / spread)^2)
if t_val < inflation_duration
amp_mod = 0.0
elseif p < 60
amp_mod = 0.0
elseif p > systolic_bp + 20 || p < diastolic_bp - 15
amp_mod *= 0.02
elseif p < 80
amp_mod *= (p - 60) / 20
end
# Добавление базового шума
noise = 0.03 * randn()
oscillations[i] = 5.2 * amp_mod * (wave + noise)
# Генерация артефактов движения
if movement
if t_val > inflation_duration && p <= movement_start && p >= movement_end
if !movement_detected
movement_detected = true
movement_start_time = t_val
end
oscillations[i] += 3.5 * sin(2π * 0.8 * t_val)
if rand() < 0.15
oscillations[i] += 8.0 * randn()
end
else
if movement_detected
movement_detected = false
movement_end_time = t_val
end
end
end
end
# Если движение не закончилось
if movement && movement_detected
movement_end_time = time[end]
end
return oscillations, movement_start_time, movement_end_time
end;
第三阶段包括分析获得的结果并使用普遍接受的方法检测DM，DD和SrAD。
In [ ]:
function analysis(raw_osc, deflate_phase, pressure, time, fs)
# Фильтрация сигнала
ttime = 0.15 # Время реакции фильтра
n = Int(round(ttime * fs)) # Размер окна фильтра
b = ones(n)/n # Коэффициенты КИХ-фильтра
filt_osc = filt(b, [1], raw_osc) # Применение фильтра
# Детектирование фазы сдувания давления в манжете
deflate_osc = filt_osc[deflate_phase]
deflate_pres = pressure[deflate_phase]
deflate_times = time[deflate_phase]
# Построение огибающей
abs_osc = abs.(deflate_osc)
window_size = Int(round(0.45 * fs))
window = ones(window_size)/window_size
envelope = filt(window, [1], abs_osc)
# Находим максимальную амплитуду
max_amp, max_idx = findmax(envelope)
pres_max = deflate_pres[max_idx]
# Систолическое давление
systolic_lim = 0.15 * max_amp
systolic_region = findfirst(x -> x >= systolic_lim, envelope[1:max_idx])
systolic_idx = something(systolic_region, 1)
systolic = deflate_pres[systolic_idx]
# Диастолическое давление
diastolic_lim = 0.55 * max_amp
diastolic_region = findlast(x -> x >= diastolic_lim, envelope[max_idx:end])
diastolic_idx = diastolic_region === nothing ? length(envelope) : max_idx - 1 + diastolic_region
diastolic = deflate_pres[diastolic_idx]
return deflate_osc, deflate_times, envelope, systolic, diastolic, pres_max
end;
第一种情况。
在这种情况下，我们会考虑患者遵守测量血压规则的情况。
In [ ]:
#Первый сценарий: без артефактов движения
pressure, deflate_phase, plato_end = generate_pressure(t)
time_period = time_pump + time_plato
osc, _, _ = generate_oscillations(pressure, t, pulse_rate, systolic_bp, diastolic_bp, mean_bp, time_period, movement=false)
deflate_osc, deflate_times, envelope, systolic_est, diastolic_est, pres_max = analysis(osc, deflate_phase, pressure, t, fs)
pres_osc = pressure .+ osc
# Создаем график с двумя подграфиками
plt_1 = plot(layout=(2,1), size=(900, 700), legend=:topright, margin=40*Plots.px)
# Верхний график: Давление в манжете тонометра
plot!(plt_1[1], t, pres_osc,
title = "Давление в манжете тонометра (без артефактов)",
xlabel = "Время, с",
ylabel = "Давление, мм рт.ст",
label = "Давление в манжете",
linewidth = 2,
color = :blue,
ylims = (0, 200),
xlims = (0, total),
grid = true)
# Ключевые точки давления
hline!(plt_1[1], [systolic_est], linestyle=:dash, color=:red,
label="Систолическое (изм: $(round(systolic_est, digits=1))")
hline!(plt_1[1], [diastolic_est], linestyle=:dash, color=:purple,
label="Диастолическое (изм: $(round(diastolic_est, digits=1))")
hline!(plt_1[1], [pres_max], linestyle=:dash, color=:brown,
label="Среднее (изм: $(round(pres_max, digits=1))")
# Реальные значения
hline!(plt_1[1], [systolic_bp], linestyle=:dot, color=:red, label="Систолическое (реал: $systolic_bp)")
hline!(plt_1[1], [diastolic_bp], linestyle=:dot, color=:purple, label="Диастолическое (реал: $diastolic_bp)")
# Нижний график: Осцилляции давления
plot!(plt_1[2], t, osc,
title = "Осцилляции давления",
xlabel = "Время, с",
ylabel = "Амплитуда, мм рт.ст",
label = "Осцилляции",
linewidth = 1.5,
color = :blue,
xlims = (0, total),
grid = true)
# Огибающая только на фазе сдувания
plot!(plt_1[2], deflate_times, envelope,
label = "Огибающая осцилляций",
linewidth = 2.0,
color = :red)
# Пороги определения
systolic_lim = 0.15 * maximum(envelope)
diastolic_lim = 0.55 * maximum(envelope)
hline!(plt_1[2], [systolic_lim], linestyle=:dash, color=:green, label="Систолический порог (15%)")
hline!(plt_1[2], [diastolic_lim], linestyle=:dash, color=:orange, label="Диастолический порог (55%)")
hline!(plt_1[2], [maximum(envelope)], linestyle=:dash, color=:purple, label="Максимальная амплитуда")
# Вывод результатов первого сценария
println("\nРезультаты анализа первого сценария (отсутствие движения):")
println("Систолическое давление: $(round(systolic_est, digits=1)) мм рт.ст. (реальное: $systolic_bp)")
println("Диастолическое давление: $(round(diastolic_est, digits=1)) мм рт.ст. (реальное: $diastolic_bp)")
println("Среднее артериальное давление: $(round(pres_max, digits=1)) мм рт.ст.")
println("Пульс: $pulse_rate уд/мин")
# Отображения графиков
display(plt_1)
savefig(plt_1, "tonometer_no_movement.png")
Out[0]:
从第一种情景的仿真结果可以看出，所得模型检测到的人体血压波动的准确度至少为5%。
第二种情况。
在这种情况下，我们会考虑患者忽略测量血压规则的情况。
In [ ]:
# Второй сценарий: с артефактами движения
osc_movement, movement_start_time, movement_end_time = generate_oscillations(pressure, t, pulse_rate, systolic_bp, diastolic_bp, mean_bp, time_period, movement=true)
deflate_osc_movement, deflate_times_movement, envelope_movement, systolic_est_movement, diastolic_est_movement, max_pres_movement = analysis(osc_movement, deflate_phase, pressure, t, fs)
pressure_movement = pressure .+ osc_movement
# Создаем график (два подграфика)
plt_2 = plot(layout=(2,1), size=(900, 700), legend=:topright, margin=40*Plots.px)
# Верхний график: Давление манжета тонометра с артефактами
plot!(plt_2[1], t, pressure_movement,
title = "Давление в манжете тонометра (с артефактами движения)",
xlabel = "Время, с",
ylabel = "Давление, мм рт.ст",
label = "Давление в манжете",
linewidth = 2,
color = :blue,
ylims = (0, 200),
xlims = (0, total),
grid = true)
# Выделение области артефактов движения
if !isnan(movement_start_time) && !isnan(movement_end_time)
vspan!(plt_2[1], [movement_start_time, movement_end_time], alpha=0.25, color=:magenta, label="Артефакты движения")
end
# Ключевые точки давления
hline!(plt_2[1], [systolic_est_movement], linestyle=:dash, color=:red, label="Систолическое (изм: $(round(systolic_est_movement, digits=1))")
hline!(plt_2[1], [diastolic_est_movement], linestyle=:dash, color=:purple,label="Диастолическое (изм: $(round(diastolic_est_movement, digits=1))")
hline!(plt_2[1], [max_pres_movement], linestyle=:dash, color=:brown, label="Среднее (изм: $(round(max_pres_movement, digits=1))")
# Реальные значения давления
hline!(plt_2[1], [systolic_bp], linestyle=:dot, color=:red, label="Систолическое (реал: $systolic_bp)")
hline!(plt_2[1], [diastolic_bp], linestyle=:dot, color=:purple, label="Диастолическое (реал: $diastolic_bp)")
# Нижний график: Осцилляции с артефактами движения
plot!(plt_2[2], t, osc_movement,
title = "Осцилляции давления с артефактами",
xlabel = "Время, с",
ylabel = "Амплитуда, мм рт.ст",
label = "Осцилляции",
linewidth = 1.5,
color = :blue,
xlims = (0, total),
grid = true)
# Огибающая
plot!(plt_2[2], deflate_times_movement, envelope_movement,
label = "Огибающая",
linewidth = 2.0,
color = :red)
# Пороги определения
systolic_lim_mov = 0.15 * maximum(envelope_movement)
diastolic_lim_mov = 0.55 * maximum(envelope_movement)
hline!(plt_2[2], [systolic_lim_mov], linestyle=:dash, color=:green, label="Систолический порог (15%)")
hline!(plt_2[2], [diastolic_lim_mov], linestyle=:dash, color=:orange, label="Диастолический порог (55%)")
hline!(plt_2[2], [maximum(envelope_movement)], linestyle=:dash, color=:purple, label="Максимальная амплитуда")
# Область артефактов движения
if !isnan(movement_start_time) && !isnan(movement_end_time)
vspan!(plt_2[2], [movement_start_time, movement_end_time],
alpha=0.15, color=:magenta, label="Артефакты движения")
end
# Вывод результатов для второго сценария
println("\nРезультаты анализа второго сценария (наличие движения):")
println("Систолическое давление: $(round(systolic_est_movement, digits=1)) мм рт.ст. (реальное: $systolic_bp)")
println("Диастолическое давление: $(round(diastolic_est_movement, digits=1)) мм рт.ст. (реальное: $diastolic_bp)")
println("Среднее артериальное давление: $(round(max_pres_movement, digits=1)) мм рт.ст.")
println("Пульс: $pulse_rate уд/мин")
# Отображение графика
display(plt_2)
savefig(plt_2, "tonometer_with_movement.png")
Out[0]:
根据第二种情况的结果，很明显收缩压的确定是不正确的。 由于在测量期间由人体运动引起的伪影而发生错误检测。
在不存在和存在由人类运动引起的伪影的情况下测量人类压力的情景的可视化。
In [ ]:
# Визуализация результатов моделирвоания первого и второго сценария
# Вывод результатов первого сценария
println("\nРезультаты анализа первого сценария (отсутствие движения):")
println("Систолическое давление: $(round(systolic_est, digits=1)) мм рт.ст. (реальное: $systolic_bp)")
println("Диастолическое давление: $(round(diastolic_est, digits=1)) мм рт.ст. (реальное: $diastolic_bp)")
println("Среднее артериальное давление: $(round(pres_max, digits=1)) мм рт.ст.")
println("Пульс: $pulse_rate уд/мин")
# Отображения графиков
display(plt_1)
# Вывод результатов для второго сценария
println("\nРезультаты анализа второго сценария (наличие движения):")
println("Систолическое давление: $(round(systolic_est_movement, digits=1)) мм рт.ст. (реальное: $systolic_bp)")
println("Диастолическое давление: $(round(diastolic_est_movement, digits=1)) мм рт.ст. (реальное: $diastolic_bp)")
println("Среднее артериальное давление: $(round(max_pres_movement, digits=1)) мм рт.ст.")
println("Пульс: $pulse_rate уд/мин")
# Отображение графика
display(plt_2)
结论
在这个例子中，考虑了具有振荡压力测量方法的数字眼压计模型。 还考虑了两种情况:
*无人工（病人）运动的袖带压力;
*带人体（患者）运动伪影的袖带压力。
分析所获得的结果，可以说，为了正确确定一个人的收缩压和舒张压，必须遵循一些规则。:
-
测量应在舒适，平静的环境中进行，房间应在室温下;
-
只有在至少五分钟的休息期后才能测量血压。;
-
应该记住，肩膀不应该被衣服挤压，特别是因为通过衣服测量血压是不正确的。;
-
在测量过程中不要移动或说话。
在初始测量期间，应在双手上确定血压，然后在压力较高的手上测量血压。 （手上的血压差异高达10-15mmHg是正常的。)