適合連續(xù)血壓測(cè)量的脈搏波分析方法的研究

殷廣亮，盧文科，倪珊珊

（東華大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201620）

適合連續(xù)血壓測(cè)量的脈搏波分析方法的研究

殷廣亮，盧文科，倪珊珊

（東華大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201620）

脈搏波變化蘊(yùn)藏著豐富的人體生理信息。利用紅外脈搏傳感器提取人體指尖脈搏波，分析脈搏波的特征點(diǎn)及特征參數(shù)，從而建立特征參數(shù)與人體真實(shí)血壓的回歸方程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)血壓的無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量。該過(guò)程主要包括特征點(diǎn)提取、特征參數(shù)分析、回歸方程建立、連續(xù)血壓預(yù)測(cè)四個(gè)部分。通過(guò)此方法計(jì)算所得出的血壓值與壓力式血壓計(jì)所測(cè)量的人體真實(shí)血壓值具有良好的一致性。

無(wú)創(chuàng)；連續(xù)；血壓測(cè)量；脈搏特征參數(shù)

0 引言

現(xiàn)今社會(huì)，生活壓力劇增，高血壓已經(jīng)成為最常見(jiàn)的心血管系統(tǒng)慢性病。自古以來(lái)血壓的測(cè)量經(jīng)歷了脈診、水銀柱式測(cè)量?jī)x以及電子袖帶式血壓計(jì)等多種方式。傳統(tǒng)的血壓測(cè)量?jī)x多為袖帶式且不可連續(xù)測(cè)量。為了研究全新的血壓測(cè)量方式從而實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、無(wú)袖帶、長(zhǎng)期、連續(xù)的血壓測(cè)量，很多學(xué)者探究了多種測(cè)量方法［1-2］。醫(yī)院與家庭中所使用的血壓測(cè)量裝置主要是基于柯氏音法或示波法，雖然能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)量出血壓值，但袖帶需要充氣放氣，只能測(cè)量出某個(gè)時(shí)刻的血壓值，無(wú)法對(duì)血壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，此外，袖帶還會(huì)對(duì)被測(cè)對(duì)象的手臂或者手腕等測(cè)量位置產(chǎn)生壓力，使被測(cè)者產(chǎn)生不適感。為了克服上述測(cè)量方法的不足，許多學(xué)者提出了基于脈搏波的血壓測(cè)量方法。脈搏波是由心臟的周期性收縮產(chǎn)生的，心室收縮時(shí)將血射入主動(dòng)脈中，使主動(dòng)脈內(nèi)壓力驟升同時(shí)容積增大，動(dòng)脈管壁隨之?dāng)U張；及至減慢射血期，主動(dòng)脈壓開(kāi)始下降，管壁彈性回縮。動(dòng)脈管壁隨著心室的舒縮而出現(xiàn)周期性的回縮和舒張，即形成脈搏［3-4］。脈搏起始于主動(dòng)脈根部，沿動(dòng)脈管壁進(jìn)行波浪式傳播，又稱為脈搏波，而脈搏波可以反映出諸多的生理信號(hào)。當(dāng)血液流經(jīng)人體的微血管時(shí)，該部分微血管的血液容積在心臟波動(dòng)下會(huì)呈動(dòng)脈性變化。這里用血液容積的變換來(lái)反映血管的變化，采用紅外光電脈搏傳感器記錄血管光電容積的變化，血液容積隨時(shí)間變化的波形進(jìn)而可以等效為脈搏波［5］。目前，脈搏波分析方法主要有三種：心電波形與光脈搏波結(jié)合方法、兩路脈搏波結(jié)合分析方法、脈搏波特征參數(shù)血壓測(cè)量技術(shù)。每一種測(cè)量方法又各有其優(yōu)缺點(diǎn)［6］。

（1）心電波形與光電容積脈搏波結(jié)合法：心電與光電容積脈搏波結(jié)合法是利用同一動(dòng)脈脈搏波從心電 R波傳輸至脈搏波特征點(diǎn)之間的時(shí)間間隔來(lái)估測(cè)血壓。經(jīng)推理演算的血壓的估算公式為［7］：

其中 a為動(dòng)脈壁的厚度，d為內(nèi)部直徑，g為重力加速度，E0為動(dòng)脈壁的彈性系統(tǒng)。K表示脈搏波所經(jīng)過(guò)的距離，T表示傳播時(shí)間。

此方法無(wú)法檢測(cè)預(yù)射血期的脈搏波的變化情況，預(yù)射血期的存在又會(huì)導(dǎo)致脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的變化，同時(shí)，脈搏波流過(guò)的血管長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，更容易受到血管狀況不同的影響，這些因素都會(huì)影響 PTT，導(dǎo)致估計(jì)的血壓不夠精確。此外該方法還要設(shè)計(jì)一套心電傳感器，會(huì)給被測(cè)者增加負(fù)擔(dān)，并且使測(cè)量系統(tǒng)變得繁雜，便攜性能受到影響。

（2）兩路光電容積脈搏波結(jié)合的方法：這種方法利用人體兩個(gè)不同的部位，例如手指和手腕，根據(jù)測(cè)得的兩路脈搏波信號(hào)特征點(diǎn)的時(shí)間間隔來(lái)估算血壓［8］。兩路脈搏波相結(jié)合的方法保持了動(dòng)脈血管的一致性，避免了心臟預(yù)射期的影響。但這種方法所得到的脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間只與收縮壓變化量有一定的關(guān)系，舒張壓的變化相關(guān)性很小，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量舒張壓。而且需要測(cè)量?jī)陕访}搏波，也會(huì)給被測(cè)者帶來(lái)很大的不便。

（3）脈搏波特征參數(shù)法：該方法的核心在于建立脈搏波特征參數(shù)與血壓之間的關(guān)系［9］。這種方法只需要測(cè)量一路脈搏波，通過(guò)波形的特征參數(shù)與指尖血壓的相關(guān)性來(lái)估算舒張壓與收縮壓。本文將主要研究通過(guò)脈搏波特征參數(shù)法來(lái)實(shí)現(xiàn)指尖連續(xù)血壓測(cè)量［10］。

1 脈搏波特征參數(shù)法測(cè)量血壓原理

該方法的主要原理是對(duì)提取到的波形選取特定波形的特征參數(shù)，此方法一般選取 13個(gè)特征參數(shù)，即主波高度、降中峽相對(duì)高度 H、重搏波相對(duì)高度 h/H、主波上升斜率 V、脈動(dòng)周期時(shí)間 T、收縮期時(shí)間比 T1/T、舒張期時(shí)間比 T2/T和 H（1+T1/T2）、收縮期面積比 Sa/S、舒張期面積比 Sb/S、脈搏波波形特征量 K、收縮期面積特征量 K1、舒張期面積特征量 K2［11］。每個(gè)特征參數(shù)可以反映獨(dú)特的生理指標(biāo)，例如，K值是一個(gè)以脈搏波波圖面積變化為基礎(chǔ)的脈搏波波形特征量，它可反映血管外周阻力、血管壁彈性和血液黏度等人體心血管系統(tǒng)中最為重要的生理參數(shù)。然后以被測(cè)者的真實(shí)血壓值作為因變量，以脈搏波特征參數(shù)為自變量進(jìn)行回歸分析，建立起血壓與特征參數(shù)的關(guān)系方程。方法原理如圖1所示。

2 實(shí)現(xiàn)

圖1 脈搏波特征參數(shù)法的原理分析

采集到脈搏波之后，首先需要確定脈搏波的特征參數(shù)。特征參數(shù)的提取通過(guò)分析脈搏波的特征點(diǎn)來(lái)確定。這里針對(duì)一個(gè)周期的脈搏波使用6個(gè)脈搏波特征點(diǎn)。首先是提取波形的特征點(diǎn)，每個(gè)脈搏周期的分割采用小波模極大值法實(shí)現(xiàn)。然后在每個(gè)周期內(nèi)找到最大、最小值分別為 C、B兩點(diǎn)，然后再看特定區(qū)間內(nèi)是否存在極點(diǎn)，若存在則可以確定 F和 G點(diǎn)，若不存在極值點(diǎn)，則繼續(xù)進(jìn)行微分，找到曲率最大的點(diǎn)即 F點(diǎn)和曲率最小的點(diǎn)即G點(diǎn)。特定區(qū)間是通過(guò)大量脈搏波做統(tǒng)計(jì)分析所得。D點(diǎn)為每個(gè)脈搏周期內(nèi)二階差分最大值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。而 E點(diǎn)是D和 F點(diǎn)之間斜率最小的點(diǎn)。如圖2所示。

圖2 脈搏波特征點(diǎn)的選擇

特征點(diǎn)的變化代表了心血管系統(tǒng)的不同狀態(tài)。在圖2中，B點(diǎn)為主動(dòng)脈瓣開(kāi)放點(diǎn)；C點(diǎn)為收縮期最高壓力點(diǎn)；D點(diǎn)為主動(dòng)脈擴(kuò)張降壓點(diǎn)；E點(diǎn)為左心室舒張期開(kāi)始點(diǎn)；F點(diǎn)為重搏波起點(diǎn)；G點(diǎn)為重搏波壓力最高點(diǎn)。識(shí)別特征點(diǎn)之后，進(jìn)行特征參數(shù)的計(jì)算。通過(guò)特征點(diǎn)的值可以計(jì)算出每個(gè)脈搏周期13個(gè)特征參數(shù)的值。

這里為了建立血壓與特征參數(shù)之間的關(guān)系，選擇了11名 20～30歲的健康受試者進(jìn)行回歸分析。采用紅外脈搏傳感器采集指尖處的脈搏波波形，從采集到的波形里選取 100個(gè)周期的波形，對(duì)每個(gè)波形識(shí)別特征點(diǎn)并提取特征參數(shù)。與此同時(shí)用袖帶式電子血壓計(jì)測(cè)量被測(cè)者的血壓值。對(duì)于每一名受試者分別以收縮壓和舒張壓為因變量，以提取的 13個(gè)脈搏波的特征參數(shù)為自變量，進(jìn)行逐步回歸分析，選擇 a值為 0.1作為選入或剔除自變量的 F檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果如表1、2所示。

表1 收縮壓的回歸分析結(jié)果

表2 舒張壓的回歸分析結(jié)果

由表1、2中數(shù)據(jù)可以看出，收縮壓與主波上升斜率V相關(guān)性較好，而舒張壓與脈搏波波形特征量K相關(guān)性較好。不同的人，其血壓特征方程是不同的，所以不能采取統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)方程來(lái)進(jìn)行血壓的測(cè)量。在測(cè)量每個(gè)人的血壓之前，應(yīng)該首先采集一段時(shí)長(zhǎng)的脈搏波，分析得出特征方程以后再應(yīng)用此方程進(jìn)行血壓的連續(xù)測(cè)量。選取其中的一名受試者，逐步分析得到收縮壓 （SBP）和舒張壓（DBP）方程為：

脈搏波特征參數(shù)測(cè)量血壓的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3。

圖3 脈搏波特征參數(shù)測(cè)量血壓實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了多種現(xiàn)代血壓測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并主要提出一種基于脈搏波特征參數(shù)的連續(xù)血壓測(cè)量方法。此方法通過(guò)提取脈搏波的特征參數(shù)，進(jìn)而逐步回歸分析建立血壓與脈搏波特征參數(shù)之間的關(guān)系方程，通過(guò)建立的特征方程來(lái)估計(jì)人體每搏的收縮壓與舒張壓，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量。本文方法測(cè)得的血壓與普通電子袖帶式血壓計(jì)測(cè)得的血壓擁有良好的一致性，收縮壓與舒張壓的平均差值都小于 5，標(biāo)準(zhǔn)方差都小于10。所以基于脈搏波特征參數(shù)的血壓測(cè)量方法能夠真實(shí)地反應(yīng)人體的血壓值，也最為適合應(yīng)用于連續(xù)血壓測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。

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Research on methods suitable for continuous blood pressure measurement based on pulse wave

Yin Guangliang，Lu Wenke，Ni Shanshan
（Information Institute，Donghua University，Shanghai 201620，China）

Pulse wave of human contains much physiological information.By extracting the human fingertip pulse wave with infrared pulse sensor and analizing feature points and feature parameters of pulse wave，we can establish the regression equation between characteristic parameters and real human blood pressure.Then the noninvasive continuous blood pressure measurement can be actualized.The process mainly includes feature extraction，feature analysis，foundation of regression equation and continuous blood pressure prediction.The result of this method are in good agreement with the real value of blood pressure.

noninvasive；continuous；blood pressure measurement；pulse features

TP212.3

A

1674-7720（2015）23-0011-03

殷廣亮，盧文科，倪珊珊.適合連續(xù)血壓測(cè)量的脈搏波分析方法的研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（23）：11-13.

2015-08-13）

殷廣亮（1990-），男，在讀碩士，主要研究方向：智能傳感器。

盧文科（1962-），男，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：聲表面波、靜磁波、小波變換、傳感器理論及技術(shù)。

倪珊珊（1990-），女，在讀碩士，主要研究方向：智能傳感器。