基于A型超聲波傳感器的血壓連續(xù)測量系統(tǒng)

李洪陽， 李毅彬， 李申龍， 鄧　寧

(清華大學(xué) 微電子研究所， 北京 100084)

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基于A型超聲波傳感器的血壓連續(xù)測量系統(tǒng)

李洪陽， 李毅彬， 李申龍， 鄧寧

(清華大學(xué) 微電子研究所， 北京 100084)

摘要:設(shè)計了一種應(yīng)用A型超聲波測距手段的血壓連續(xù)測量系統(tǒng)。系統(tǒng)中用超聲波傳感器探測頸動脈，利用頸動脈前后壁反射回的超聲波測距得到頸動脈直徑連續(xù)波形?；趧用}直徑與血壓的關(guān)系建立血壓計算模型，從而實現(xiàn)血壓的測量。實驗結(jié)果表明：本系統(tǒng)測量的血壓值與標(biāo)準(zhǔn)的測量方法相比，收縮壓標(biāo)準(zhǔn)差最大值為4.72 mmHg，舒張壓標(biāo)準(zhǔn)差最大值為3.17 mmHg，符合AAMI標(biāo)準(zhǔn)差不大于8 mmHg的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：A型超聲波； 頸動脈直徑； 血壓連續(xù)測量

0引言

由于血壓參數(shù)受身體狀況、環(huán)境條件及生理韻律等諸多因素的影響，單次測量或斷續(xù)測量的結(jié)果存在較大差別，而連續(xù)測量方法可在每個心動周期測量血壓，能有效記錄心臟和人體機(jī)能的病變，對心血管疾病的檢測和預(yù)防起著極大的作用，在臨床和醫(yī)學(xué)研究中具有更重要的意義[1]。

目前，血壓連續(xù)測量的方法分為有創(chuàng)和無創(chuàng)。有創(chuàng)的方法容易引起并發(fā)癥，如疼痛、出血、感染、形成血栓與栓塞、肢體因缺血而壞死等，不能用于日常使用。無創(chuàng)的方法現(xiàn)在大家研究最多的是基于脈搏波傳導(dǎo)時間 (pulse transit time,PTT)與血壓的關(guān)系，需要同步測得心電(ECG)信號和橈動脈處的脈搏波信號，兩路信號的相位差即為PTT[2]?？梢姷玫絇TT需要在人體上多點位置檢測信號，測量設(shè)備復(fù)雜，而且PTT與血壓之間的關(guān)系計算模型因個體差異變化較大，很難確立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)計算模型，進(jìn)而導(dǎo)致誤差比較大[2,3]。

針對上述狀況，本文設(shè)計了一種應(yīng)用A型超聲波測距手段的無創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。利用A型超聲波測距原理搭建頸動脈直徑測量系統(tǒng)，連續(xù)測量頸動脈直徑動態(tài)波形，再根據(jù)血壓與動脈直徑之間的關(guān)系計算模型，得到連續(xù)的血壓。實驗結(jié)果表明：本方法測量血壓準(zhǔn)確，符合AAMI標(biāo)準(zhǔn)。

1血壓與動脈直徑的關(guān)系

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在一個心動周期內(nèi)血壓的變化與動脈直徑的變化有著密切的關(guān)系[4,5]。根據(jù)血管動力學(xué)理論中研究的血管壁應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系可得，假設(shè)動脈管是各向同性的Hooker彈性體和動脈直徑的管壁厚度不變，則可以得到楊氏模量E，血壓p和動脈直徑三者之間的關(guān)系[4]如下

又有Hughes等人證明了血壓和血管彈性模量之間有以下關(guān)系

E=E0eγp.

其中，E0為壓力為零時的彈性模量；p為血壓；γ為表征血管特征的一個量。

由以上兩個式子可以得到血壓p和動脈直徑R的關(guān)系

可以看到,理論上血壓與動脈直徑變化有著直接的關(guān)系，所以,通過測量動脈直徑就能間接地計算出血壓。

2血壓測量系統(tǒng)設(shè)計

基于A型超聲波傳感器研發(fā)的無創(chuàng)血壓連續(xù)測量系統(tǒng)的框圖見圖1。系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)主要分為兩部分：一是頸動脈直徑動態(tài)波形的測量[6]；二是建立血壓與頸動脈直徑之間的關(guān)系計算模型[7]。

圖1　測量系統(tǒng)框圖Fig 1　Block diagram of measurement system

2.1測量頸動脈直徑

利用A型超聲波測量頸動脈直徑的原理如圖2。超聲波探頭由高壓脈沖激勵發(fā)射超聲波信號，并接收經(jīng)過頸動脈前壁和后壁反射回的超聲波信號傳送給信號接收電路。根據(jù)前波和后波的時間差以及超聲波的傳播速度來計算距離,即頸動脈直徑。

2.1.1超聲波信號獲取

超聲波的頻率越高分辨率越高，然而伴隨著衰減也越大。頸動脈直徑的值一般為5～8 mm左右，變化量在0.5～0.9 mm，5 MHz的超聲波在人體中的測距分辨率約為50 μm，滿足測量頸動脈直徑要求[6]。綜合考慮超聲波的分辨率和衰減，選取Olympus NDT 公司的中心頻率為5 MHz的縱深直探頭傳感器。探頭由脈沖發(fā)射器產(chǎn)生的200 Hz高壓脈沖激勵發(fā)出超聲波，對頻率為1～4 Hz的頸動脈直徑波形采樣[6]。

2.1.2信號實時采集和傳輸[8]

頸動脈前后壁反射回來的超聲波信號幅值小且易受噪聲干擾，所以,要先經(jīng)過1～10 MHz的帶通濾波電路和20 dB放大電路進(jìn)行預(yù)處理，處理之后的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳輸?shù)絇C上位機(jī)進(jìn)行處理。A/D采用50 MHz的采樣頻率，12位的采樣精度。信號采集控制系統(tǒng)在FPGA開發(fā)板DE2—115上開發(fā)實現(xiàn)。實現(xiàn)了信號的實時采集和傳輸。

2.1.3數(shù)據(jù)處理

采集到的信號用Matlab進(jìn)行處理。首先對信號通過Hilbert變換方法進(jìn)行包絡(luò)提取e(t)=，其中,dτ，再通過db6小波對變換后的信號進(jìn)行3層分解，濾除掉高頻分量提取低頻分量包絡(luò)，小波變換起到低通濾波的作用[8]。對包絡(luò)進(jìn)行波峰識別，提取出頸動脈前后壁反射波的位置，根據(jù)采樣頻率和前后波峰之間的間隔數(shù)據(jù)點數(shù)計算出時間差，根據(jù)距離計算公式D=v×ΔT/2計算出動脈直徑數(shù)值，最后由連續(xù)測量的頸動脈直徑數(shù)據(jù)點還原頸動脈直徑連續(xù)波形。得到的頸動脈直徑連續(xù)波形如圖3。

圖2　頸動脈直徑測量Fig 2　Measurement of carotid artery diameter

圖3　頸動脈直徑波形Fig 3　Waveform of carotid artery diameter

2.2數(shù)據(jù)關(guān)系計算模型

2.2.1指數(shù)關(guān)系式

醫(yī)學(xué)家在研究血管動力學(xué)的大量實驗中得到動脈的單位管長體積與血壓的關(guān)系可以簡化為用指數(shù)關(guān)系進(jìn)行很好的擬合，關(guān)系式[9]如下

V=aebp+c.

其中,V為單位管長體積，p為血壓，a，b，c為待定系數(shù)，又有單位管長體積與直徑的關(guān)系如下

V=π(R/2)2·L.

其中，L為單位長度1，所以，可以得到動脈直徑與血壓的關(guān)系式

π(R/2)2=aebp+c.

2.2.2數(shù)據(jù)測量

為了確定待定系數(shù)a, b, c得到具體的計算關(guān)系式，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，得到變化的血壓和對應(yīng)的頸動脈直徑數(shù)據(jù)。實驗方法是測試人員先通過運動(跑樓梯10min)改變血壓，在運動后血壓升高到恢復(fù)平穩(wěn)的期間，用頸動脈直徑測量系統(tǒng)連續(xù)實時采集頸動脈直徑波形，與此同時用歐姆龍(OMRON)標(biāo)準(zhǔn)血壓計測量血壓。由于標(biāo)準(zhǔn)血壓計只能單次測量，為了得到血壓與頸動脈直徑同步變化的數(shù)據(jù)，每隔固定2min的時間間隔測量標(biāo)準(zhǔn)血壓，在系統(tǒng)采集到的頸動脈直徑連續(xù)波形上以開始測血壓的時間為起始點，每隔2min記錄頸動脈直徑波形一個周期的最大值與最小值，分別與高壓和低壓對應(yīng)，這樣就會得到頸動脈直徑和用血壓計測得標(biāo)準(zhǔn)血壓的同步數(shù)據(jù)，進(jìn)而確立兩者的關(guān)系計算模型。

通過以上實驗方法可以得到標(biāo)準(zhǔn)血壓計測量的高壓、低壓連續(xù)變化值和與之對應(yīng)變化的頸動脈直徑數(shù)值。在一個心跳周期內(nèi)，收縮壓對應(yīng)著頸動脈直徑的最大值，舒張壓對應(yīng)著頸動脈直徑的最小值。由實驗數(shù)據(jù)對指數(shù)模型關(guān)系式π(R/2)2=aebp+c進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖4。

圖4　指數(shù)關(guān)系擬合Fig 4　Exponential fitting

通過多個測試人員實驗測量的數(shù)據(jù)分別確定模型π(R/2)2=aebp+c中的參數(shù)a , b , c。結(jié)果表明:b 參數(shù)因個體差異變化可忽略，不同個體只需標(biāo)定a，c的值就可以確定計算模型。

3實驗結(jié)果分析

為了驗證研發(fā)的血壓連續(xù)測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，選取了6個測試人員進(jìn)行實驗。首先根據(jù)上面實驗方法來確定每個測試對象血壓和頸動脈直徑的具體計算公式。用歐姆龍(OMRON)標(biāo)準(zhǔn)血壓計測得的血壓作為標(biāo)準(zhǔn)，相隔固定時間2min同步測得在平穩(wěn)常態(tài)下的測試人員標(biāo)準(zhǔn)血壓和與之對應(yīng)的系統(tǒng)測量計算得到的血壓，每個測試人員進(jìn)行10組實驗測量。表1和表2分別展示了收縮壓和舒張壓的標(biāo)準(zhǔn)值與系統(tǒng)測量值的對比結(jié)果。每個測試人員10組血壓對比實驗測量值的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差可以衡量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

表1　收縮壓測量對比結(jié)果

表2　舒張壓測量對比結(jié)果

通過表1和表2可以看出：系統(tǒng)測量得到的血壓與標(biāo)準(zhǔn)測量的血壓相比，收縮壓標(biāo)準(zhǔn)差最大值是4.72 mmHg，舒張壓標(biāo)準(zhǔn)差最大值是3.17 mmHg，均小于5 mmHg，符合AAMI標(biāo)準(zhǔn)差不大于8 mmHg的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5　收縮壓Bland—Altman分析圖Fig 5　Bland—Altman analysis plot of systolic blood pressure

圖6　舒張壓Bland—Altman分析圖Fig 6　Bland—Altman analysis plot of diastolic blood pressure

從圖中可以看出：5.26 %(1/19)的點在95 %一致性界限以外；在一致性界限范圍內(nèi)，系統(tǒng)測量的血壓值與標(biāo)準(zhǔn)測量的血壓值相比，收縮壓差值的最大絕對值為4.58 mmHg，舒張壓差值的最大絕對值為5.90 mmHg。這個差值幅度在臨床血壓測量上是可以接受的，所以,本文研發(fā)的血壓測量系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)的血壓計具有很好的一致性。

4結(jié)論

本文設(shè)計了一種簡便的無創(chuàng)血壓連續(xù)測量系統(tǒng)。應(yīng)用A型超聲波測距原理直接測得頸動脈直徑，并建立頸動脈直徑與血壓的關(guān)系計算模型，從而實現(xiàn)測量血壓。通過實驗證明:測量系統(tǒng)的計算模型易于標(biāo)定，測得的血壓值與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的測量方法相比標(biāo)準(zhǔn)差小于5 mmHg，符合AAMI標(biāo)準(zhǔn)差不大于8 mmHg的標(biāo)準(zhǔn)。通過Bland—Altman分析方法驗證了研究的血壓測量系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)血壓計的一致性。

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Continuous measurement system of blood pressure based on A-type ultrasonic wave sensor

LI Hong-yang, LI Yi-bin, LI Shen-long, DENG Ning

(Institute of Microelectronics,Tsinghua University,Beijing 100084，China)

Abstract:A new continuous measurement system of blood pressure using A-type ultrasonic wave ranging method is designed.The system uses ultrasonic wave sensor to detect carotid artery,obtain carotid artery diameter waveform by recognizing the reflected ultrasonic wave from front and back walls of the carotid artery to measure distance.Then establish blood pressure calculation model based on relationship between artery diameter and blood pressure,so as to measure blood pressure.Experimental results show that compared with the standard blood pressure measurement method,the maximum standard deviation of systolic blood pressure is 4.72 mmHg,the maximum standard deviation of diastolic blood pressure is 3.17 mmHg, which coincides with the standard of not more than 8 mmHg made by AAMI.

Key words:A-type ultrasonic wave; carotid artery diameter; continuous measurement of blood pressure

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0087—04

收稿日期：2015—04—27

中圖分類號：TH 776； R443

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)02—0087—04

作者簡介:

李洪陽(1990-)，男，遼寧沈陽人，碩士研究生，從事無創(chuàng)連續(xù)血壓測量系統(tǒng)的設(shè)計和研究。