一種新型無創(chuàng)測量上臂收縮壓的方法

王茜

（湖南中醫(yī)藥大學(xué) 管理與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410208）

一種新型無創(chuàng)測量上臂收縮壓的方法

王茜

（湖南中醫(yī)藥大學(xué) 管理與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410208）

上臂收縮壓是人體關(guān)鍵的血壓參數(shù)，準(zhǔn)確有效的血壓測量結(jié)果對臨床上診斷疾病、觀察治療效果、進(jìn)行預(yù)后判斷等具有重要的意義。為了進(jìn)一步精準(zhǔn)血壓測量的準(zhǔn)確性，本文提出了一種新型的上臂收縮壓無創(chuàng)測量方法，本方法利用放置在腕部橈動脈處的壓電脈搏傳感器來感測上臂收縮壓事件的發(fā)生，經(jīng)測量和計算，本方法與聽診法相比較得到的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為3mmHg和2.9mmHg，不僅滿足AAMI標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且準(zhǔn)確性較高，從而驗證了本方法的有效性和準(zhǔn)確性。

收縮壓；壓力傳感器；壓電脈搏傳感器；血壓測量

血壓是反映人體生理狀況的重要指標(biāo)之一，它能反映出人體心臟的泵血功能、脈率、周圍血管的阻力、主動脈和大動脈的彈性、全身血容量及血液的物理狀態(tài)等因素，因此正常的血壓是身體健康的前提條件，因而血壓測量的準(zhǔn)確性和便捷性對高血壓早期篩查、診斷、監(jiān)測和療效評估起著十分重要的作用。而如何用無創(chuàng)、經(jīng)濟(jì)的方法獲得準(zhǔn)確可靠的血壓參數(shù)仍是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不斷在探索的問題[1]。

目前血壓測量的方法大致說來可以分為直接法和間接法[2]。直接測量法是將連接壓力傳感器的導(dǎo)管經(jīng)皮直接插入大動脈或心臟檢測血壓信號。但該方法對人體有損傷，對技術(shù)和環(huán)境要求較高，現(xiàn)在應(yīng)用已不多。間接（無創(chuàng)）血壓測量方法主要有：聽診法、示波法、超聲法、張力測定法、脈搏波傳導(dǎo)時間幾大類方法[3]。目前常用的方法是聽診法和示波法，聽診法被認(rèn)為是無創(chuàng)測量方法中的金標(biāo)準(zhǔn)，但測量過程受主觀和外界環(huán)境因素較大；示波法測量操作簡單而且已廣泛應(yīng)用于市場，但測量精度不高，尤其是對于收縮壓的判斷不夠準(zhǔn)確，文中提出了一種基于袖帶和壓電脈搏波傳感器的收縮壓測量方法。

1 測量方法

1.1 硬件實(shí)驗系統(tǒng)的搭建

測量系統(tǒng)由氣路控制模塊、氣體壓力傳感器模塊、壓電脈搏傳感器模塊及主機(jī)系統(tǒng)（包括采集卡、計算機(jī)、顯示器及外圍設(shè)備）組成。其中氣路控制模塊主要通過充氣泵和電磁閥實(shí)現(xiàn)袖帶的充氣、慢放氣和快放氣；氣體壓力傳感器模塊將袖帶內(nèi)采集到的壓力信號經(jīng)信號調(diào)理后送入主機(jī)系統(tǒng)；壓電脈搏傳感器模塊將整個測量過程的橈動脈脈搏波信號經(jīng)信號調(diào)理后送入主機(jī)系統(tǒng)，便于結(jié)合上述壓力信號共同判斷人體上肢收縮壓；主機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)信號的采集、氣路模塊的自動控制、血壓算法的調(diào)試及用戶界面的設(shè)計。硬件系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 硬件系統(tǒng)示意圖

1.1.1 氣路控制模塊

選用KPM12E微型充氣泵和KSV04A微型電磁閥，具有體積小、重量輕、低功耗、低噪音、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，以滿足系統(tǒng)低功耗和方便攜帶的要求。主機(jī)系統(tǒng)控制充氣泵和電磁閥的電路如圖2所示 。主機(jī)系統(tǒng)通過 I/O端口輸出高低電平，實(shí)現(xiàn)對充氣泵和電磁閥的控制。當(dāng) P1/P2端口輸出為高電平時 ，三極管 Q1/Q2導(dǎo)通 ，實(shí)現(xiàn)氣泵的充氣或電磁閥的放氣?？紤]到充氣泵和電磁閥屬于感性負(fù)載，用二極管 D1、D2以防止燒毀器件。

圖2 充氣泵、電磁閥的控制電路

1.1.2 氣體壓力傳感器模塊

這里選用美國Motorola公司生產(chǎn)的MPXVS050GP壓力傳感器，其內(nèi)部集成一個X型壓敏傳感器，采用離子注入工藝光刻在單個硅膜片上，同時采用先進(jìn)的激光修正技術(shù)和溫度補(bǔ)償技術(shù)，因此精度極高，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械領(lǐng)域。內(nèi)含運(yùn)算放大和信號調(diào)理功能，正常工作時，傳感器所測得壓力信號首先轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后通過電阻補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對該電壓信號進(jìn)行補(bǔ)償，使其與測得的信號滿足一定的線性關(guān)系，輸出電壓與所加壓力成正比，同時進(jìn)行片上補(bǔ)償，并且其溫度補(bǔ)償特性能克服半導(dǎo)體壓力敏感器件存在的溫度漂移問題[6]。可以直接將動脈血對血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0.2 V～4.7 V的輸出電信號，對應(yīng)的血壓值為0～375 mmHg，與設(shè)計要求匹配。

壓力傳感器的輸出分出兩個支路：一端直接接AD轉(zhuǎn)換器 ，經(jīng)過軟件低通濾波后獲得袖帶壓力信號；另一端接入0.8 Hz二階高通濾波器和35 Hz低通濾波器，在經(jīng)放大和電平調(diào)整后得到脈搏波信號。

1.1.3 壓電脈搏傳感器模塊

這里選用合肥華科電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的HK2000C集成化的數(shù)字脈搏壓力傳感器。HK2000C脈搏傳感器采用高度集成化工藝，將力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號調(diào)整電路、程控放大電路以及濾波電路集成在傳感器內(nèi)部，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和通信電路可將脈搏波波形數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行分析。集成化脈搏傳感器具有抗干擾性能力強(qiáng)、靈敏度高 過載能力大、一致性好、性能穩(wěn)定可靠以及使用壽命長等特點(diǎn)，方便用戶集成及二次開發(fā)使用[7]。

該傳感器基于壓電式原理采集手腕處橈動脈脈搏波信號，采集到人體脈搏信號后，將其換為電壓信號，因為內(nèi)部有完善的信號調(diào)理功能，在使用時后級不需要再加放大濾波電路，輸出的是數(shù)字信號，可通過串口輸出脈搏波波形數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用于脈率檢測、中醫(yī)脈象診斷、無創(chuàng)心血管功能檢測等。

1.1.4 主機(jī)系統(tǒng)

主機(jī)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)、顯示器及外圍設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)信號的采集、氣路模塊的自動控制、血壓算法的調(diào)試及用戶界面的設(shè)計。其中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的是數(shù)據(jù)采集卡，這里使用北京啟創(chuàng)莫非電子科技公司的MPS-010602數(shù)據(jù)采集卡[8]。它是基于USB總線的多功能信號采集卡，具有16路單端模擬信號采集、4路模擬信號輸出和8路數(shù)字信號輸入/輸出、2路比較器、2路計數(shù)器及2路PWM輸出?？捎糜趥鞲衅餍盘枖?shù)據(jù)采集與分析、工業(yè)現(xiàn)場檢測與控制、高等院校科研與教學(xué)等各種領(lǐng)域。使用MPS-010602可將傳感器和控制器與計算機(jī)結(jié)合在一起，利用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和靈活編程方式，對信號進(jìn)行分析、處理、現(xiàn)實(shí)與記錄。

MPS-010602采用 USB2.0高速總線接口，支持即插即用和熱插拔，是便攜式系統(tǒng)用戶的最佳選擇，可以取代傳統(tǒng)儀器。MPS-010602提供可供LabVIEW調(diào)用的動態(tài)鏈接庫，編程函數(shù)接口簡單易用，易于編寫應(yīng)用程序。

1.2 測量原理分析

主機(jī)系統(tǒng)控制氣泵使綁縛在人體上臂的袖帶開始充氣，在充氣過程中，通過采集到的袖帶內(nèi)的壓力振蕩波估測被測者的收縮壓，當(dāng)檢測到的袖帶內(nèi)壓力上升到大于估測收縮壓30 mmHg時，停止充氣。此時，主機(jī)系統(tǒng)控制氣路模塊開始慢放氣過程，直至袖帶內(nèi)壓力低于30 mmHg時，進(jìn)行快放氣過程，整個測量過程結(jié)束。氣體壓力傳感器和壓電脈搏傳感器將整個過程采集的信號都送至主機(jī)系統(tǒng)的采集卡中進(jìn)行后續(xù)處理。

圖3 測量原理示意圖

充氣過程中當(dāng)氣袖內(nèi)壓力大于上臂收縮壓時，血液因血管受壓迫而停止流動，壓電脈搏傳感器檢測不到脈搏；而在慢放氣的過程中，袖帶內(nèi)壓力緩慢下降，當(dāng)下降到收縮壓時，血液開始斷續(xù)流動，此時，壓力脈搏波傳感器檢測到的第一個脈搏波即為收縮壓事件發(fā)生時刻，即為圖3中的P點(diǎn)。當(dāng)然此時刻是有延遲的，綜合考慮臂部和腕部的脈搏波傳播時間差可確定準(zhǔn)確的收縮壓事件發(fā)生時刻。

1.3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)利用NI公司提供的Labview8.2軟件進(jìn)行編程和調(diào)試，它主要由用戶界面單元、采集控制單元和數(shù)據(jù)處理單元組成。

用戶界面單元實(shí)現(xiàn)整個測量系統(tǒng)的控制、波形顯示和測量結(jié)果顯示，如圖4所示。

圖4 用戶界面

采集控制單元主要實(shí)現(xiàn)兩路傳感器信號的采集及氣路控制信號的發(fā)出，采樣率為1 kHz，充分保證波形的真實(shí)可靠。

數(shù)據(jù)處理單元主要是進(jìn)行脈搏波信號的預(yù)處理（數(shù)字濾波）、壓電脈搏波信號特征點(diǎn)P點(diǎn)的提取（閾值法）及收縮壓的校正。

2 驗證實(shí)驗

血壓的測量值是高血壓診斷的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確的血壓測量在疾病診斷、治療、病情監(jiān)測等方面具有非常重要的作用。一直以來，聽診法被認(rèn)為是無創(chuàng)血壓測量的金標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)驗將聽診法應(yīng)用在測量系統(tǒng)中。具體做法是：使用本系統(tǒng)測量上臂收縮壓的同時，使用聽診器聽慢放氣過程中的柯氏音，取柯氏音第一相作為收縮壓出現(xiàn)的標(biāo)志。同時同臂測量求出本系統(tǒng)測量值與聽診法結(jié)果的差值的絕對值作為統(tǒng)計處理的一個樣本。

征集16人作上述對比實(shí)驗，年齡在25歲～75歲，男女各半。測量時受測者平躺并保持放松安靜，每人測量6次，左右上肢各測量3次，每次間隔10分鐘，則測量收縮壓時得到96個樣本，組成一個樣本空間。

3 實(shí)驗結(jié)果分析統(tǒng)計

各標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、受試者的選擇、評價試驗中采用的測量方法及步驟、觀察者測量值的確定方法、評價結(jié)果的分析方法等方面的規(guī)定不盡相同。但無論哪種評價標(biāo)準(zhǔn)都是以柯氏音聽診法的測量值作為參考標(biāo)準(zhǔn)，把本系統(tǒng)的測量值與聽診法的測量值做比較，進(jìn)而給出本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性級別。計算本系統(tǒng)和聽診法差值的均值和方差，并根據(jù)這些參數(shù)給出評價結(jié)果。

根據(jù)英國高血壓協(xié)會（BHS）的規(guī)定，可用儀器設(shè)備評級的標(biāo)準(zhǔn)對本系統(tǒng)測量血壓的準(zhǔn)確性進(jìn)行評級，標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 準(zhǔn)確性評級表

根據(jù)英國高血壓協(xié)會（BHS）要求，需計算我們測量的樣本空間在≤5 mmHg、≤10 mmHg、≤15 mmHg的累積百分比，結(jié)果統(tǒng)計如表2。

表2 統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)美國醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會（AAMI）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需要計算測量得到的樣本空間的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。經(jīng)計算，本系統(tǒng)與聽診法相比測量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為3 mmHg和 2.9 mmHg。

4 結(jié)束語

根據(jù)美國醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會的規(guī)定，AAMI標(biāo)準(zhǔn)的要求為均值≤5 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差≤8 mmHg，文中的測量方法得到的結(jié)果滿足要求，而且準(zhǔn)確性是很高的；通過表1的數(shù)據(jù)，超過88%的測量結(jié)果是在5 mmHg之內(nèi)的，各個百分比均達(dá)到英國高血壓協(xié)會（BHS）規(guī)定的A級標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗數(shù)據(jù)表明本測量方法可以應(yīng)用于臨床上。

可見，文中提出的測量方法測量精度較高且易于實(shí)現(xiàn)，可較好的應(yīng)用于血壓測量中。

[1]段于千，胡平平.無創(chuàng)血壓測量示波法分析與研究[J]微計算機(jī)信息，2011，27（1）:102-104.

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[3]楊玉星．生物醫(yī)學(xué)傳感器與檢測技術(shù)[M]．北京 ：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]熊青，戴啟軍，宋亞楠.基于MSP430F149單片機(jī)的低功耗電子血壓計設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011，19（14）:184-186.

[5]胡銳興.無創(chuàng)心血管參數(shù)檢測系統(tǒng)的研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2013.

[6]Motorola，Inc.MPX5050GP Semiconductor Technical Data Rev.3[S].Motorola，Inc.1997.

[7]合肥華科電子研究所.HK2000系列脈搏傳感器數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].（2004）[2015-10]http://www.hfhuake.com/.

[8]北京啟創(chuàng)莫非電子科技有限公司.MPS-010602多功能USB信號采集卡使用說明[EB/OL].（2008）[2015-10]http://www.mps-electronic.com.cn/.

A new method of arm systolic pressure noninvasive measuring

WANG Qian
（Management and Information Engineering College，Hunan University of Chinese Medicine，Changsha 410208，China）

The brachial systolic pressure is the key human paramenters of the blood pressure，the accurate and effective blood pressure measurement is important to the clinical diagnosis of disease，curative effect and prognosis judgement，etc.In order to further accurate blood pressure measurement accuracy，the paper is bringing forward a more exact noninvasive method of measuring brachial systolic pressure，and this method uses a piezoelectric pulse sensor placed on the radial artery of wrist to judge the systolic pressure.After measurement and calculation，This method compared with auscultation method to get the mean and standard deviation of 3 mmHg and 2.9 mmHg.Not only meet the requirements of AAMI standards，and the accuracy is higher.so the validity and accuracy of this method was verified.

systolic pressure；pressure sensor；piezoelectric pulse sensor；the measurement of the blood pressure

TN219

A

1674－6236（2016）18-0060-03

2015-10-08 稿件編號：201510020

湖南中醫(yī)藥大學(xué)青年教師科研基金項目（99820001154）

王 茜（1983—），女，河北保定人，碩士，實(shí)驗師。研究方向：數(shù)據(jù)采集、醫(yī)藥信息學(xué)。