基于脈搏波傳導(dǎo)時間和脈搏波特征參數(shù)的連續(xù)血壓無創(chuàng)檢測

趙彥峰,于雙,王慧泉,2,朱豪杰,王金海,2△

(1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387;2.天津市醫(yī)學(xué)電子診療技術(shù)工程中心，天津 300387)

1 引 言

連續(xù)血壓[1]測量可以實際反映血壓在全天內(nèi)的變化規(guī)律，對突發(fā)性心腦血管病的預(yù)測及對降壓藥的治療效果評估有重要意義[2]。

連續(xù)血壓直接測量法可實現(xiàn)連續(xù)血壓的測量，被公認為血壓測量的“金標準”，但技術(shù)要求高，且為有創(chuàng)測量，不能被廣泛使用[3]。無創(chuàng)連續(xù)血壓間接測量是通過分析人體相關(guān)特征信號，獲取血壓值的測量方法。動脈張力法[4]和容積補償法[5]是兩種常用的無創(chuàng)連續(xù)測量方法，但其長時間的測量會導(dǎo)致靜脈充血而影響測量精度，其應(yīng)用有一定局限性?；诿}搏波傳導(dǎo)時間的連續(xù)無創(chuàng)血壓測量是利用脈搏波傳導(dǎo)時間與血壓之間的相關(guān)性提出的一種間接測量法，測量裝置簡單，無袖帶的充放氣，有利于長時間的血壓監(jiān)測。早在1957年，Lansdown就提出對于某一個體，PTT與血壓之間呈線性相關(guān)[6]，由于不同個體之間的心臟和血管不同，測量會有較大的誤差，但許多學(xué)者已經(jīng)證明血壓和脈搏之間存在密切的相關(guān)性[7]。本研究提取脈搏波特征參數(shù)，利用相關(guān)分析對脈搏波特征參數(shù)進行優(yōu)化，將優(yōu)化的脈搏波特征參數(shù)加入PTT與血壓之間的校正模型中，以克服脈搏波特征的個體差異對本方法無創(chuàng)血壓檢測的影響。

2 基本原理

血壓是在血液循環(huán)中，心臟周期性地射血，血液沿著主動脈流動時對血管壁所施加的壓力[8]。血液在流動過程中產(chǎn)生周期性的脈搏波，脈搏波波形會隨著離心臟距離的不同會有時間上的延遲即脈搏波傳導(dǎo)時間，由Moens-Kortweg公式和Hughes[9]推導(dǎo)出人體血壓變化與動脈血管壁楊氏彈性量以及脈搏波傳導(dǎo)時間的關(guān)系[10]：

(1)

式中：P為血壓值，E0為血壓值為零時血管壁彈性模量，h為血管壁厚度，d為血管內(nèi)徑，ρ為血液密度，PTT為脈搏波傳導(dǎo)時間，K為無量綱常數(shù)，γ為血管特性參數(shù)量值。

由上式可知，血壓值和脈搏波傳導(dǎo)時間具有較好的相關(guān)性，由脈搏波傳導(dǎo)時間可以間接地得到血壓值。見圖1，A點為PTT的起點，D點為PTT的終點。

圖1 脈搏波特征參數(shù)示意圖

脈搏波的特征參數(shù)有很多，如幅值，時間特性等[11]。常見的脈搏波特征參數(shù)[12]有主波的高度h(即D點的幅值)、主波的上升時間t(tBD)、升支最大斜率近似值K(KC)、脈搏波的波形系數(shù)、每搏心輸出量的特征參數(shù)(Z=(h×T)/(T-t))、脈搏波的周期T(TDE)等參數(shù)[13]。利用偏最小二乘法進行數(shù)據(jù)分析，從而間接的計算出血壓值。

偏最小二乘法回歸的基本作法是先在變量集中提出第一成分t1(t1是x1，x2…，xm的線性組合，且盡可能多地提取原自變量集中的變異信息)；同時在因變量集中也提取第一成分u1，并要求t1與u1相關(guān)程度達到最大。然后建立因變量y1，y2，…，yp與t1的回歸，如果回歸方程已達到滿意的精度，則算法中止。否則繼續(xù)第二對成分的提取，直到能達到滿意的精度為止。若最終對自變量集提取r個成分t1,t2,…，tr,偏最小二乘法回歸將通過建立y1,y2,…,yp與t1,t2,…，tr的回歸式，再表示為y1,y2,…,yp與原自變量的回歸方程式，即偏最小二乘回歸方程。

3 數(shù)據(jù)采集及處理

脈搏波傳導(dǎo)時間的計算關(guān)鍵在于脈搏波傳輸起點和終點的選擇，一般可以采用心電信號的R波作為PTT的時間起點[14]，在肢體末端如指尖等設(shè)置一光電傳感器，記錄光電脈搏波(PPG)[15]，提取PPG信號的最大值為終點，從而得到延時時間PTT。本實驗使用ANALOG DISCOVERY采集卡，雙通道、14-Bit、125MSPS采樣率，利用氯化銀電極和反射式PPG傳感器，分別采集50名志愿者的心電信號和脈搏波信號，通過姿態(tài)和飲食調(diào)整志愿者的血壓值，共獲得200組不同的血壓值數(shù)據(jù)。被測者性別為25男25女，均為年齡在22～60歲之間，平均年齡為39歲，本研究所有的志愿者均被告知實驗的詳細內(nèi)容并征得同意。在測量實驗前被測人員應(yīng)休息10 min，并且保持端坐的狀態(tài)，使用歐姆龍HEM-7111測量血壓，每個被測者測量四次血壓，每隔十五分鐘測量一次作為一組數(shù)據(jù)，這樣可以避免一次偶然性誤差對結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。采集系統(tǒng)的整體設(shè)計見圖2。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計

人體心電信號(ECG)和光電脈搏波信號(PPG)屬于非常微弱的生理低頻信號，其頻率范圍在0～30 Hz之間，其幅值范圍在0～10 mV之間。人體自身阻抗大，且易受外界環(huán)境的影響，所以在采集過程中，采用高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低溫漂的前置放大器對心電信號和脈搏信號進行放大，放大之后的信號通過50 Hz的陷波濾波器濾除工頻干擾和巴特沃斯低通數(shù)字濾波器進行濾波，獲得較平滑的信號，見圖3。

圖3 濾波處理后的效果圖

4 建模分析

利用Matlab計算200組數(shù)據(jù)的脈搏波傳導(dǎo)時間以及脈搏波特征參數(shù)：脈搏波的傳導(dǎo)時間(PTT)、脈搏波的波形系數(shù)(K’)、主波高度(H)、升支最大斜率(K)、每搏心輸出量的特征參數(shù)(Z)、脈搏波的周期(T)，各參數(shù)的范圍見表1。

表1血壓值及其相應(yīng)的波形特征參數(shù)

Table 1 The blood pressure value and the corresponding waveform characteristic parameters

對人體動脈收縮壓(SBP)和舒張壓(DBP)與脈搏波傳導(dǎo)時間和脈搏波特征參數(shù)進行相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)(R)見表2、3。

表2收縮壓和脈搏波傳導(dǎo)時間

以及脈搏特征參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果

Table2Thesimplecorrelationanalysisofsystolicbloodpressureandpulsewaveconductiontimeandpulsecharacteristicparameters

相關(guān)系數(shù)PTTK’HKZTR-0.61-0.240.320.260.29-0.5

表3舒張壓和脈搏波傳導(dǎo)時間

以及脈搏特征參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果

Table3Thesimplecorrelationanalysisofdiastolicbloodpressureandpulsewaveconductiontimeandpulsecharacteristicparameters

相關(guān)系數(shù)PTTK’HKZTR-0.63-0.410.400.390.42-0.58

從表2、表3可以看出，收縮壓與舒張壓均與脈搏波的傳導(dǎo)時間、脈搏波的波形系數(shù)、主波高度、升支最大斜率、每搏心輸出量的特征參數(shù)脈搏波的周期具有較好的相關(guān)性。

由圖4可知,收縮壓和舒張壓預(yù)測值與實際測量值的相關(guān)性分別為0.76、0.80，線性關(guān)系良好，平均絕對誤差分別為7.8、6.9 mmHg，滿足AAMI國際電子血壓計標準。

5 實驗結(jié)果

為了驗證其準確性，對5名新志愿者進行收縮壓和舒張壓測量，同時采集心電信號和脈搏波信號，利用Matlab對數(shù)據(jù)進行簡單的處理，分析得出脈搏波傳導(dǎo)時間和脈搏波特征參數(shù)，帶入本研究建立的校正模型，實現(xiàn)對收縮壓和舒張壓的預(yù)測。計算結(jié)果和預(yù)測結(jié)果見表4。

圖4 測量值與計算值的對比

表4測試組PTT值、脈搏波特征值及血壓預(yù)測結(jié)果

Table4ThebloodpressurepredictionresultsofPTTvalue,thecharacteristicsofpulsewave

次數(shù)GenderPTTK’HKZT測量值SBPDBP計算值SBPDBP1M0.34871.40.7397.020.930.8011862115.164.22M0.3120.831.4319.831.910.6813187127.885.93W0.31400.771.5322.891.960.6810769106.472.44M0.30670.751.35519.271.710.7013890134.686.15W0.31750.81.52925.211.780.9510565104.263.8

圖5為血壓預(yù)測結(jié)果，其中SBP(a)為收縮壓實際測量值，SBP(c)為收縮壓計算值；DBP(a)為舒張壓測量值，DBP(c)為舒張壓計算值。預(yù)測平均絕對誤差為5 mmHg之內(nèi)，滿足AAMI國際電子血壓計標準。

圖5 測量值與計算值對比

6 結(jié)論

本研究提出了一種連續(xù)血壓測量的新方法，利用偏最小二乘法分析脈搏波傳導(dǎo)時間與脈搏波特征參數(shù)的關(guān)系，分別建立收縮壓和舒張壓與脈搏波傳導(dǎo)時間PTT以及脈搏波特征參數(shù)的回歸方程，以此實現(xiàn)血壓的連續(xù)性、無袖帶式檢測。實驗結(jié)果表明，該方法計算得到的舒張壓和收縮壓的預(yù)測平均絕對誤差小于5 mmHg，滿足AAMI[16]國際電子血壓計標準要求。