基于容積脈搏波振幅梯度的血壓檢測法的研究*

宋義林,張彤，高樹枚

(黑龍江大學 機電工程學院，哈爾濱 150080)

1 引 言

高血壓是心腦血管疾病的首要危險因素[1]?；诟哐獕喊Y早發(fā)現、早診斷、早治療的現代疾病防治理念，對普通人群日常生活中的血壓檢查和監(jiān)控是十分必要的。當前，適用于家庭血壓日常檢測簡單易行的方法主要包括柯氏音法、示波法和容積振動法，及其水銀式血壓計、電子血壓計及基于容積振動法的血壓檢測裝置等。水銀式血壓計無創(chuàng)血壓測量的“金標準”，被業(yè)界廣泛認可。然而，水銀式血壓計的使用要求較高，對非醫(yī)學專業(yè)人員尤其是高齡者等群體操作使用時會帶來一定困難[2]。目前市場上出售的電子血壓計在家庭中的普及較好，電子血壓計大都采用了示波法的原理[3-6]。但電子血壓計檢測原理上也存有缺陷，其血壓檢測精度問題無法從根本上解決[7]?；诿}搏波傳導時間(PTT)的連續(xù)血壓檢測法近年來研究成果較多[8-9]，但由于影響因素多，個體差異性大，測量精度有待提高。容積振動法是通過袖帶加壓中容積脈搏波(PGac)的變化而確定血管內部壓力的一種測量方法。該方法依據充分，原理明晰，易于實現電子測量，且測量精度較高。但是，該方法只能直接檢測出收縮壓，舒張壓需通過間接計算[10]，而間接計算誤差最高可達到10%。

本研究針對上述幾種血壓間接測量法的問題，提出了基于容積脈搏波振幅梯度的血壓檢測方法，并開發(fā)了基于該檢測原理的血壓檢測系統(tǒng)，進行了以橈動脈為檢測對象的實驗研究和效果分析。研究結果表明，該方法能夠直接測出收縮壓和舒張壓，檢測精度較高，易于實現電子測量。

2 檢測技術及其原理

2.1 血管壁力學特性

2.2 檢測原理

人體由心臟泵出的血流呈波動狀態(tài)，在動脈血管中呈現出由舒張壓到收縮壓再由收縮壓到舒張壓的變化過程。這種過程連續(xù)不斷，如果不給人體施加大的生理或心理負荷，這種過程是相對穩(wěn)定的。當采用袖帶從外部給血管加壓時，袖帶的壓力從零到超過收縮壓。如果袖帶的加壓速率適當，袖帶加壓過程中袖帶壓力與血管內的舒張壓和收縮壓分別有一次瞬時相等或最為接近，見圖2中的A點和B點?；谇懊嫠鲅鼙诘姆蔷€性力學特性，A點處的袖帶壓力值與動脈血壓波形波谷處的壓力值瞬時相等，此處血管壁的瞬時變形比其它的波谷處要大；同理，B點處的袖帶壓力值與動脈血壓波形波峰處的壓力值瞬時相等，此處血管壁的瞬時變形比其它的波峰處要大。這樣，以動脈血管內平均血壓M點(容積脈搏波出現最大振幅處)為參照點，在M點之前考慮容積脈搏波波谷的振幅梯度，在M點之后考慮容積脈搏波波峰的振幅梯度，理論上就可得到圖3和圖4的容積脈搏波振幅梯度變化圖。找到振幅梯度變化圖中的兩個最大點，就可找出袖帶壓力的對應值，進而得到動脈血管內的舒張壓和收縮壓。

圖1 動脈血管的非線性力學特性

圖2 勻速加壓過程中的動脈血壓波形和袖帶壓直線

Fig2Arterialbloodpressurewaveformandcuffpressurelineduringtheuniformpressurization

3 檢測系統(tǒng)設計

為了驗證基于容積脈搏波振幅梯度的血壓檢測法的有效性，開發(fā)了檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以橈動脈為檢測對象，通過由微型氣泵、電空變換器和壓力傳感器等組成的加壓系統(tǒng)，以5 mmHg/s的速率給袖帶勻速加壓。在加壓過程中，分別記錄袖帶的壓力和代表血管壁變化的容積脈搏波，并將檢測的結果送入PIC單片機控制單元，進行系統(tǒng)控制并計算容積脈搏波的振幅梯度，最終檢測出動脈血流的收縮壓和舒張壓。

圖3 容積脈搏波的波谷梯度變化

圖4 容積脈搏波的波峰梯度變化

3.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)結構見圖5。加壓袖帶置于手腕處橈動脈的上方給動脈加壓，由壓力傳感器實時檢測其內部壓力；光電傳感裝置置于袖帶的下方和橈動脈的正上方，實時檢測加壓過程中橈動脈的血管容積變化。加壓系統(tǒng)的作用是對袖帶加壓并實現系統(tǒng)的壓力調節(jié)，電空變換器的作用是按照袖帶勻速加壓的要求通過調整電磁閥閥口的大小控制微型氣泵進入袖帶的氣量。為保證袖帶內的壓力以5 mmHg/s的速率線性上升，由壓力傳感器檢測的袖帶壓力在控制單元計算誤差量并采用PID控制算法計算控制量，通過PWM控制電空變換器電磁閥的開口大小，控制袖帶進氣量進而保證其壓力按規(guī)定的速率上升。

系統(tǒng)中有兩路模擬信號，一路是袖帶壓力信號，另一路是血管的光電容積信號。袖帶壓力信號由壓力傳感器采集，光電容積信號由近紅外發(fā)光二極管和光電二極管共同組成的光電傳感裝置采集。兩路模擬信號送至控制單元，經A/D轉換模塊轉換為數字信號后進行計算處理。處理的結果實現兩個功能，一是確定電空變換器的控制量、保證袖帶壓力的勻速上升；二是計算出容積脈搏波的振幅梯度進而確定血管內血流的收縮壓和舒張壓。

圖5 系統(tǒng)結構原理圖

3.2 系統(tǒng)控制流程

為保證系統(tǒng)硬件的正常工作，針對圖5所示的系統(tǒng)結構設計了控制軟件，其控制流程見圖6。系統(tǒng)啟動后首先對單片機進行初始化，然后以5 mmHg/s的速率給袖帶加壓。當壓力達到30 mmHg時，系統(tǒng)保壓10 s，以觀測到明顯的脈搏波或得到脈搏波周期為依據，判斷檢測位置的正確性。若檢測位置正確，則系統(tǒng)自動繼續(xù)勻速加壓。在此過程中，系統(tǒng)自動采集容積脈搏波和袖帶壓力等信號，并通過容積脈搏波的波峰波谷差值判斷血管是否壓閉。如果判斷血管尚未壓閉，系統(tǒng)將持續(xù)勻速加壓直至血管壓閉。然后，系統(tǒng)放氣，進入數據分析處理模式，找到容積脈搏波中的最大脈搏波點并作為參考點，利用容積脈搏波的振幅梯度，得到動脈血管內的舒張壓和收縮壓，并顯示在顯示裝置上。如果達到系統(tǒng)設定的最高壓力200 mmHg仍無法判斷血管是否壓閉，則加壓系統(tǒng)停止工作，系統(tǒng)放氣，顯示檢測失敗信息。本系統(tǒng)可根據不同的使用者設定不同的最高壓力。

圖6 系統(tǒng)控制流程圖

4 實驗結果與分析

4.1 實驗方法

年齡為22～56歲的25名大學健康師生(其中有血壓偏高者)作為實驗者，實驗者在自然的狀態(tài)下進行實驗。首先，實驗者坐在舒適的椅子上，兩腿自然下垂、兩足落地，兩肘部及前臂放松地放于桌面上；其次，在實驗者的右臂上綁好加壓袖帶，采用水銀式血壓計(水銀血壓計家庭裝A型，魚躍醫(yī)療)待測；同時，將本系統(tǒng)置于實驗者左手腕橈動脈處，左手腕抬高與心臟平齊，準備工作就緒。然后，按下啟動鍵，本系統(tǒng)按照預定的控制流程自動檢測血壓。同時，采用手動方式用水銀式血壓計人工測量血壓。每個實驗者測量兩次，若前后兩次的測量值變化不大，則視為有效值；若前后兩次的測量值變化顯著，則補測一次。每次測量完成后需間隔至少一分鐘再進行下一次測量，測量間歇期袖帶應成無充氣狀態(tài)。檢測結束后，整理數據，將這兩種方法得到的檢測結果進行分析、對比。

4.2 血壓檢測驗證

為驗證檢測原理的合理性和本系統(tǒng)的穩(wěn)定性，血壓對比實驗前進行了預備實驗。選擇三位實驗者，將本系統(tǒng)的檢測袖帶固定在實驗者左手腕橈動脈處，獲得加壓袖帶的壓力曲線Pc和橈動脈的容積脈搏波曲線PGac，而后計算容積脈搏波波谷和波峰的振幅梯度確定橈動脈的舒張壓和收縮壓。作為檢測例，圖7為實際檢測到的袖帶壓力曲線和容積脈搏波曲線，圖8、圖9為數據處理后的容積脈搏波振幅梯度曲線。

三位實驗者的實驗結果證明，本系統(tǒng)可以得到清晰的袖帶壓力曲線和容積脈搏波曲線。而且，無論是容積脈搏波的波谷還是波峰的振幅梯度都明顯存在一個最大值，而此最大值分別對應的袖帶壓力正是動脈血管內的舒張壓和收縮壓。因此，基于容積脈搏波振幅變化梯度的血壓檢測法是可行的。

4.3 血壓對比試驗與結果分析

對25名實驗者進行檢測試驗，每一位實驗者采用本系統(tǒng)與水銀式血壓計同時檢測2次，并記錄下全部的實驗數據，圖10、圖11是本系統(tǒng)與水銀式血壓計同時測得的實驗數據的對比分析結果。其中，圖10為收縮壓(SBP)、圖11為舒張壓(DBP)的對比分析結果。圖中(a)為兩種方法檢測結果的相關性分析圖，圖中(b)為兩種方法檢測結果的Bland-Altman分析圖[12]。

圖7 袖帶壓力曲線和容積脈搏波曲線

圖8 容積脈搏波波谷的振幅梯度

從圖10(a)和圖11(a)中可以看出，兩種方法測得的SBP的相關系數為r =0.945，DBP的相關系數為r=0.877?？梢?，兩者均具有良好的直線相關性。圖10(b)和圖11(b)是檢測結果的Bland-Altman分析圖，圖中所應用的三個主要參數為差值的均數、標準差和95%的置信區(qū)間范圍。在圖10(b)中，本系統(tǒng)與水銀式血壓計兩種測量法測得的50個SBP值的平均差值為0.64 mmHg，數據差值的標準差為4.57 mmHg，95%的置信區(qū)間范圍為(-7.73 mmHg，9.02 mmHg)。從圖中可以看出，差值的均數與0線接近，標準差為4.57 mmHg，顯示了較好的一致性和較小的離散性。另外， 96%的點位于95%的置信區(qū)間范圍之內，說明兩種測量方法所得到的實測結果一致性高。同樣，在圖11(b)中，測得的50個DBP值的平均差值為-0.12 mmHg，數據差值的標準差為3.79 mmHg，95%的置信區(qū)間范圍(-7.54 mmHg，7.30 mmHg)，94%的點均位于95%的置信區(qū)間范圍之內。說明本系統(tǒng)開發(fā)的基于容積脈搏波振幅梯度的血壓檢測方法在收縮壓和舒張壓的測量上具有相同的精度。

圖9 容積脈搏波波峰的振幅梯度

圖10本系統(tǒng)與水銀血壓計檢測的SBP結果及其Bland-Altman圖

Fig10SBPresultsobtainedbythepresentsystemandbythemercurysphygmomanometerandtheirBland-Altmanplot

圖11本系統(tǒng)與水銀血壓計檢測的DBP結果及其Bland-Altman圖

Fig11DBPresultsobtainedbythepresentsystemandbythemercurysphygmomanometerandtheirBland-Altmanplot

5 結論

本研究提出了基于容積脈搏波振幅梯度的血壓檢測方法，開發(fā)了相應的檢測系統(tǒng)，進行了原理測試和對比試驗。首先，對三名實驗者進行的預備實驗，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；其次，以水銀式血壓計的測量結果為金標準，開展的基于容積脈搏波振幅梯度的血壓檢測法的對比實驗，表明了兩種血壓檢測法具有良好的直線相關性；最后，用Bland-Altman圖進行的結果分析，表明兩種檢測方法具有較高的一致性，收縮壓和舒張壓分別有96%和94%的實驗結果分布在95%的置信區(qū)間范圍之內。同時，兩種檢測方法的相關性和一致性分析也表明，在利用容積脈搏波振幅梯度法進行血壓檢測時，收縮壓的檢測精度稍高于舒張壓，但二者的差異不大，檢測方法是有效性。