一款基于穿戴式的無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測系統(tǒng)

蔣皆恢 ，徐俊，周虎成，嚴(yán)壯志，

1 上海大學(xué)先進通信與數(shù)據(jù)科學(xué)研究院，上海市，200444

2 上海大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究所，上海市，200444

0 引言

隨著人口老齡化的日益加劇，高血壓患者持續(xù)增加，據(jù)2015年《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報告（2015年）》發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國18歲及以上居民的高血壓患病率高達25.2%，高于世界平均水平，且近年來患病率呈逐年上升趨勢[1]。高血壓不僅嚴(yán)重影響大腦交感神經(jīng)，對患者的健康與生活帶來一定的威脅，甚至引發(fā)心臟病、腦溢血等嚴(yán)重心血管疾病，使其發(fā)病率顯著上升[2-3]。作為反映患者心血管功能的重要生理指標(biāo)，連續(xù)血壓監(jiān)測對患者心血管狀況的評估以及醫(yī)生臨床診斷心臟疾病有重要的幫助[4]。

無創(chuàng)連續(xù)血壓測量設(shè)備研制一直是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的熱門研究課題。例如，THOMAS等[5]提出了一款BioWatch，它是一種基于脈搏波傳播時間（Pulse Transmit Time, PTT）模型進行血壓估算的無創(chuàng)腕式血壓監(jiān)測器，研究了人處于不同狀態(tài)下穿戴式設(shè)備的準(zhǔn)確性。ZHENG等[6]提出了一種基于PTT模型的臂帶式可穿戴設(shè)備，其優(yōu)點是可以用于過夜血壓測量。JUNIOR等[7]提出使用智能手機以現(xiàn)有傳感器獲得可靠的PTT值。IMANI等[8]提出了一種實時健康和健康監(jiān)測系統(tǒng)，并可以通過藍(lán)牙獲取信號和傳輸數(shù)據(jù)。FRANCESCO等[9]提出了一種使用新型的智能手機進行PPG信號采集的方法，并對基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來估算連續(xù)血壓值方法加以改進，使智能手機能夠處理PPG信號以及估算血壓。

國內(nèi)對于無創(chuàng)連續(xù)血壓測量設(shè)備相關(guān)技術(shù)的研究雖然起步較晚，但經(jīng)過不斷努力，相關(guān)的研究成果也不斷出現(xiàn)。郭維[10]提出了一種穿戴式人體生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，基于脈搏波傳導(dǎo)時間計算方法，實現(xiàn)無袖帶血壓連續(xù)測量功能，并使用自適應(yīng)濾波器處理脈搏波信號，提高血氧飽和度測量的準(zhǔn)確度。李頂立[11]開發(fā)一套無創(chuàng)心功能監(jiān)測儀，對航天員血壓、血氧飽和度、每搏心輸出量等生理參數(shù)進行無創(chuàng)連續(xù)測量，并改進了基于脈搏波傳導(dǎo)時間和歸一化脈搏波理論的收縮壓和舒張壓計算方法。陳少吉[12]對多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試，根據(jù)模型的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，得出最適合人體血壓序列的預(yù)測模型和算法流程。

總體來說，受測量設(shè)備和測量方法不完善的限制，穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)還處于研究階段。對于穿戴式健康監(jiān)測系統(tǒng)，改善生理信號提取方法，縮小儀器體積，提高信號處理以及估算模型的準(zhǔn)確性是主要的技術(shù)研究重點。

本文研究開發(fā)了基于穿戴式設(shè)備的無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測系統(tǒng)，可以同步測量、記錄心電與脈搏波信號，并在此基礎(chǔ)上分析心電與脈搏波的波形信息，可以計算得到動脈血壓。測量由下位機穿戴式設(shè)備系統(tǒng)完成，主要實現(xiàn)心電與脈搏波信號的采集，將采集所得數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙上傳至上位機。上位機為計算機端，通過運行算法程序，實現(xiàn)心電以及脈搏波原始波形的存儲與顯示功能以及動脈血壓估算。本系統(tǒng)設(shè)備小巧，成本低廉，能夠準(zhǔn)確采集心電信號以及脈搏波信號，計算出準(zhǔn)確的脈搏波傳導(dǎo)時間以及提取脈搏波特征點，估算模型準(zhǔn)確性高。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

該基于穿戴式設(shè)備的無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測系統(tǒng)主要由中央控制模塊、信號采集模塊、電源模塊、顯示模塊和上位機模塊組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 穿戴式設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of wearable device system

系統(tǒng)的工作流程為：電源模塊為整個系統(tǒng)提供工作電源；BMD101與MSP430F5529通過串口通信，MSP430F5529讀取串口緩存將心電數(shù)據(jù)暫時存儲。PulseSensor光電模塊與MSP430F5529的A/D轉(zhuǎn)換引腳相連接，MSP430F5529單片機控制紅光、紅外光通道的切換，脈搏信號經(jīng)過采樣、保持、量化后暫時存儲，最終由固定通信協(xié)議打包并通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至計算機端進行信號處理及分析，實現(xiàn)血壓的無創(chuàng)連續(xù)估算。硬件電路實物圖如圖2所示。

圖2 穿戴式設(shè)備硬件實物圖Fig.2 Physical diagram of wearable device

1.1 中央控制模塊設(shè)計

中央控制模塊是穿戴式設(shè)備的核心處理模塊，用于控制信號采集模塊采集信號并與上位機進行數(shù)據(jù)通信。其主要包括MSP430F5529處理器設(shè)計、藍(lán)牙模塊設(shè)計。

1.1.1 MSP430F5539處理器

MSP430系列單片機是美國 Texas Instruments(TI)的一種16位RISC結(jié)構(gòu)，超低功耗的混合信號處理器，是中央控制模塊的核心單元，該處理器具有64個針腳，具有 128 kB 閃存、8 kB RAM、2 個 USCI、12位 ADC，滿足穿戴式設(shè)備的AD采集、串口通信和低功耗的要求。

1.1.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊[13]實現(xiàn)了下位機MSP430F5529處理器與上位機計算機端之間的數(shù)據(jù)通信，本系統(tǒng)選用TI公司的CC2541芯片藍(lán)牙模塊，其具有寬泛的電源電壓范圍 (2 V～3.6 V)，非常適合應(yīng)用于需要超低能耗的系統(tǒng)。模塊使用串口波特率為115 200 bps，8位數(shù)據(jù)位，1位校驗位，通過AT指令對串口波特率、藍(lán)牙配對碼等參數(shù)調(diào)用。

1.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊用來為穿戴式設(shè)備系統(tǒng)供電，也可以對鋰電池進行充電。該模塊由電源管理模塊、直流隔離模塊和穩(wěn)壓模塊組成。在系統(tǒng)電路設(shè)計中MSP430F5529處理器和藍(lán)牙模塊采用了3.3 V供電，其余電路均采用了5 V供電。

電源管理模塊采用集成芯片TP4056，最大輸入電壓為8 V，充電電壓和輸出電壓固定于4.2 V±0.063 V。充電電流可以通過與腳PIN2(PROG)連接的電阻控制，計算如下：

式中IBAT為該款芯片BAT引腳輸出的最大電流，單位為mA，電壓為 1 200 mV。

本文中Rprog=1.2 kΩ，正常充電電流為1 A，充電速度快，充電完成后LED指示燈自動媳滅。

此外我們還選用了B0303作為直流隔離模塊以防止穿戴式設(shè)備對人體造成電擊傷害，SGM2019作為穩(wěn)壓模塊用于穩(wěn)定供電電壓。

1.3 信號采集模塊設(shè)計

1.3.1 心電信號采集模塊

本文中心電信號采集模塊采用BMD101心電傳感器，其模擬前端主要由低噪聲放大器、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及一個檢測感應(yīng)器脫落的檢測電路組成，具有極佳的消噪功能?？刹杉瘡摩蘓到mV的生物信號，采樣頻率為512 Hz，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用16位精度，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)過截止頻率為100 Hz的低頻濾波器濾波后，通過UART輸出。

其中，BMD101芯片的SEP引腳和SEN引腳經(jīng)過雙向防靜電二極管分別與圓形不銹鋼干電極片相連接，雙向二極管可以對人體進行靜電防護。采集的心電信號經(jīng)由BMD101芯片處理，從TX引腳以串口異步通信方式與MSP430F5529處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

1.3.2 脈搏波信號采集模塊

本文中心電信號采集模塊采用PulseSensor光電反射式模擬傳感器，由光源和光電變換器兩部分組成。本文選擇紅光和紅外光兩個光源。選擇某一通道只需要使相應(yīng)通道的電源連接即可，每一通道的信號由同一引腳輸出，能保證每通道信號的直流分量一致。通過MSP430F5529控制光源輸出和A/D轉(zhuǎn)換獲得基于光電容積的脈搏波信號。

1.4 顯示模塊設(shè)計

本文采用0.96 英寸的 OLED顯示屏模塊進行回傳數(shù)據(jù)的顯示，顯示模塊通過IIC/SPI接口與MSP430F5529處理器相連接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 下位機軟件設(shè)計

下位機軟件程序設(shè)計如圖3所示。

下位機軟件開發(fā)是基于MSP430F5529處理器的嵌入式開發(fā)，MSP430F5529在系統(tǒng)初始化后，協(xié)調(diào)BMD101心電傳感器和PulseSensor光電容積脈搏傳感器正常工作。為實現(xiàn)心電、紅光脈搏、紅外光脈搏三路信號都能夠?qū)崟r采集，其中心電信號采樣頻率固定為512 Hz，需通過串口讀取。本文對紅光通道和紅外光通道兩路脈搏信號均采用512 Hz頻率進行采樣，以保證三路信號協(xié)調(diào)一致。為使程序高效、減少功耗，下位機程序多采用中斷的方式實現(xiàn)。由于對微處理器的時鐘要求較高，本文采用25 MHz作為主時鐘頻率，對兩路脈搏信號的采集由定時器TA0中斷進行控制，設(shè)置定時器每1/1 024 s后切換一次采樣通道，反復(fù)循環(huán)，可保證兩路脈搏信號采樣頻率均為512 Hz。同時，通過串口中斷讀取BMD101心電數(shù)據(jù)，保證三路信號的時序一致。最后將三路信號的數(shù)據(jù)通過固定的打包協(xié)議經(jīng)串口發(fā)送給藍(lán)牙模塊。

圖3 系統(tǒng)下位機軟件開發(fā)流程Fig.3 System computer software development process

2.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件開發(fā)流程如圖4所示。

上位機軟件開發(fā)是基于Matlab開發(fā)。下位機的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至上位機，首先要對數(shù)據(jù)包進行校驗和解析。一個完整的數(shù)據(jù)包為21字節(jié)，通過判斷包頭、包尾和數(shù)據(jù)包中心字節(jié)是否和預(yù)設(shè)字節(jié)信息相等，完成對數(shù)據(jù)包的校驗。之后將校驗好的數(shù)據(jù)分別儲存到三個數(shù)組：心電信號數(shù)組、紅光脈搏信號數(shù)組和紅外光脈搏信號數(shù)組，之后對各通道數(shù)據(jù)分別做處理。數(shù)據(jù)信息包的通信協(xié)議功能如表1所示。

圖4 系統(tǒng)上位機軟件開發(fā)流程Fig.4 System upper computer software development process

表1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議說明Tab.1 Data communication protocol description

為保證信號分析的有效性，信號提取后對信號進行預(yù)處理，通過上限截止頻率為90 Hz，下限截止頻率為0.5 Hz的IIR二階巴特沃斯濾波器和中值濾波器對心電信號和脈搏波信號進行濾波，去除基線漂移和毛刺噪聲。

本文使用的血壓估算模型結(jié)合了脈搏波傳播時間模型[5]以及誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[9]。

3 系統(tǒng)測試與結(jié)果

系統(tǒng)測試分為三個部分，首先是對硬件的穩(wěn)定性進行測試，即通過對靜息狀態(tài)下短時間內(nèi)信號穩(wěn)定性分析，評估硬件的穩(wěn)定性。之后對硬件的準(zhǔn)確性進行測試，即通過同時用多導(dǎo)生理記錄儀BIOPAC MP36和穿戴式設(shè)備采集心電信號進行對比，評估硬件的準(zhǔn)確性。最后對血壓估算結(jié)果進行評估，即通過同時使用醫(yī)用床邊監(jiān)護儀NIHON KOHDEN和穿戴式設(shè)備進行血壓估算對比，評估血壓估算的準(zhǔn)確性。如圖5所示，實驗者同時使用醫(yī)用床邊監(jiān)護儀NIHON KOHDEN和穿戴式設(shè)備進行血壓測量。

3.1 實驗設(shè)計

圖5 同時使用NIHON KOHDEN和穿戴式設(shè)備測量血壓Fig.5 BP collected with NIHON KOHDEN monitor and wearable device simultaneously

3.1.1 實驗數(shù)據(jù)

本文采集了3名實驗者（年齡：23～24歲，MEAN=23.67 歲, STD=0.58 歲）共390個樣本數(shù)據(jù)，具體統(tǒng)計信息如表2所示，其中1 mmHg=133.32 Pa。

表2 實驗數(shù)據(jù)的血壓（mmHg）Tab.2 BP ranges in the database

3.1.2 硬件穩(wěn)定性測試

通過對靜息狀態(tài)下3名實驗者短時間兩次ECG信號和PPG信號采集，每次采集30 s數(shù)據(jù)，做t檢驗，P值大于0.05時認(rèn)為無統(tǒng)計性差異，信號穩(wěn)定。

3.1.3 硬件準(zhǔn)確性測試

通過對靜息狀態(tài)下實驗者同時使用多導(dǎo)生理記錄儀BIOPAC MP36和穿戴式設(shè)備采集心電信號進行對比。

3.1.4 血壓估算準(zhǔn)確性測試

通過同時使用醫(yī)用床邊監(jiān)護儀NIHON KOHDEN和穿戴式設(shè)備進行血壓估算對比。以NIHON KOHDEN的血壓值作為比較的檢測系統(tǒng)，以穿戴式設(shè)備的血壓數(shù)值作為待評價系統(tǒng)，進行Bland-Altman檢驗（B-A檢驗）分析。使用兩種系統(tǒng)檢測結(jié)果差值的均數(shù)進行偏差估計，以95%為置信區(qū)間。其中，中間的實線代表實際血壓值，虛線表示置信區(qū)間的大小。

3.2 實驗結(jié)果

3.2.1 硬件穩(wěn)定性測試結(jié)果

如表3所示，3名實驗者短時間內(nèi)30 s ECG和PPG信號的P值均大于0.05，我們認(rèn)為信號無統(tǒng)計性差異，硬件采集到的信號穩(wěn)定。

表3 硬件穩(wěn)定性測試結(jié)果Tab.3 The result of stability test

3.2.2 硬件準(zhǔn)確性測試結(jié)果

如圖6所示，硬件采集的心電信號和標(biāo)準(zhǔn)的心電信號R波位置相同，可以用來計算PTT，結(jié)合脈搏波計算血壓值。

圖6 BIOPAC MP36和穿戴式設(shè)備同時采集心電信號對比Fig.6 Comparison of ECG collected with BIOPAC MP36 monitor and wearable device simultaneously

3.2.3 血壓估算準(zhǔn)確性測試

穿戴式設(shè)備進行血壓估算結(jié)果如圖7所示，在上位機可以顯示采集信號的波形，并通過模型計算血壓值。

圖7 穿戴式設(shè)備血壓估算結(jié)果Fig.7 Result of blood pressure and SPO2 estimation by wearable

B-A檢驗結(jié)果如圖8所示，可以看出大部分DBP(375/390，96.15%) 和SBP (377/390，96.67%) 在95%置信區(qū)間內(nèi)。

4 結(jié)束語

圖8 DBP和SBP的B-A檢驗結(jié)果Fig.8 Bland-Altman plot for DBP and SBP by NIHON KOHDEN blood pressure monitor and our system

本文設(shè)計的一款基于穿戴式設(shè)備的無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測系統(tǒng)，以MSP430F5529為處理器，采集了心電信號和脈搏波信號；通過藍(lán)牙通信和上位機數(shù)據(jù)分析，獲得動脈血壓值。在家庭或者社區(qū)監(jiān)護中，可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定地監(jiān)測使用者血壓狀況。其設(shè)備小巧，僅為4 cm×4 cm，成本低廉，能夠準(zhǔn)確采集心電信號以及脈搏波信號，并計算出準(zhǔn)確的脈搏波傳導(dǎo)時間以及提取脈搏波特征點，估算模型準(zhǔn)確性高。