基于脈搏波的無創(chuàng)血壓檢測系統(tǒng)

張磊 單新治 高秀敏

摘要：針對現(xiàn)階段無創(chuàng)血壓檢測儀體積較大、不易攜帶，且需要專業(yè)人員操作的問題，提出了一種無創(chuàng)血壓檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)基于脈搏波傳導(dǎo)和光與物質(zhì)相互作用的原理，提取并分析了光與手腕處的皮膚作用后的光電信號模量，推算出動脈血液流速，即脈搏波傳導(dǎo)速度，從而進一步推算出血壓值。試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)與傳統(tǒng)血壓檢測儀的平均相對誤差在5%以內(nèi)，具有一定的可行性。該系統(tǒng)具有體積小、成本低、測量方式簡單、易攜帶、可做大數(shù)據(jù)管理等特點，可用于人體血壓的實時監(jiān)測及健康管理。

關(guān)鍵詞：無創(chuàng);血壓檢測;光電信號

中圖分類號：TN911.74;TH77 文獻標志碼：A

引言

血壓是指血管內(nèi)血液對單位面積血管壁的側(cè)壓力，即壓強。血壓可以分為靜脈血壓和動脈血壓，一般情況下血壓指的是動脈血壓，它能反映心臟功能以及外周血管的生理病理狀況。同時，血壓是反映人體心血管狀況、評價人體健康程度的一項重要生理指標，也是臨床上診斷疾病的重要參考依據(jù)。血壓會存在很大的波動性，由于各種因素會導(dǎo)致每一次心跳時的血壓都不一樣，因此血壓連續(xù)測量對守護人的健康具有重要意義。

高血壓是引起心腦血管疾病的首要危險因素。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對健康也越來越關(guān)注，因此對高血壓及其并發(fā)癥早發(fā)現(xiàn)、早治療的疾病預(yù)防理念也受到越來越多人的重視。目前，血壓檢測方法主要分為有創(chuàng)檢測法和無創(chuàng)檢測法。有創(chuàng)檢測法即為動脈插管法，是將導(dǎo)管插入到測量部位的動脈血管中，通過導(dǎo)管外部連接的壓力傳感器測出血壓，測量結(jié)果雖然很準確，但是操作要求比較高，且為有創(chuàng)檢測，會給患者帶來不適感，因此僅適用于重癥病人手術(shù)過程中，不適用于日常測量。無創(chuàng)血壓檢測方法主要有柯氏音法、示波法、容積振動法等?？率弦舴▽?yīng)的就是水銀式血壓計，測量結(jié)果很準確，被業(yè)界廣泛認可，一般醫(yī)學檢測都采用這種方式。但水銀式血壓計需要專業(yè)人員操作，且準確度受到操作人員的影響，因此不適用于日常生活中的血壓檢測。目前市場上有很多類型的電子血壓計，大多是采用了示波法的原理。但電子血壓計準確性不是很高，且對適用人群有限制，而且不能隨身攜帶，無法做到對血壓的實時監(jiān)測，因此也存在不足之處。

本文針對以上幾種方法的不足，提出了一種基于脈搏波傳導(dǎo)速度和光與物質(zhì)相互作用原理的無創(chuàng)血壓檢測系統(tǒng)。通過提取并分析光與手腕處皮膚作用后的光電信號模量，推算出動脈血液流速，即脈搏波傳導(dǎo)速度，從而進一步推算出血壓值。

1血壓檢測原理

本系統(tǒng)的理論模型是流體模型：假設(shè)血管中流動的血液像水在水管中流動一樣（如圖1所示），在血管壁摩擦力、血管粗細等參數(shù)已知或相對固定的情況下，只要知道血液的流動速度，即脈搏波傳導(dǎo)速度v，就可推算出血液對側(cè)壁的壓力，即人體血壓P。

由式（7）可以得出，在血管彈性模量不變的情況下，人體血壓的改變值與脈搏波的傳導(dǎo)時間成正比。因此只要知道了脈搏波傳導(dǎo)速度，也就是血液流速，即可推出脈搏波傳導(dǎo)時間，從而可以求得人體血壓。

一般情況下，人體皮膚對光的吸收主要受到動脈血液、靜脈血液、骨骼和其他組織的影響。而靜脈血液、骨骼和其他組織對光的吸收變化影響較小，在某個時間點內(nèi)可以忽略不計。隨著心臟的收縮和舒張，動脈血液的流速會發(fā)生變化，所以皮膚對光的吸收變化與動脈血液流速的變化直接相關(guān)。

由以上的分析我們可以得出：皮膚對光的吸收變化與動脈血液流速的變化有著直接的關(guān)系。所以只要測得皮膚對光的吸收變化，就可以推算出動脈血液流速的變化，進而可以得到某一時間點血壓。我們通過檢測系統(tǒng)中的光學傳感器向被測者手腕皮膚發(fā)射光束，并用接收傳感器進行連續(xù)信號收集，然后對一段時間內(nèi)得到的連續(xù)圖像進行信號處理，從而得出這段時間內(nèi)皮膚對光束的吸收變化。通過皮膚對光的吸收變化，能求得動脈血液的流速變化量，即脈搏波傳導(dǎo)速度變化量，再利用上述結(jié)論得到人體血壓。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件如圖2所示，主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、算法模塊、主控模塊、電源模塊及顯示模塊等。數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的光電信號傳輸?shù)剿惴K，由算法模塊對數(shù)據(jù)信號進行處理，主控模塊在電源模塊的支持下控制整個系統(tǒng)的運行和工作，最后通過顯示模塊顯示檢測結(jié)果。通訊接口用于控制器與外界通訊以及外接軟鍵盤進行系統(tǒng)校準。

2.2心率算法電路

心率算法電路中采用了一款低功耗的YKB1712心率傳感器芯片，該芯片采用光電式容積描記（PPG）的方式感應(yīng)人體的脈搏信息并加以提取，最后輸出脈搏波波形。該芯片集合了上一代心率傳感器芯片的優(yōu)點，采用高靈敏度光感集成電路（IC）以及2個綠色LED以及低噪聲前置放大器，功耗更低，適用于可穿戴產(chǎn)品、手機、醫(yī)療器械中。HRB6708是用來配合YKB1712心率傳感器芯片工作的一款心率芯片，可同時輸出心率的方波和正弦波，工作電壓范圍為2.1～5.5v（配合心率監(jiān)測電路時通常為3v供電），正常工作溫度為-40～+85℃。

2.3血壓算法電路及校準電路

血壓算法電路及校準電路如圖3所示，U6（sF9709）是一顆帶心率血壓算法的算法Ic，配合YKB1712心率傳感器芯片與HRB6708心率芯片輸出串口UART信號，可以實現(xiàn)血壓數(shù)值的串口輸出。U7（JZ11711）為校準芯片，本系統(tǒng)設(shè)置有外接接口，可以通過外接軟鍵盤輸入校準信息，定期對系統(tǒng)進行標定和校準，同時在系統(tǒng)測量結(jié)果出現(xiàn)誤差時，也可人為對系統(tǒng)進行校準，保證系統(tǒng)測量結(jié)果的準確性。

2.4電源電路

電源電路為整個系統(tǒng)供電，采用3.7 v鋰電池和5 v USB兩種供電方式，其中5 v接口可以同時滿足鋰電池充電和系統(tǒng)供電要求。采用TP4056芯片對鋰電池進行充電，穩(wěn)壓芯片采用LP2992。

2.5 MCU及外圍電路

系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32L063系列低功耗型芯片作為控制器。由于芯片采用了高性能、低成本、低功耗的ARM Codex-M0+內(nèi)核，具有較高的運算能力及數(shù)據(jù)處理功能，并擁有豐富的外設(shè)接口。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1主控程序

為各個硬件模塊提供實現(xiàn)所需功能的相關(guān)程序，主要包括主控單元程序、光源驅(qū)動程序、傳感器通訊協(xié)議程序等。調(diào)試平臺基于Keil forARM，開發(fā)語言主要采用適合STM32編程的c語言。

STM32為整個電路的核心控制單元，通過ST-Link燒入控制程序，用于控制整個電路系統(tǒng)正常有序地工作。主控程序流程如圖4所示。

3.2光源驅(qū)動程序

光源驅(qū)動模塊的控制也是由STM32完成，STM32初始化變量后，開啟LED驅(qū)動模塊電源，通過設(shè)置不同工作電流，使LED間歇性地發(fā)出兩個波長的綠光，配合接收傳感器來測量用于分析人體脈搏波的特征信息。

3.3數(shù)據(jù)采集程序

STM32控制相關(guān)模塊開始采集各傳感器檢測到的模擬信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，對讀取到的各數(shù)值進行處理，并對處理后的有關(guān)信息進行顯示和存儲。

3.4系統(tǒng)校準程序

校準程序用于定期對系統(tǒng)進行標定和校準，同時在系統(tǒng)測量結(jié)果出現(xiàn)誤差時，也可人為對系統(tǒng)進行校準。校準時需確保系統(tǒng)測量結(jié)果與可靠的袖帶式血壓計測量結(jié)果一致，通過輸入舒張壓、收縮壓及心率值來對系統(tǒng)進行校準。系統(tǒng)校準程序如圖5所示。

4測試與分析

為保證測量數(shù)據(jù)的準確性，本系統(tǒng)帶有校準電路，在測試前先輸入標準數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行標定和校準。用本系統(tǒng)對10名20～30歲的健康志愿者進行測試，要求被測者在測量前一天晚上保證有良好的睡眠，在早上八點半左右接受測試。測量時，被測者保持背部挺直放松，手腕處測試位置與心臟保持在同一高度，手臂放松、手掌朝上。對每個被測者進行2次測量，2次測量的時間間隔為2～3 min。若2次測量結(jié)果相差不大則采用，若差距較大則再測1次。同時用技術(shù)成熟的家用電子血壓計對被測者進行測試，將其作為標準值，然后對2組數(shù)據(jù)進行比對。測試數(shù)據(jù)如表1所示，表中由斜杠分開的2個值是舒張壓（斜杠前）和收縮壓（斜杠后），血壓單位為mmHg（1mmHg=133.322Pa）。

測試數(shù)據(jù)的曲線圖如圖6所示。

5結(jié)論與分析

本文的無創(chuàng)血壓檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對血壓和心率的實時監(jiān)測。利用該系統(tǒng)對健康人群進行了測試，并與市場評價較好的家用電子血壓計測試結(jié)果進行對比，得到收縮壓和舒張壓平均絕對誤差分別為2.9 mmHg、3.1 mmHg，平均相對誤差分別為2.23%、4.27%，心率的平均相對誤差為5.46%，證實了本系統(tǒng)的可行性。

目前系統(tǒng)還存在一些不足之處，后續(xù)工作中會繼續(xù)進行改進。首先，對硬件作改進以減小環(huán)境等因素的干擾;其次，優(yōu)化算法，在保證準確率的前提下，提高檢測效率;最后，做更多的臨床測試，將不同年齡段的人群納入到我們的實驗對象中，進一步完善本系統(tǒng)。