基于手指壓力示波法的血壓測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳真誠(chéng)，李世勇，梁永波，朱健銘，曾若生

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院， 廣西 桂林 541004; 2.桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

1 引 言

隨著高血壓患者人數(shù)不斷上升，由其引起的各種并發(fā)癥已成為常見的疾病。因此，血壓測(cè)量在臨床疾病診斷和家庭健康監(jiān)測(cè)中變得越來越重要。人體血壓測(cè)量方法分為有創(chuàng)測(cè)量法和無創(chuàng)測(cè)量法[1-2]。無創(chuàng)測(cè)量法有動(dòng)脈張力法、容積補(bǔ)償法、示波法等。Pressman和Newgard于1963年提出動(dòng)脈張力法[3]，其測(cè)量原理是在橈動(dòng)脈、股動(dòng)脈和頸動(dòng)脈等淺表動(dòng)脈施加外壓[4]。當(dāng)動(dòng)脈受到外部壓力時(shí)，動(dòng)脈血管將處于扁平狀態(tài)，然后利用壓力傳感器測(cè)得施加在動(dòng)脈上的壓力，得到脈壓波波形，進(jìn)而求出血壓值。Penanz于1973年提出容積補(bǔ)償法[5]。該方法指出動(dòng)脈血管在受到外部壓力后，將進(jìn)入去負(fù)荷狀態(tài)，若外部壓力與血管內(nèi)壓力相同，則動(dòng)脈血管壁內(nèi)徑將不會(huì)隨著血壓的波動(dòng)而變化，它處于恒定容積的狀態(tài)[6]。此時(shí)測(cè)量外部壓力就能得到血壓。示波法測(cè)量血壓的原理基礎(chǔ)是脈搏波，通過袖套對(duì)人體手臂施加壓力進(jìn)而對(duì)動(dòng)脈血管產(chǎn)生壓迫，以此產(chǎn)生血管中血流的受阻振蕩信號(hào)也就是脈搏波信號(hào)，利用傳感器同時(shí)采集脈搏波信號(hào)以及袖帶所施加的壓力信號(hào)，最后擬合出兩種信號(hào)之間的關(guān)系來計(jì)算出收縮壓、舒張壓。

2 手指壓力示波法的測(cè)量原理

無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)基于示波法原理，同時(shí)參考動(dòng)脈張力法和容積補(bǔ)償法，見圖1。與示波法原理相比，袖套充氣對(duì)動(dòng)脈血管產(chǎn)生的壓力在此系統(tǒng)中由使用者手指指尖按壓傳感器產(chǎn)生(見圖1中綠色箭頭)，其壓力值由正下方的壓力傳感器獲得；此過程中動(dòng)脈血管血容積變化則通過手指下方的光電容積脈搏波傳感器獲取(見圖1中紅色箭頭)。通過MATLAB中的圖形交互界面(graphical user interface, GUI)實(shí)時(shí)顯示兩種信號(hào)波形，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，建立受力光電容積脈搏波信號(hào)、施加壓力與血壓之間的模型關(guān)系，最終計(jì)算出人體的血壓值。本系統(tǒng)測(cè)量時(shí)需保證手指勻速施壓于傳感器，以得到幅度值變化的光電容積脈搏波信號(hào)。在操作過程中，由于使用者不熟悉本系統(tǒng)而導(dǎo)致施加壓力時(shí)大時(shí)小，造成輸出波形不符合要求。因此，為規(guī)范使用者正確使用本系統(tǒng)，特在GUI界面中設(shè)計(jì)了施加壓力的范圍界限。在GUI壓力顯示模塊中，紅色曲線為壓力上界限，藍(lán)色曲線為下界限。這兩條曲線在視覺上指導(dǎo)使用者如何勻速施加壓力，如果使用者施加的壓力值在該界限內(nèi)就能較成功地輸出符合要求的波形。

圖1 無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cuff-less blood pressure measurement system

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)選用STM32F103ZET6為處理芯片，與PPG傳感器和壓力傳感器組成下位機(jī)信號(hào)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理、血壓計(jì)算模型則采用MATLAB GUI界面，兩者通過串口通信方式傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物圖見圖2。

圖2實(shí)物圖

Fig.2Picture of real products

3.2 傳感器選型與標(biāo)定

無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)需準(zhǔn)確測(cè)量施加的壓力。本研究選擇薄膜式壓力傳感器，型號(hào)為RFP-603，該傳感器敏感區(qū)直徑為10 mm，響應(yīng)時(shí)間為us級(jí)，量程為500 g。該傳感器能將壓力轉(zhuǎn)換成阻值變化信號(hào)，最后經(jīng)電路轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。傳感器經(jīng)砝碼標(biāo)定后得到力-電壓曲線關(guān)系。共采集30個(gè)不同的砝碼質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的輸出壓力值(范圍為0～450 g)及其輸出電壓。傳感器所受壓力值與輸出電壓間的關(guān)系曲線見圖3。對(duì)力-電壓曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，經(jīng)比較最終選擇5階多項(xiàng)式擬合。

圖3 傳感器壓力與輸出電壓標(biāo)定關(guān)系曲線圖Fig.3 Sensor pressure and output voltage calibration curve

5階多項(xiàng)式擬合后，得壓力傳感器輸出電壓(v)與壓力y的關(guān)系：y=-24.73×v5+309.3×v4-1 547.4×v3+3 904.5×v2-5 078.6×v+2 844.0

注：Pa=N/S，1 Kg=10 N，S=π(d/2)2，1 kPa≈7.5 mmHg.

由于綠光受皮下組織的干擾相對(duì)其他光源更小[7]，因此,PPG傳感器光源選擇525 nm的綠光，型號(hào)為AM250，接收器采用APDS9008光電探測(cè)器。又因其輸出信號(hào)中包含有很多噪聲而脈搏波信號(hào)頻率集中在0～20 Hz之間，因此模擬帶通濾波的頻率范圍為0.16～14.6 Hz。

3.3 無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)工作流程

人體脈搏波信號(hào)的形態(tài)主要由低頻信號(hào)決定，其主要頻率集中在0～20 Hz[8-9]。根據(jù)奈奎斯特采樣定理,同時(shí)考慮脈搏波峰值點(diǎn)識(shí)別與提取精度，設(shè)置脈搏波的采樣率為100 Hz。開始測(cè)量時(shí)，STM32將兩路內(nèi)置ADC采集的數(shù)據(jù)通過串口通信方式發(fā)送到MATLAB GUI，其工作流程見圖4。GUI界面對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。測(cè)量結(jié)束后，通過GUI界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立受力光電容積脈搏波信號(hào)、施加壓力與血壓之間的模型關(guān)系，最終計(jì)算出人體的血壓值。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖Fig.4 System work flow chart

3.4 數(shù)據(jù)擬合與計(jì)算模型

3.4.1數(shù)據(jù)擬合 選擇滑動(dòng)平均濾波算法濾除原始脈搏波信號(hào)與壓力信號(hào)中的毛刺等異常值。同時(shí)找出受力后的脈搏波信號(hào)的峰值點(diǎn)與其峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值，結(jié)果見圖5(a)、圖5(b)。

根據(jù)波峰值與壓力值的關(guān)系選擇擬合算法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。本研究分別選擇了多項(xiàng)式、單高斯、雙高斯算法進(jìn)行擬合。三種曲線擬合算法結(jié)果分析見表1,曲線擬合結(jié)果見圖6。

圖5 (a).PPG幅度波形;(b).壓力曲線Fig.5 (a) .PPG amplitude waveform; (b).Pressure curve表1 三種擬合方式Table 1 Comparison of three fitting methods

3階多項(xiàng)式單高斯雙高斯SSE0.013380.022410.006296R-square0.9040.84510.9565Adjusted R-square0.88960.83030.9444RMSE0.026350.032670.0187

圖6三種擬合方法結(jié)果圖

Fig.6Results of the three fitting methods

從表1中可看出,雙高斯擬合算法效果好，因此本研究選用雙高斯擬合算法。

雙高斯模型擬合如下：選擇2個(gè)平均值不同、幅度不同、標(biāo)準(zhǔn)差不同的高斯函數(shù)之和作為模型，表達(dá)式如下：

(1)

其中a1和a2為高斯函數(shù)的幅度，σ1和σ2為標(biāo)準(zhǔn)差，μ1和μ2分別為兩個(gè)高斯函數(shù)的平均值，也就是兩個(gè)高斯函數(shù)尖峰的中坐標(biāo)。ξ為測(cè)量系統(tǒng)在開始之前手指放置產(chǎn)生的壓力。

3.4.2血壓計(jì)算模型 基于示波法計(jì)算收縮壓與舒張壓的算法模型,主要為波形特征法和幅度系數(shù)法。

(1)波形特征法是根據(jù)所測(cè)得脈搏波波包絡(luò)線形狀分析出收縮壓與舒張壓的特異性，并通過此特異性來計(jì)算人體血壓值[10]。

(2)幅度系數(shù)法又稱歸一化法。當(dāng)人體血管平均壓與外界施加壓力相等時(shí)，脈搏波包絡(luò)幅度將最大，并由此計(jì)算出平均血壓(mean blood pressure， MBP)，然后根據(jù)特定比例系數(shù)計(jì)算出收縮壓和舒張壓[11]。在幅度系數(shù)法研究中，比較典型的算法是根據(jù)收縮壓(systolic blood pressure， SBP)和舒張壓(diastolic blood pressure，DBP)與所測(cè)脈搏波最大幅值的比例關(guān)系判別得出血壓值。在幅度波形中，收縮壓對(duì)應(yīng)脈搏波幅度值A(chǔ)SBP，平均血壓對(duì)應(yīng)幅度值A(chǔ)MBP，舒張壓對(duì)應(yīng)的幅度值A(chǔ)DBP。KSBP為收縮壓歸一化系數(shù)，KDBP為舒張壓歸一化系數(shù)，則：

(2)

(3)

Geddes提出收縮壓歸一化系數(shù)為0.5，舒張壓的歸一化系數(shù)為0.75～0.8[12]；Mauro認(rèn)為收縮壓歸一化系數(shù)為0.46～0.64，舒張壓歸一化系數(shù)為0.43～0.73[13]。

(3)本研究采用幅度系數(shù)法進(jìn)行血壓測(cè)量，根據(jù)雙高斯擬合算法得到擬合波形圖，取其最大值對(duì)應(yīng)的壓力作為平均血壓，根據(jù)平均血壓范圍選擇不同的比例系數(shù)來計(jì)算收縮壓和舒張壓。本研究在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參考了Geddes 、Mauro等給出的歸一化系數(shù)，得到了無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)的歸一化系數(shù)，見表2。

表2 無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)歸一化系數(shù)Table 2 Normalized coefficient of cuff-less blood pressure measurement system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)采集血壓流程

無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)的具體測(cè)量過程：

(1)在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境保持安靜，志愿者需靜息15 min。

(2)考慮到志愿者不熟悉使用本測(cè)量系統(tǒng)，因此所有志愿者需先學(xué)習(xí)使用此測(cè)量系統(tǒng)：

(a)首先志愿者采用坐姿，傳感器置于平面，使傳感器與其心臟處于同一水平線上；

(b)其次志愿者將左手中指前端正放于傳感器上方；

(c)志愿者緩慢按壓中指，施加壓力在GUI界面標(biāo)明界限范圍內(nèi)；

(d)測(cè)量結(jié)束,計(jì)算出血壓值。

(3)每位志愿者測(cè)10次求其均值，每組數(shù)據(jù)間隔2 min。

(4)測(cè)量結(jié)束后，用歐姆龍電子血壓計(jì)(Omron HEM-7201)測(cè)量其袖套式的血壓值，并作為無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)的參考值，同樣測(cè)量10次求均值。

4.2 結(jié)果分析

一共采集了24位志愿者的數(shù)據(jù)，年齡21～31歲，女性數(shù)據(jù)9組。收縮壓在106～155 mmHg范圍內(nèi)，舒張壓在67～97 mmHg范圍內(nèi)。以歐姆龍電子血壓計(jì)測(cè)量值作為參考值，將無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)的收縮壓和舒張壓數(shù)據(jù)分別與其進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖7。兩種方法測(cè)量的收縮壓相關(guān)系數(shù)為0.841，標(biāo)準(zhǔn)差為6.78 mmHg；舒張壓相關(guān)系數(shù)為0.809，標(biāo)準(zhǔn)差為4.91 mmHg。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,基于手指壓力示波法的無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)與基于示波法的電子血壓計(jì)有著較高的相關(guān)性。

圖7相關(guān)性分析

Fig.7Correlation analysis

5 結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)了一種基于手指壓力示波法的無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)。同時(shí)采集手指端動(dòng)脈受壓后的光電容積脈搏波波形信號(hào)以及施加的壓力信號(hào)，采用雙高斯擬合算法對(duì)兩組信號(hào)進(jìn)行曲線擬合，建立了計(jì)算血壓的模型公式，實(shí)現(xiàn)了無袖套血壓測(cè)量。以袖帶式結(jié)果為參考值，本測(cè)量系統(tǒng)的收縮壓相關(guān)系數(shù)為0.841，標(biāo)準(zhǔn)差為6.78 mmHg；舒張壓相關(guān)系數(shù)為0.809，標(biāo)準(zhǔn)差為4.91 mmHg。雖然與傳統(tǒng)袖套式電子血壓計(jì)相比存在一定誤差，但為無袖套血壓測(cè)量系統(tǒng)提供了一種新思路，也為血壓測(cè)量裝置的小型化、移動(dòng)醫(yī)療以及全民健康服務(wù)提供了一種新方法。