文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.018
中文引用格式： 張洋，李毅彬，陳曉萌，等. 基于多種傳感器的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(5)：64-67.
英文引用格式： Zhang Yang，Li Yibin，Chen Xiaomeng，et al. Research on non-invasive and continuous BP measurement with various sensors[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：64-67.
0 引言
目前，心腦血管疾病已經(jīng)成為威脅人類健康的頭號(hào)殺手，積極防控心腦血管疾病變得刻不容緩[1]。血壓等人體生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控既可以為高血壓的預(yù)防、診斷和治療提供有力的依據(jù)，又能有效地預(yù)防突發(fā)性心腦血管疾病[2-3]。但是，傳統(tǒng)的血壓測(cè)量方法基于充氣袖帶，測(cè)量時(shí)會(huì)給被測(cè)試者帶來(lái)較大不適，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。因此，無(wú)袖帶的無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量技術(shù)受到越來(lái)越多研究者的重視[4]。
血壓的無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。直接測(cè)量即在體表采集動(dòng)脈處的壓力信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的處理和標(biāo)定后直接計(jì)算出人體的舒張壓和收縮壓。部分學(xué)者嘗試探究橈動(dòng)脈處的壓力與中心動(dòng)脈處的壓力之間的關(guān)系[5-6]，有的學(xué)者利用橈動(dòng)脈容積補(bǔ)償法來(lái)測(cè)量血壓[7]。間接測(cè)量即采集人體的各種脈搏波信號(hào)，尋找這些信號(hào)與血壓的關(guān)系，并利用這些關(guān)系測(cè)量血壓。有的學(xué)者利用脈搏波到達(dá)時(shí)間的高頻分量和低頻分量來(lái)估計(jì)收縮壓[8]；有的學(xué)者利用處理后的脈搏波延時(shí)來(lái)估計(jì)血壓[9]；更多的學(xué)者是利用脈搏波傳播時(shí)間（PPT）來(lái)測(cè)量血壓[10-12]。目前PTT(Pulse Transmit Time)無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量血壓是研究的主流。不同的研究者選取不同的特征點(diǎn)來(lái)計(jì)算PTT，并選用相應(yīng)的模型計(jì)算血壓，測(cè)量結(jié)果可以達(dá)到美國(guó)醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會(huì)（AAMI）的要求。但是，基于PTT的血壓測(cè)量方法存在一些缺陷。為了確定PTT，需要同時(shí)采集人體的脈搏波信號(hào)和心電信號(hào)，從而需要在人體不同部位安放傳感器和心電電極。這樣做成的設(shè)備不方便佩戴，不適合實(shí)時(shí)監(jiān)控人體血壓。
為了解決這一問(wèn)題，本文從實(shí)驗(yàn)的角度研究PPG、MMSB和PPW之間的相位差與血壓的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)PPG與MMSB之間的相位差與血壓的相關(guān)性最高，可以利用它實(shí)現(xiàn)血壓的無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量。與PTT法測(cè)量血壓相比，脈搏波相位差法的優(yōu)勢(shì)在于：它僅需要測(cè)量脈搏波，從而只需在人體同一位置安放多個(gè)傳感器。不同傳感器又可以集成到一塊電路板上，這樣做成的測(cè)量設(shè)備具有便攜的優(yōu)點(diǎn)，適合隨身攜帶，并實(shí)時(shí)監(jiān)控人體血壓。
1 脈搏波概述
在血液循環(huán)過(guò)程中，心臟周期性的收縮和舒張使血液周期性地由主動(dòng)脈向外周動(dòng)脈流動(dòng)，同時(shí)引起血液壓強(qiáng)、血液流速和血管直徑等許多人體生理參數(shù)周期性變化。這些變化具有波動(dòng)的性質(zhì)，所以稱為脈搏波。在人體固定的位置，可以用不同的傳感器采集不同的脈搏波。表1列出了MMSB、PPW、PPG、直徑脈搏波（DPW）和速度脈搏波（VPW）的測(cè)量方式、測(cè)量原理以及測(cè)量位置。
圖1是在橈動(dòng)脈處同時(shí)采集的MMSB、PPW和PPG波形(為使波形之間互不重疊，已添加偏置并利用MATLAB濾波)。如圖1所示，這些脈搏波的周期相同，不同脈搏波的主波峰之間存在時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差稱為這兩種脈搏波之間的相位差。本文通過(guò)運(yùn)動(dòng)恢復(fù)試驗(yàn)，探究不同脈搏波之間的相位差與血壓的關(guān)系。
2 實(shí)驗(yàn)方案
為了探究MMSB、PPW和PPG之間的相位差與血壓的關(guān)系，需要在左手橈動(dòng)脈處同時(shí)采集3路脈搏波信號(hào)，并同時(shí)使用歐姆龍電子血壓計(jì)在右臂肱動(dòng)脈處測(cè)量人體血壓。分別利用巨磁阻傳感器、壓力傳感器和光電傳感器采集MMSB、PPW和PPG信號(hào)。采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、20 Hz低通濾波和50 Hz工頻濾波后，使用基于ARM Cortex-M4的飛思卡爾 K60單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。之后，通過(guò)異步收發(fā)傳輸器系列端口把這些有用的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，提取信號(hào)峰值并計(jì)算相位差。模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣率為500 Hz，串行傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?15 200 Bd，最終利用MATLAB在電腦上實(shí)時(shí)顯示這些從人體采集到的信號(hào)。人體血壓無(wú)法連續(xù)測(cè)量，所以每半分鐘測(cè)量一次血壓，再把測(cè)得的SBP和DBP與不同脈搏波之間的相位差進(jìn)行比較。為了更明顯地發(fā)現(xiàn)相位差與血壓的關(guān)系，需要在較大范圍內(nèi)改變?nèi)梭w血壓，本文采用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)法來(lái)改變血壓。
本實(shí)驗(yàn)的5名實(shí)驗(yàn)者是年齡位于23～30歲的健康成年人，他們均無(wú)高血壓和心血管疾病病史。所有實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)前一天均未飲酒，并且在實(shí)驗(yàn)前均處于靜息狀態(tài)。
整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段：靜止階段和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)階段。在靜止階段，實(shí)驗(yàn)者坐在椅子上靜止不動(dòng)，以避免運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的干擾。用不同的傳感器在其左手橈動(dòng)脈處采集3種脈搏波信號(hào)，并同時(shí)用歐姆龍電子血壓計(jì)在其右臂肱動(dòng)脈處測(cè)量血壓，每位實(shí)驗(yàn)者采集30組數(shù)據(jù)。在運(yùn)動(dòng)恢復(fù)階段，實(shí)驗(yàn)者先在橢圓機(jī)上快速跑動(dòng)，半小時(shí)后坐到椅子上靜止不動(dòng)。此時(shí)，再分別用不同傳感器和歐姆龍電子血壓計(jì)在相應(yīng)位置處采集脈搏波和血壓值。每位實(shí)驗(yàn)者采集70組數(shù)據(jù)，以便與靜止階段相比較。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
5名實(shí)驗(yàn)者運(yùn)動(dòng)過(guò)后，血壓升高，脈搏波之間的相位差也有較大變化。不同實(shí)驗(yàn)者的血壓和脈搏波相位差變化略有不同，但其整體趨勢(shì)以及反映問(wèn)題的本質(zhì)是一致的，因此選擇了其中一位實(shí)驗(yàn)者的數(shù)據(jù)做詳細(xì)的分析。
圖2為某位實(shí)驗(yàn)者的3種脈搏波之間的相位差變化圖，圖3為該實(shí)驗(yàn)者的血壓變化圖。其中前30組數(shù)據(jù)為靜止階段，后70組數(shù)據(jù)為運(yùn)動(dòng)恢復(fù)階段。
如圖2所示，運(yùn)動(dòng)之后的恢復(fù)階段脈搏波之間的相位差表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。為了進(jìn)一步探究相位差與血壓的關(guān)系，把恢復(fù)階段細(xì)分為前期、中期和后期。從實(shí)驗(yàn)者停止運(yùn)動(dòng)到人體血壓首次降至靜止階段平均血壓的110%（分界點(diǎn)1）稱為恢復(fù)階段前期，從分界點(diǎn)1到人體血壓首次降至靜止階段平均血壓的90%（分界點(diǎn)2）稱為恢復(fù)階段中期，從分界點(diǎn)2到實(shí)驗(yàn)結(jié)束稱為運(yùn)動(dòng)恢復(fù)階段末期。這是一種為了研究問(wèn)題方便而采用的劃分方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)束并不意味著恢復(fù)階段的結(jié)束。雖然對(duì)于不同的個(gè)體，恢復(fù)階段前期、中期和后期的起止時(shí)間并不相同，但其揭示問(wèn)題的本質(zhì)是一致的。
從圖3中可以看出，該實(shí)驗(yàn)者靜止時(shí)，血壓在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。相應(yīng)地，不同脈搏波之間的相位差也保持穩(wěn)定。激烈運(yùn)動(dòng)過(guò)后，血壓升高?；謴?fù)階段前期，血壓迅速下降，相應(yīng)地，脈搏波之間的相位差也迅速減小。恢復(fù)階段中期，血壓基本穩(wěn)定，而脈搏波之間的相位差緩慢增大?；謴?fù)階段后期，血壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，相應(yīng)地，脈搏波之間的相位差也在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。其他的實(shí)驗(yàn)者的數(shù)據(jù)也都呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在恢復(fù)階段前期，血壓對(duì)相位差起主導(dǎo)作用，并且血壓和相位差都有較大變化。分別計(jì)算靜止階段和恢復(fù)階段前期各實(shí)驗(yàn)者不同脈搏波相位差與SBP、DBP的線性相關(guān)系數(shù)，并把數(shù)據(jù)分別列在表2、表3中。如兩表所示，恢復(fù)階段前期的相位差與血壓的相關(guān)性高于靜止階段。對(duì)于不同階段，3種脈搏波的相位差與SBP的相關(guān)性均略高于與DBP的相關(guān)性。其中，PPG與MMSB之間的相位差與血壓的相關(guān)性最高，而MMSB與PPW之間的相位差與血壓的相關(guān)性最低。因此可以利用PPG與MMSB之間的相位差測(cè)量靜止階段和恢復(fù)階段前期的人體血壓，能夠達(dá)到相當(dāng)高的精度。
4 結(jié)論
本文通過(guò)運(yùn)動(dòng)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)在較大范圍內(nèi)改變?nèi)梭w血壓，研究不同脈搏波之間的相位差與血壓的關(guān)系，并提出利用PPG與MMSB之間的相位差實(shí)現(xiàn)血壓無(wú)創(chuàng)測(cè)量的新方法。結(jié)果表明，PPG與MMSB之間的相位差與SBP和DBP均具有較高的相關(guān)性，用它來(lái)測(cè)量血壓能夠達(dá)到相當(dāng)高的精度。與利用脈搏波和ECG獲得PTT實(shí)現(xiàn)血壓無(wú)創(chuàng)測(cè)量相比，用該方法做成的設(shè)備便于隨身攜帶和實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有更廣闊的發(fā)展前景。在今后的研究中，會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件，并把重點(diǎn)放在血壓的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)上。
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