文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 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創(chuàng)連續(xù)血壓測量研究[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)的實時監(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)的血壓測量方法基于充氣袖帶，測量時會給被測試者帶來較大不適，而且無法實現(xiàn)連續(xù)測量。因此，無袖帶的無創(chuàng)連續(xù)測量技術(shù)受到越來越多研究者的重視[4]。
血壓的無創(chuàng)連續(xù)測量分為直接測量和間接測量。直接測量即在體表采集動脈處的壓力信號，經(jīng)過一定的處理和標(biāo)定后直接計算出人體的舒張壓和收縮壓。部分學(xué)者嘗試探究橈動脈處的壓力與中心動脈處的壓力之間的關(guān)系[5-6]，有的學(xué)者利用橈動脈容積補償法來測量血壓[7]。間接測量即采集人體的各種脈搏波信號，尋找這些信號與血壓的關(guān)系，并利用這些關(guān)系測量血壓。有的學(xué)者利用脈搏波到達(dá)時間的高頻分量和低頻分量來估計收縮壓[8]；有的學(xué)者利用處理后的脈搏波延時來估計血壓[9]；更多的學(xué)者是利用脈搏波傳播時間（PPT）來測量血壓[10-12]。目前PTT(Pulse Transmit Time)無創(chuàng)連續(xù)測量血壓是研究的主流。不同的研究者選取不同的特征點來計算PTT，并選用相應(yīng)的模型計算血壓，測量結(jié)果可以達(dá)到美國醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會（AAMI）的要求。但是，基于PTT的血壓測量方法存在一些缺陷。為了確定PTT，需要同時采集人體的脈搏波信號和心電信號，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，不適合實時監(jiān)控人體血壓。
為了解決這一問題，本文從實驗的角度研究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，可以利用它實現(xiàn)血壓的無創(chuàng)連續(xù)測量。與PTT法測量血壓相比，脈搏波相位差法的優(yōu)勢在于：它僅需要測量脈搏波，從而只需在人體同一位置安放多個傳感器。不同傳感器又可以集成到一塊電路板上，這樣做成的測量設(shè)備具有便攜的優(yōu)點，適合隨身攜帶，并實時監(jiān)控人體血壓。
1 脈搏波概述
在血液循環(huán)過程中，心臟周期性的收縮和舒張使血液周期性地由主動脈向外周動脈流動，同時引起血液壓強、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）的測量方式、測量原理以及測量位置。
圖1是在橈動脈處同時采集的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間差，這個時間差稱為這兩種脈搏波之間的相位差。本文通過運動恢復(fù)試驗，探究不同脈搏波之間的相位差與血壓的關(guān)系。
2 實驗方案
為了探究MMSB、PPW和PPG之間的相位差與血壓的關(guān)系，需要在左手橈動脈處同時采集3路脈搏波信號，并同時使用歐姆龍電子血壓計在右臂肱動脈處測量人體血壓。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。采集的信號經(jīng)過放大、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單片機實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。之后，通過異步收發(fā)傳輸器系列端口把這些有用的數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機，提取信號峰值并計算相位差。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在電腦上實時顯示這些從人體采集到的信號。人體血壓無法連續(xù)測量，所以每半分鐘測量一次血壓，再把測得的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，本文采用運動恢復(fù)法來改變血壓。
本實驗的5名實驗者是年齡位于23～30歲的健康成年人，他們均無高血壓和心血管疾病病史。所有實驗者在實驗前一天均未飲酒，并且在實驗前均處于靜息狀態(tài)。
整個實驗分為兩個階段：靜止階段和運動恢復(fù)階段。在靜止階段，實驗者坐在椅子上靜止不動，以避免運動所帶來的干擾。用不同的傳感器在其左手橈動脈處采集3種脈搏波信號，并同時用歐姆龍電子血壓計在其右臂肱動脈處測量血壓，每位實驗者采集30組數(shù)據(jù)。在運動恢復(fù)階段，實驗者先在橢圓機上快速跑動，半小時后坐到椅子上靜止不動。此時，再分別用不同傳感器和歐姆龍電子血壓計在相應(yīng)位置處采集脈搏波和血壓值。每位實驗者采集70組數(shù)據(jù)，以便與靜止階段相比較。
3 實驗結(jié)果及分析
5名實驗者運動過后，血壓升高，脈搏波之間的相位差也有較大變化。不同實驗者的血壓和脈搏波相位差變化略有不同，但其整體趨勢以及反映問題的本質(zhì)是一致的，因此選擇了其中一位實驗者的數(shù)據(jù)做詳細(xì)的分析。
圖2為某位實驗者的3種脈搏波之間的相位差變化圖，圖3為該實驗者的血壓變化圖。其中前30組數(shù)據(jù)為靜止階段，后70組數(shù)據(jù)為運動恢復(fù)階段。
如圖2所示，運動之后的恢復(fù)階段脈搏波之間的相位差表現(xiàn)出不同的變化趨勢。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。從實驗者停止運動到人體血壓首次降至靜止階段平均血壓的110%（分界點1）稱為恢復(fù)階段前期，從分界點1到人體血壓首次降至靜止階段平均血壓的90%（分界點2）稱為恢復(fù)階段中期，從分界點2到實驗結(jié)束稱為運動恢復(fù)階段末期。這是一種為了研究問題方便而采用的劃分方式，實驗結(jié)束并不意味著恢復(fù)階段的結(jié)束。雖然對于不同的個體，恢復(fù)階段前期、中期和后期的起止時間并不相同，但其揭示問題的本質(zhì)是一致的。
從圖3中可以看出，該實驗者靜止時，血壓在一個很小的范圍內(nèi)波動。相應(yīng)地，不同脈搏波之間的相位差也保持穩(wěn)定。激烈運動過后，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?；謴?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。恢復(fù)階段后期，血壓在一定范圍內(nèi)波動，相應(yīng)地，脈搏波之間的相位差也在一定范圍內(nèi)波動。其他的實驗者的數(shù)據(jù)也都呈現(xiàn)出相同的趨勢。
從實驗結(jié)果來看，在恢復(fù)階段前期，血壓對相位差起主導(dǎo)作用，并且血壓和相位差都有較大變化。分別計算靜止階段和恢復(fù)階段前期各實驗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
本文通過運動恢復(fù)實驗在較大范圍內(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之間的相位差實現(xiàn)血壓無創(chuàng)測量的新方法。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，用它來測量血壓能夠達(dá)到相當(dāng)高的精度。與利用脈搏波和ECG獲得PTT實現(xiàn)血壓無創(chuàng)測量相比，用該方法做成的設(shè)備便于隨身攜帶和實時監(jiān)控，具有更廣闊的發(fā)展前景。在今后的研究中，會進(jìn)一步改進(jìn)實驗條件，并把重點放在血壓的運動檢測上。
參考文獻(xiàn)
[1] 何為，余傳祥.心血管動力學(xué)參數(shù)測量原理和臨床應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.
[2] FAGARD R H，CELIS H，THIJS L，et al.Daytime and nighttime blood pressure as predictors of death and cause-specific cardiovascular events in hypertension[J].Hypertension，2008，51(1)：55-61.
[3] KIKUYA M，HOZAWA A，OHOKUBO T，et al.Prognostic significance of blood pressure and heart rate variabilities the Ohasama study[J].Hypertension，2000，36(5)：901-906.
[4] GESCHE H，GROSSKURTH D，KUCHLER G，et al.Continuous blood pressure measurement by using the pulse transit time：comparison to a cuff-based method[J].European Journal of Applied Physiology，2012，112(1)：309-315.
[5] PAUCA A L，WALLENHAUPT S L，KON N D，et al.Does radial artery pressure accurately reflect aortic pressure[J].Chest，1992，102(4)：1193-1198.
[6] KENJI T，HIDEYUKI K，NAOHISA S，et al.Relationship between radial and central arterial pulse wave and evaluation of central aortic pressure using the radial arterial pulse wave[J].Hypertension Research Official Journal of the Japanese Society of Hypertension，2007，30(3)：219-228.
[7] TANAKA S，GAO S M，NOGAWA M，et al.Noninvasive measurement of instantaneous radial artery blood pressure[J].IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine，2005，24(4)：32-37.
[8] CHEN W，KOBAYASHI T，ICHIKAWA S，et al.Continuous estimation of systolic blood pressure using the pulse arrival time and intermittent calibration[J].Medical and Biological Engineering and Computing，2000，8(4)：569-574.
[9] MEIGAS K，KATTAI R，LASS J.Continuous blood pressure monitoring using pulse wave delay[C].Proceedings of the 23rd Annual EMBS International Conference，Istanbul，Turkey：IEEE Press，2001：3171-3174.
[10] LASS J，MEIGAS K，KARAI D，et al.Continuous blood pressure monitoring during exercise using pulse wave transit time measurement[C].Proceedings of the 26th Annual International Conference of the IEEE EMBS，San Francisco，CA，USA：IEEE Press，2004：2239-2242.
[11] YE S Y，KIM G R，JUNG D K，et al.Estimation of systolic and diastolic pressure using the pulse transit time[J].World Academy of Science，Engineering and Technology，2010，4(7)：984-989.
[12] TENG X F，ZHANG Y T.Continuous and noninvasive estimation of arterial blood pressure using a plethysmo-graphic approach[C].Proceedings of the 25th Annual International Conference of the IEEE EMBS，Cancun，Mexico：IEEE Press，2003：3153-3156.