一種新型血壓測量裝置設計及其辨識方法的研究

馮學技，鄧親愷，郭勁松，梁妃學

1 廣州醫學院 基礎學院，廣州市，510182

2 南方醫科大學 生物信息學研究室，廣州市，510515

0 引言

血壓（Blood Pressure,BP）是反映人體心血管狀態的一項重要生理參數，水銀血壓計和電子血壓計是目前臨床中血壓無創檢測（Non-invasive measurement）的兩種主要方法。在家庭保健、臨床生理監護以及動態血壓測量中基于示波法（Oscillometric method）的電子血壓計測量越來越普及，其檢測方法主要基于脈搏幅值比例系數法和特征點法。前者由統計方法得到，受袖帶彈性、脈搏波幅度、平均動脈壓、楊氏模量、心率、血管壁黏滯度等生物力學因素影響[1]，測量值較穩定但個體適應性比較差。后者利用脈搏波包絡線拐點來確定血壓值[2]，由于背景噪聲，確定包絡線拐點并非易事，以致測量精度不穩定。

基于柯氏音聽診法(Auscultatory method)的水銀血壓計準確性高，仍為醫生所常用，被視為無創血壓測量“金標準”，且常作為評估其他無創測量方法的參考[3]，但其存在的問題也很明顯：重金屬汞污染；不便家庭自測及攜帶；更重要的是由于環境噪聲和測量者的主觀性，收縮壓和舒張壓常常被誤判[4]。為了實現聽診法的電子化客觀化及無汞化，當前出現了各種不同的基于柯氏音檢測裝置和音頻信號處理識別方法[5-9]，這使得聽診法測量更具客觀性和準確性。但這些檢測裝置仍需外部附加聽診器(拾音器)對人體袖帶下的肱動脈皮膚耦合來提取柯氏音信號，儀器裝置設計及患者使用上顯得過于復雜，測量過程并非完全自動化，只是實現水銀血壓計“聽診”上的數字化；袖帶下直接放置拾音器提取柯氏音也易引入環境噪聲，血管搏動及傳感器人為位移也影響柯氏音采集的穩定性。

根據柯氏音聽診法的測量原理，作者設計出一種新的基于聽診法的電子血壓測量系統：該檢測裝置完全摒棄了測量時放置在袖帶下的外部聽診器，取而代之的則是嵌入在電子血壓計裝置內部的微小拾音器，它通過連通器直接拾取來自袖帶耦合到的柯氏音信號，如圖1。顯然，由于拾音裝置融合在血壓計內部本身，不但實現了柯氏音測量的無汞化以及聽診上的數字客觀化，同時大大提高了使用上的舒適性和方便性，裝置外觀及操作與全自動電子血壓計無異。血壓值檢測算法方面，則采用柯氏音與脈搏波信號聯合識別的方法，通過對柯氏音進行歸類并根據其時相位置來確定血壓參數。

圖1 測量系統原理框圖Fig.1 Detection diagram of Auscultation method

1 基于聽診法的血壓測量裝置設計

1.1 柯氏音時相原理

1905俄籍生理學家柯洛特可夫（Korotkoff）創立了根據柯氏音時相確定血壓值的一種無創血壓測量法——聽診法，如圖2。其測量過程：袖帶充氣超出收縮壓一定值后以一定速度緩慢放氣，當袖帶壓下降以致壓癟的動脈管打開血液沖擊管壁振動，此時放置在肱動脈皮膚上聽診器開始聽到“砰”音，為柯氏音I相，此時袖帶壓為收縮壓，接著柯氏音不斷增強，為II相，聲強達到最大時為III相，湍流在低沉的雜音后可出現“砰”聲，為IV相，之后聲音變得柔軟，最后消失（V相），此時袖帶壓為舒張壓[10]。

圖2 聽診法測量原理Fig.2 The principal of Auscultation method

1.2 柯氏音檢測系統設計

柯氏音提取采用駐極體拾音器作為傳感器：直徑6 mm，高5 mm；靈敏度(0.5～10) mV/Pa；輸出阻抗1000 Ω；工作電壓3 V；工作電流(0.1～1) mA；輸出電壓0～3.3 V；頻率響應20 Hz～20 kHz。

本系統與目前聽診法電子血壓計的區別在于傳感器拾取信號方式上的不同，如圖2，它無需將拾音器放置袖帶下的皮膚直接耦合提取信號，而利用固定在儀器內部的傳感器通過連通器間接耦合獲取。如圖3所示，將微型拾音器嵌入連通器一端，用熱熔膠等固定密封，引出的信號線與檢測電路相連；袖帶與連通器另一端相連，它從手臂耦合得到的柯氏音通過連通器被拾音器感知。儀器控制及信號處理的核心采用型號為MSP430F149低功耗單片機，其任務是：氣泵氣閥的自適應充放氣控制；脈搏波信號及柯氏音信號采集；將提取信號進行預處理并通過USB上傳PC機，利用Matlab等軟件進一步處理分析，柯氏音提取電路如圖4。由于柯氏音的頻譜主要集中在(20～150) Hz之間[11]，信號采樣率設為1000 Hz。

圖3 拾音器及連通裝置Fig.3 Microphone and cross connection

圖4 柯氏音檢測電路Fig.4 The circuit of Korotkoff-sound detection

2 柯氏音信號處理及其辨識

2.1 柯氏音信號的處理

采集到的信號包括袖帶壓信號，脈搏波信號及柯氏音信號，前兩者在下位機實現濾波，后者則需Matlab軟件進一步處理，柯氏音采集及識別過程如圖5所示。如圖6所示柯氏音初始信號淹沒在脈搏波低頻振動及袖帶摩擦等噪聲中，無法直接進行識別。采集到的柯氏音信號經頻譜分析顯示其能量集中在20 Hz以下，顯然為脈搏振動帶來的低頻成分，如圖7所示。

圖5 柯氏音采集及信號識別流程圖Fig.5 Flow diagram of Korotkoff-sound acquisition and detection

小波分析在信號處理技術中是門重要而強大的數學工具，與傳統的濾波方法相比，具有獨特的優勢[12]。經小波多分辨率分析（Multiresolution Analysis,MRA），柯氏音主要能量集中在35 Hz附近。根據柯氏音信號特點及小波變換的濾波原理，對其進行濾波處理：先是選取db4小波，將柯氏音信號作四層小波分解，得到包含柯氏音信號能量的cD4低頻小波系數，將其他高頻及低頻系數置零，再用db4對所得系數進行重構，于是得到主要由柯氏音構成的信號，而其他低頻脈搏波振動信號及高頻摩擦信號得以濾除，信號分解如圖8所示。

圖6 采集到的柯氏音信號Fig.6 Korotkoff-sound signal acquisition

圖7 柯氏音信號的功率譜分析Fig.7 Power spectra analysis of Korotkoff-sound signal

圖8 對柯氏音信號進行4層分解簡圖Fig.8 The diagram of Korotkoff-sound signal decomposition on scale 4

2.2 時相特征的檢測與辨識

無創血壓值的準確測量在于特征點的可靠識別，水銀血壓計之所以被視為無創血壓測量的“金標準”，是因為柯氏音時相特征與收縮壓舒張壓有很好對應關系。柯氏音初始信號經濾波處理后可以清楚凸顯其時相特征，如圖9所示，第一次出現幅度突變信號為柯氏音I相，最終柯氏音信號明顯變小或消失為V相，它們對應的袖帶壓即為收縮壓（SBP）和舒張壓（DBP）。顯然柯氏音的出現和消失即為信號幅值或能量的突然變大或消失，因此柯氏音特征時相的準確識別，關鍵是對其幅值或能量信號進行檢測。

圖9 袖帶壓、脈搏波及柯氏音時相關系Fig.9 The relationship between cuff pressure,pulse signal and Korotkoff-sound phase

柯氏音信號幅度檢測：脈搏波與柯氏音均由血液沖擊血管所產生，因此時相上具有高度相關性，見圖10，首先計算脈搏波峰值位置，然后根據該位置來尋找在一定時間范圍內出現的柯氏音信號最大幅度并將其歸一化處理，得到與脈搏波對應的柯氏音幅度值：h(n)，表示第n個柯氏音幅值。柯氏音信號能量檢測：根據分析每次搏動所產生脈搏波和柯氏音的時序關系，先確定兩個相鄰脈搏波波峰波谷間的時間寬度T，然后計算在此時間寬度下柯氏音信號總能量：，表示第n個柯氏音對應的總能量，其中b為信號基線。柯氏音信號幅值和能量值經歸一化處理得到特征明顯的“鐘形”狀圖，如圖11所示。

圖10 柯氏音時相與脈搏波信號Fig.10 Korotkoff-sound phase and pulse signal

為了更好地識別柯氏音特征點，將歸一化的柯氏音幅值和能量值作乘積再取開方，同樣得到歸一化圖，見圖11，中間實線為各點數值的平均，大于均值的對應點假設為柯氏音，小于則非柯氏音，將其加權平均，分別得到柯氏音均值與非柯氏音均值（圖中虛線）。然后逐點進行計算并類聚（Clustering）：即分別計算與兩條虛線的距離，與柯氏音均值距離短歸為柯氏音，否則為非柯氏音；當首個歸為柯氏音的點Ps即為I時相，對應袖帶壓為收縮壓；最后一個歸為柯氏音的點為第四時相，接下來的Pd點為第五時相，對應袖帶壓為舒張壓。

3 驗證與討論

3.1 驗證

基于聽診法的水銀血壓測量是國際上公認的無創血壓標準，驗證新的血壓無創測量方法的優劣性，通常需與水銀血壓計進行比對試驗。為了評估和驗證該新型血壓測量方法，本試驗共征集42名受測者，男27人，女15人，年齡(22～35)歲，身體健康。為了柯氏音的正確判斷測量過程在靜音室進行，測試對象平靜10 min后開始測量。測量過程采用樣機與水銀血壓計同時進行的方法：即利用Y型管將新型血壓測量裝置與水銀血壓計連通，同時兩測量者戴上雙頭聽診器進行人工柯氏音判定。水銀血壓計兩組數據取均值后分別得到收縮壓和舒張壓：SP1、DP1，而樣機數據后處理得到的對應值為：SP2、DP2。通過配對t檢驗（Paired-SamplestTest）和Bland-Altman方法，對實驗數據進行統計處理，使用SPSS19.0軟件實現。

由統計分析結果可知，水銀血壓計與樣機測量的收縮壓相關性為0.983，舒張壓的相關性為0.943，二者具有很好的相關性。配對t檢驗結果，收縮壓P=0.587＞0.05；舒張壓P=0.278＞0.05，說明兩種方法對收縮壓和舒張壓的測量無顯著性差異。配對t檢驗和相關分析結果只能反映兩種測量方法得到的數據之間的密切程度，以及兩種測量結果的平均差值是否有顯著差異，并不能充分反映它們之間的一致性[13]。為了評價兩種儀器測量方法結果的一致性并評估這兩種方法能否互相替代，人們常用由Bland JM 和Altman DG于1986年提出的Bland-Altman一致性分析方法[14]，它的基本思想是計算出兩種測量結果的一致性界限(limits of agreement)，并用散點圖方法直觀地反映這一致性界限[15]。如圖12所示，兩種測量方法所得收縮壓和舒張壓差值均落在95%的置信區間的虛線內，即一致性界限內。因此，從散點圖方面進一步證明兩種測量方法之間具有良好的一致性，他們之間從某種意義上說是可以相互替代的。

圖12 血壓均值-差值散點圖Fig.12 Scatter diagram of blood pressure difference-value

3.2 討論

本文分析了電子血壓計特別是基于聽診法電子血壓計的特點和不足，設計了一種新的利用嵌入儀器內部微型拾音器拾取袖帶所耦合得到的柯氏音的測量方法；根據柯氏音與脈搏波時相一致性原則來確定其時相出現的位置，提出了利用柯氏音信號幅度與能量之積作為特征判斷依據并進行時相歸類算法；在數據驗證上，通過健康人的數據采集和分析初步證明新的測量方法與傳統水銀方法有很好的一致性。該測量方法不但降低了測量時引入外部噪聲的可能性，由于拾音傳感器融合在儀器內部本身，大大簡化了目前基于聽診法電子血壓計設計的復雜性，患者在使用習慣上與普通全自動電子血壓計無異，具有同樣的舒適度和方便性。

[1]Geddes LA.The direct and indirect measurement of blood pressure[M].Chiacgo:year book medical publishers,1970:82-130.

[2]Ursino M,Cristalli C.A mathematical study of some biomechanical factors affecting the oscillometry blood pressure measurement[J].IEEE Trans Biomed Eng,1996,43(8):761-778.

[3]Pickering TG,Hall JE,Appel LJ.Recommendations for blood pressure measurement in humans and experimental animals Partl:blood pressure measurement in humans[J].Hypertension,2005,45:142-161.

[4]Spainski A.Standard algorithm of blood-pressure measurement by oscillometric method[J].Med Biol Eng Comput,1992,30(6):671.

[5]李音華,向海燕,劉延勇,等.柯氏音信號拾取裝置的研制[J].醫療衛生裝備,2009,30(10):15-16,19.

[6]袁苑,薛雷,何金勝.基于柯氏音識別法的自動血壓測量系統[J].電子測量技術,2012,35(2):76-79.

[7]鄧靜,王鵬飛,査富生,等.柯氏音法與示波法相結合的新型血壓測量儀研究[J].生物醫學工程,2011,30(2):173-177,209.

[8]Park DK,Oh HS,Kang JH,et al.Novel method of automatic auscultation for blood pressure measurement using pulses in cuff pressure and Korotkoff sound[J].Comput Card,2008,5:181-184.

[9]Xin XG.A model of Korotkoff sounds method electronic sphygmomanometer equivalent to the mercury one[J].J Med Coll PLA,2010,25:19-23.

[10]鄧親愷.現代醫學儀器設計原理[M].北京:科學出版社,2004.

[11]Geddes LA.Counter pressure:The concept that made the indirect measurement of blood pressure possible[J].IEEE Eng Med Bio,1998,32(6):85-87.

[12]孫延奎.小波分析及其應用[M].北京:機械工業出版社,2005.

[13]陳卉.Bland-Altman分析在臨床測量方法一致性評價中的應用[J].中國衛生統計,2007,24(3):308-309,315.

[14]Bland JM,Altman DG.Statistical methods for assessing agreement between two methods of clinical measurement[J].Lancet,1986,2(8):307-310.

[15]Bland JM,Altman DG.Measuring agreement in method comparison studies[J].Stat Meth Med Res,1999,8:135-160.