基于光電容積傳感器的踝部收縮壓測量系統

王 茜，楊連初，褚志宏，劉 凡，任學剛

（湖南中醫藥大學 管理與信息工程學院，湖南 長沙 410208）

心血管系統疾病是當今社會危害人類健康和生命的“頭號殺手”。血管硬化度、心功能、血液流變性是心血管系統功能狀態的3大要素。而血管壁結構和功能的異常是心腦血管疾病及急性心腦血管事件發病的根本原因。

踝臂指數（ankle brachial index，ABI）是踝部收縮壓與臂部收縮壓的比值，它是檢測下肢血管病變的一種無創的、定量的方法[1]。踝臂指數對慢性腎功能不全者、心腦血管病的預測和下肢動脈硬化的篩查也有重要的測量價值[2-3]。因此，踝部收縮壓測量的準確性必然影響到踝臂指數值的準確性，從而影響對人體下肢動脈病變情況的判斷。

常規的踝部收縮壓檢測原理是通過密切注意放氣過程中測壓計讀數和血流恢復時的第一聲，第一聲對應的壓力讀數即為動脈的收縮壓，此方法沒有擺脫傳統聽診器的觀念，受個體的主觀影響大，不夠方便準確。光電容積脈搏波描記法 （Photo Plethysmo Graphy，PPG）是一種運用光電技術在活體組織中監測血容積變化的無創監測方法[4]，具有操作簡便、成本低等優點，有著巨大的發展潛力。因此，該文提出了應用光電容積傳感器袖帶測量踝部收縮壓。

1 光電容積傳感器測量動脈搏動信號的原理

脈搏波幅值包含有血壓信息，其波形變化則包含有動脈硬化的重要信息。當血管狀態變化時，脈搏波的形態也會出現相應的變化。由于踝部收縮壓的大小直接影響腳趾處的脈搏波波信號，所以采用利用腳趾處的光電容積脈搏波來分析踝部收縮壓的判別方法。

光電容積脈搏波描記法是一種結構簡單、成本低廉及方便實用的光電信號測量與分析技術，用于探測和描記外周微小血管的血液容積變化過程[5]。其原理是發射一定波長的光束照射到皮膚表面，通過透射或反射方式傳到光電接收器，由于組織和血液的反射、吸收等作用，探測器檢測到的光強度會減弱[6]。在心臟周期性搏動時，皮膚、肌肉等組織對光的吸收是恒定不變的，而血管內血容量呈搏動性變化，心臟收縮時外周血管血容量增大，光吸收量增加，探測的光強度變小，反之亦然。因此光電探測器接收到的光電強度會隨檢測部位血容量的改變呈搏動性變化。這些改變以電信號的形式放大并記錄為電壓信號，稱之為光電容積脈搏波。

具體的，由于人體腳趾末端微血管床隨著動脈搏動而發生血管容積的變化，透過腳趾的光強或經血管內血液反射回來的光強也隨之變化，利用光敏器件可測出這種隨血管容積的變化而變化的光強信號，轉換成電信號輸出，即獲得趾端光電容積脈搏波信號。

2 系統總體設計

結合袖帶加壓裝置和光電容積傳感器，用腳趾端的光電容積脈搏信號作為血流標識，指示氣袖內壓是否等于收縮壓，最終達到測量踝部收縮壓的目的。整體測量系統的結構如圖1所示。

圖1 整體測量系統結構圖Fig.1 The structure diagram of the wholemeasurement system

工作原理：將氣袖緊敷在踝部，利用充氣裝置對氣袖充氣，使其壓力達到大于收縮壓至少25 mmHg，這時氣袖緊壓踝部的血管，使血液停止流動。然后使氣袖以均勻的速度放氣。與此同時，氣體壓力傳感器保持不間斷測量氣袖中的壓力。光電容積傳感器對準套于腳趾的血管上，檢測血流狀態。利用光敏元件可測出這種隨血管容積的變化而變化的光強信號，轉換成電信號輸出，即獲得趾端容積脈搏波信號。當壓力大于收縮壓時，血液因血管受壓迫而停止流動，光電容積傳感器檢測不到脈搏信號；壓力繼續下降，當達到收縮壓時，血液開始斷續流動，光電容積傳感器測出脈搏信號，對比分析這兩個波形信號，可求得收縮壓。

2.1 袖帶加壓裝置模塊

袖帶加壓裝置要選擇精密度較高的氣體壓力傳感器來獲得準確的壓力波形信號以反映踝部收縮壓的變化情況。采用Sensym公司ASDX005D44R氣體壓力傳感器。內置精密的專用集成電路（ASIC），出廠己經全面校準并具有溫度補償功能，可應用于醫療器械領域。主要參數指標為：測壓范圍為0～5PSI（0－258.75mmHg），滿足人體收縮壓的測量范圍；輸出線性范圍為 0.5～4.5 V；輸出精度 0.8V/PSI；單一 5 V 供電；差壓型；DIP封裝。袖帶裝置中傳感器電路的連接圖如圖2所示，其中VS、Vout、GND三端采用一根屏蔽線，以減小干擾信號的引入。

圖2 袖帶裝置氣體壓力傳感器電路圖Fig.2 The circuit diagram of cuff device for gas pressure sensor

2.2 光電容積傳感器模塊

光電容積傳感器模塊主要由光源、光敏器件，以及相應的信號調理控制電路構成。為了充分利用器件的效果，光源和光敏器件的選擇是綜合考慮的，光源的波長應該落在光敏器件檢測靈敏度較高的波段內。

在此采用血氧飽和探頭中的940 nm紅外管和光敏管組成的光電傳感器測量趾端的脈搏波信號。具體的，血氧飽和探頭的上壁固定了兩個并列放置的發光二極管，660 nm紅光二極管和940 nm紅外光二極管，發出波長為660 nm的紅光和940 nm的紅外光。這兩個波長的光電二極管對于血紅蛋白變化的靈敏度最大。下壁有一個光電探測器，是采用PIN型的光敏二極管，其特點是接收面積大、靈敏度高、暗電流小、噪聲低。考慮實際應用中，940 nm波長的紅外光，血紅蛋自的光吸收率比較低，那么反射手指的光強度較大，有利于光敏器件的接收，因此，發射光源的波長選擇為光強合適的940 nm的紅外光。

發光二極管發出的940 nm的紅外光照射到血管上，光敏器件將脈動的光強度信號轉變為脈動的電信號，在信號調理電路中將交流分量與直流分量相互分離，從而得到光電容積脈搏波信號。血管不受壓力時，血流均勻，反射光也比較均勻，故傳感器無脈搏信號輸出；當血管受壓血液不流動時，傳感器也無輸出信號；只有當血管受到擠壓，血管中的血液斷續流動時，反射光也隨之變化，這時傳感器輸出脈搏信號，達到了測量脈搏的作用。

血氧飽和探頭采集到的趾端脈搏波信號為直流和交流疊加的混合電壓信號，其中僅交流分量中包含了脈搏信息。信號調理控制電路是先要濾除疊加的直流分量信號，再對交流信號進行放大，同時人體脈搏波信號非常微弱（幾毫伏到十幾毫伏），而且頻率較低，容易受工頻干擾。因此在信號調理電路中設計了三級濾波放大電路如圖3所示，經過處理后，可輸出較為理想的脈搏波信號。

圖3 三級濾波放大電路原理圖Fig.3 The principle diagram of Three level filtering amplifying circuit

3 實驗結果和討論

受試者為一健康男性，25歲，無心血管病史。每次測量采樣時，受試者保持情緒平穩，心情放松，平躺姿勢，使腳趾處的血管與心臟盡量在同一水平位置，使用第二根腳趾以方便測量。

將采集到的波形數據在Matlab中顯示如圖4所示。實線表示趾端脈搏波波形，虛線表示袖帶壓力裝置加壓后均勻放氣后的壓力曲線波形。從圖中可以看出當袖帶壓力大于踝部收縮壓后，血管阻斷。顯示在脈搏波波形就是圖中平坦的部分，但是該段的噪聲為0.3 v左右，使得對血流開始流通的突變點的判斷產生了困難。

圖4 變化的波形圖Fig.4 The variation ofwaveform

為了更好的判斷突變點，消除噪聲的影響，采用三點平均法對脈搏波波形進行處理，處理后的波形如圖5所示。處理的matlab程序為：

圖5 三點平均濾波后的波形Fig.5 The waveform of Three point average filtered

%y變量保存待平滑的波形數據for z=1:20

ifmod（z，2）==0

for x=2:2499 y（x）=[y（x-1）+y（x+1）]./2；

end else

for x=2499:-1:2 y（x）=[y（x-1）+y（x+1）]./2；

end

end

end

將多次測量的結果記錄下來，如表1所示。根據國際規定的相關標準（90-180mmHg），踝部收縮壓的數值在準確的測量范圍內。測量踝部收縮壓的目的是為了確定踝臂指數的數值，從而反映人體下肢的健康狀況。

4 結束語

傳統的踝部收縮壓檢測方法主觀性強、可操作性低和精確度低，本測量系統結合袖帶加壓裝置的設計和光電容積傳感器的制作，用趾端的光電容積脈搏信號作為血流指示，指示氣袖內壓是否等于收縮壓，最終達到測量踝部收縮壓的目的。本系統無創無損、操作簡便、檢查迅速、易于掌握。光電容積傳感器反應速度快，能實現非接觸測量，同時精度高、分辨力高、可靠性好；對檢測位置要求并不嚴格，且對病人的檢測處施加壓力很小，舒適；能實現連續的脈搏波波形變化的測量。因此本系統總體成本低、操作簡便、易于掌握，適合在基層醫院運用于門診初篩、術后病例隨訪。

表1 踝部收縮壓測量結果Tab.1 Them easurem ent results of ank le systolic pressure

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