基于脈搏波識別的電子血壓計智能充氣研究

【作 者】張旭，宋學東，顧家軍，葉繼倫，陳思平 深圳大學醫學院生物醫學工程系，深圳市，58060 廣東省生物醫學信號檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，58060

基于脈搏波識別的電子血壓計智能充氣研究

【作 者】張旭1,2，宋學東1，顧家軍1，葉繼倫1,2，陳思平1,2
1 深圳大學醫學院生物醫學工程系，深圳市，518060
2 廣東省生物醫學信號檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518060

通過對多款常用的國內外電子血壓計的血壓實驗測試，發現對高血壓或低血壓情況進行測量時，存在著由于最大充氣壓力與本次血壓測量不符，而帶來反復充放氣和充氣壓力過高的問題。為了解決這些問題，找到合適的最大充氣壓力，提出了兩個基于脈搏波識別的智能充氣方案，并進行了700組血壓實驗，對兩個方案進行實驗驗證。實驗證明所提出的兩個方案具有很好的穩定性以及準確性，可以有效地解決血壓計測量中的問題，同時得出了方案二即在充氣過程中預估最大充氣壓力為最優方案。

電子血壓計；智能充氣；預充氣壓力值；實驗驗證

0 引言

血壓作為人體的重要參數，可以有效地反映心臟排血后負荷情況，在臨床麻醉、心血管疾病的診斷和預防中應用十分廣泛，所以一個快速、舒適、準確的血壓測量系統在臨床應用中具有極其重要的意義[1]。文獻[2]中調查研究表明，電子血壓計可以有效代替傳統水銀血壓計對人體血壓參數進行監測。通過對幾款電子血壓計進行實驗測試發現，國外的電子血壓計測量方式與國內有很大的區別，其產品在測量中采用智能的充氣和脈搏感知模式，一定程度地減少充氣和脈搏識別等對被測者帶來的不適感，而國內的血壓計測量大都缺乏智能的應用模式。因此，為了讓血壓的整個測量舒適、準確，本文對于基于振蕩法的血壓測量中的充氣模式和脈搏識別進行研究，旨在給出智能的應用模式，以消除電子血壓計普遍存在的反復充氣和充氣過高等不足，以提高血壓測量效率，增強血壓測量的舒適性。

1 無創血壓測量原理

電子血壓計一般都是采用振蕩法[3]，其測量原理是充氣泵工作使捆綁在上手臂的袖帶內壓力高于收縮壓SBP后，開始放氣，完成測量，見圖1所示。在充氣或放氣階段檢測脈搏波，找到最大脈搏波幅度對應的袖帶壓(平均壓MAP)，通過經驗公式(1) 和脈搏波幅度包絡線[4]，找到特定幅度的脈搏波對應的袖帶壓，即收縮壓SBP和舒張壓DBP。其中系數k1、k2為臨床實驗得出的經驗值，不同測量系統取值范圍不同。

由基本原理可知，在血壓測量過程中，需要將袖帶壓充氣至能阻塞手臂血液流動，而袖帶壓和測量時間都會影響受試的舒適性。

圖1 振蕩法監測血壓原理Fig.1 The oscillometric method principle of blood pressure monitoring

2 智能充氣

通過多臺國內外電子血壓計測試實驗，發現對高低壓受試者的測量過程中，最大充氣壓力Fmaχ無法準確的與本次血壓測量相匹配，會出現反復充氣、充氣壓力過高和測量時間過長的問題。為了解決以上問題，通過對電子血壓計充氣方式的研究，設計了兩個智能充氣方案。

2.1 系統硬件平臺

本次研究實現的硬件平臺為深圳大學生物醫學工程中心生命信息監測與創新實驗室設計的血壓模塊，包括傳感器的數據采集、信號放大濾波、CPU數據處理、硬件保護及上下位機數據傳輸，如圖2所示。

圖2 硬件平臺實物圖Fig.2 Physical figure of hardware platform

2.2 智能充氣軟件評價系統

智能充氣軟件評價系統是在PC機上運行，通過串口與血壓模塊協同工作的數據顯示與控制窗口，可以直觀的顯示當前袖帶壓、脈搏波信號以及當前工作模式，同時下發控制命令，控制血壓模塊的工作狀態，如圖3所示。

2.3 兩種智能充氣方案的詳細說明

在概述的基礎上，進一步細化智能充氣的方案。針對一般電子血壓計，由于Fmaχ與實際病人不符而帶來反復充氣和充氣壓力過高的問題，提出了兩個解決方案。其中方案一為階段性充氣過程中判斷是否繼續充氣。方案二采用線性充氣模式，在充氣過程中檢測MAP，從而預估Fmaχ。

圖3 智能充氣軟件評價系統Fig.3 PC soft of intelligent inflatable

2.3.1 方案

階段性充氣間期判斷是否要繼續充氣。脈搏波檢測階段為50、80、110、140、170、200、230、260 mmHg(Fmaχ不可超過280 mmHg)，1 mmHg=133.32 Pa。

泵快速充氣到預定壓力值，停止充氣，在停止間期檢測是否有脈搏波。如果有：繼續充氣30 mmHg進入下一個檢測階段，檢測是否有脈搏波，重復以上工作，直至停止充氣間期沒有檢測到有效的脈搏波，完成充氣。如果沒有：繼續充氣30 mmHg，重復以上工作，直至在間期檢測到脈搏波，繼續進行判斷有脈搏波的處理過程。整個過程必須經歷脈搏波從有到無的過程。圖4為方案一的軟件流程圖。

圖4 方案一的軟件流程圖Fig.4 Software flow pattern of plan one

2.3.2 方案二

線性充氣過程中預估Fmaχ在充氣階段提取脈搏波，進而預估Fmaχ。血壓的硬件電路中，脈搏波信號是袖帶壓信號經過電容濾波后放大得到的交流信號。由式(2)可知，如果袖帶壓為線性變化，通過電容濾波后的信號為定值，而壓力傳感器為線性元器件，所以只需袖帶內壓力線性增加，可以實現充氣階段中脈搏波信號在一個固定的基線上波動，圖5為方案二的軟件流程圖。

圖5 方案二的軟件流程圖Fig.5 Software flow pattern of plan two

為了使泵的充氣速率可控，采用PWM方式控制泵工作，同時采用PWM與袖帶壓相關聯的反饋控制方式，避免充氣速率突變帶來的噪聲影響。通過一段時間的實驗，在成人袖帶下可以控制其以10 mmHg/s的速率充氣。在脈搏波的檢測中，MAP對應的脈搏波幅度是最大的，即MAP值檢測是最為容易的。同時分析血壓實驗數據分析發現，一次成功的血壓測量，開始放氣測量時，Fmaχ與MAP有式（3）的等量關系。

基于以上原因，在線性充氣過程中找到MAP值，預估Fmaχ值，快速充氣至Fmaχ完成充氣過程。

3 實驗驗證以及數據分析

本節首先驗證兩個方案的穩定性與準確性，驗證結果滿足要求后，就反復充氣、充氣壓力過高及測量時間三個方面具體分析兩個智能充氣方案的優勢[5]。并分析各自優缺點，確定最優的智能充氣模式。進行驗證時，實驗采用FLUKE BP Pump2血壓模擬器在成人標準模式下產生的血壓信號。成人標準血壓組有：60/40/30、80/60/50、100/76/65、120/93/80、150/116/100、200/166/150、255/215/195，參數意義為SBP/MAP/DBP。

3.1 穩定性與準確性的驗證

通過分析實驗數據的方差S2、平均偏差δ、準確A%度來評估方案的穩定性和準確性[6-7]。

方差S2是衡量樣本數據與樣本均值之間的偏離程度，其中χ樣本值，χ為樣本均值，n為樣本總量。

平均偏差δ是衡量實驗結果與真實結果的整體偏差程度，其中χ為實驗數據，μi為χ對應的理論值。

準確度A%是衡量實驗值與理論值之間的一致程度。其中χi為實驗數據樣本。值越大，準確度越差。

3.1.1 方案一的初步驗證

采集模擬器所有標準血壓組的數據，每組20次，記錄實驗Fmaχ值。實驗得到的Fmaχ與的理論推導的Fmaχ之間的變化趨勢如圖6。本方案Fmaχ決定于SBP，袖帶壓高于SBP時，檢測到的波形無效，可由圖4的算法流程知道模擬器各個SBP值對應的Fmaχ。Fmaχ及實驗數據方差如表1所示。

圖6 方案一實驗Fmaχ與參考值變化趨勢Fig.6 Curve of Fmaχvalue of experiment with the reference value

表1 與SBP對應的Fmaχ及其實驗方差Tab. 1 TheFmaχand the variance of experimental data corresponding to SBP

根據實驗數據得平均偏差δ=1.16，A%=5.47。其誤差來源為200/165/150組的數據整體偏高6 mmHg。

3.1.2 方案二的初步驗證

采集模擬器所有標準血壓組的數據，每組20次實驗，記錄實驗Fmaχ。一般成人在0～30 mmHg無脈搏信號，為減少充氣時間，在30 mmHg以下快速充氣，30 mmHg以上調節PWM值。采用圖7中PWM曲線可以控制泵以10 mmHg/s的速率線性充氣。血壓模擬器設置參數為120/93/80，未調節PWM與調節PWM的脈搏波采樣數據如圖8所示，通過圖9兩條曲線對比，可以發現控制泵的充氣速率可以采集到脈搏波數據。

圖7 PWM值隨袖帶壓變化曲線Fig.7 PWM value with the cuff pressure curve

圖8 未調節PWM時脈搏波信號采集Fig.8 Pulse wave signal acquisition after adjusting and unadjusting PWM

圖9 方案二的Fmax與參考值變化趨勢圖Fig.9 Curve of Fmax value of experiment with the reference value

本方案Fmaχ決定于MAP值，當線性充氣過程中檢測到MAP值后，快速充氣至Fmaχ，放氣開始測量血壓參數。對應各個血壓組的Fmaχ及實驗方差如表2所示。

得平均偏差 δ = 0.46，A% = 4.9。

共進行了280組實驗，沒有出現異常情況，由上述方差、平均偏差、準確度以及由于篇幅原因在本文以的Bland-Altman一致性分析，得出兩個方案具有很好的穩定性和準確性，確定可以滿足血壓監測的。

表2 血壓組平均壓對應的Fmax及其實驗方差Tab. 2 The Fmax and the variance of experimental data corresponding to MAP

3.2 方案的驗證

反復充氣與充氣過高現象是由于Fmaχ與此次血壓測量不符所造成的，增加了測量時間與測量的不適感。在初步驗證滿足要求的基礎上，就反復充氣、充氣過高及測量時間三個方面分析智能充氣模式的優勢[8]。

3.2.1 反復充氣與充氣壓力過高現象

對于方案一與方案二，當Fmaχ大于SBP 20 mmHg以上，可以保證放氣測量的成功性，并且Fmaχ決定于本次測量的血壓參數，所以不會出現反復充氣現象和充氣過高的現象。

3.2.2 測量時間

對于方案一與方案二的測量時間，采用式(7)的公式計算得到。

T為測量時間，Ti為充氣時間，Tm為算法測量時間，Ts為完成充氣時穩定停緩時間。其中Tm的實驗數據為對比組的電子血壓計放氣測量時，經過方案一和方案二中的Fmaχ時開始計時到完成測量所用時間，時間Tm的確定以及電子血壓計測量時間采用模擬器所有標準血壓組，每組20次，共420組實驗測試后均值得到。Ts為2 s。表3為實驗采集的方案一、方案二和電子血壓計的Fmaχ/mmHg與測量時間T/s的數據。

表3 方案一、二和電子血壓計的Fmaχ/ T 的實驗數據統計(mmHg)Table.3 The experimental data about Fmaχand T of plan one, plan two and Electronic Sphygmomanometer

3.3 小結

由實驗驗證可知，方案一和方案二是準確和穩定的。兩個方案都可以解決反復充氣以及充氣過高的問題。由方案一和方案二測量時間的實驗數據看出，高壓或低壓測量時，可以大大的減少整個測量時間上，但是方案一由于受試者不同，其脈搏信號強度不同，所以對脈搏波識別過程中的閾值設置比較困難。對于方案二，尋找MAP值需經歷脈搏波幅值變化的過程，相比于方案一，實現起來相對容易可靠，并且其最大充氣壓力設置更為合理。所以確定方案二為目前的最優智能充氣模式。

4 結論

本文設計了兩個基于脈搏波識別的電子血壓計智能充氣模式，其穩定性和準確性可以保證的前提下，通過實驗對其進行驗證，證明兩個方案可以消除電子血壓計在測量中存在的反復充氣和充氣壓力過高的問題，提高了血壓測量效率，減少了血壓測量的時間，增強了血壓測量的舒適性。但是目前驗證只是通過模擬器來驗證，后續將會加上血壓參數計算的算法部分，對人體直接進行驗證。未來的主要工作是優化方案二軟件，實現工程化應用，爭取更大程度地提高血壓測量效率，以提高國產無創血壓測量水平。

[1] 佘守章, 岳云, 陳秉學. 臨床監測學[M]. 廣東: 科技出版社, 1997: 1-3.

[2] Myers MG, McInnis NH, Fodor GJ, et al. Comparison between an automated and manual sphygmomanometer in a population survey[J]. Am J Hypertens, 2008, 21(3): 280-283.

[3] Mattu, Gurdial S, Perry, et al. Comparison of the oscillomet- ric blood pressure monitor(BPM-100 Beta)with the auscultatory mercury sphygmomanometer[J]. Blood Pressure Monit, 2001, 6(3): 153-159.

[4] 錢峰, 劉曄. 基于示波法的電子血壓計實現[J]. 儀器儀表學報, 2006, 27(6): 1534-1535.

[5] 何濤, 吳夷, 杜堃. 醫療器械軟件的要求和評價[J]. 中國醫療器械雜志, 2011, 5(35): 379-382.

[6] O'Brien E, Waeber B, Parati G, et al. Blood pressure measuring devices: recommendations of the European Society of Hypertension[J]. BMJ, 2001, 322: 531- 536.

[7] 李雪晴. 基于示波法和高斯擬合腕式電子血壓計設計與驗證[D]. 中國科學技術大學, 2011: 47-54.

[8] Wan Y, Heneghan C, Stevens R, et al. Determining which automatic digital blood pressure device performs adequately: a systematic review[J]. J Human Hypertens, 2010, 24(7): 431-438.

Research of Electronic Sphygmomanometer lntelligent Aeration Based on Pulse Wave ldentification

【Writers】ZHANG Xu1,2，SONG Xuedong1, GU Jiajun1, YE Jilun1,2, CHEN Siping1,2
1 Institute of Biomedical Engineering, School of Medicine, Shenzhen University, Shenzhen, 518060
2 Guangdong Key Laboratory of Biomedical Signal Detection and Ultrasound Imaging, Shenzhen, 518060

Through various common domestic and foreign electronic sphygmomanometers to test blood pressure, we find that when measuring high blood pressure or low blood pressure, there is a mismatch between the maximum inflation pressure and the blood pressure measurement, which often results in repeatedly inflating and deflating as well as the problem of high inflation pressure. In order to solve these problems and find a suitable maximum inflation pressure, two intelligent pneumatic solutions based on identifying of pulse wave are suggested and 700 groups of blood pressure experiments are done, then the two solutions are verified by experiments. The experiment proved that these solutions proposed have good stability and accuracy, they can solve the problems appeared in measuring blood pressure effectively, at the same time, the second solution that estimate the maximum inflation pressure during inflation is considered as the best one.

electronic sphygmomanometer, intelligent aeration, maximal pressure value of aeration, experimental verification

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.02.004

1671-7104(2015)02-0090-05

2014-10-31

深圳市科創委項目(SW201110039，SDSY20120612094855904)；廣東省科技廳項目（2012A032200025)

張旭，E-mail: xuzhang@szu.edu.cn

葉繼倫，教授，E-mail: yejilun@126.com