基于脈搏波相位差的無創連續血壓測量方法

李申龍， 李毅彬， 李洪陽， 張　洋， 陳曉萌， 鄧　寧

(清華大學 微電子與納電子學系， 北京 100084)

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基于脈搏波相位差的無創連續血壓測量方法

李申龍， 李毅彬， 李洪陽， 張洋， 陳曉萌， 鄧寧

(清華大學 微電子與納電子學系， 北京 100084)

摘要:無創連續血壓測量技術對醫療保健、臨床監護、臨床研究有重要意義。首次提出利用人體脈搏波的相位差來測量血壓的新方法。介紹了橈動脈相位差和指端相位差與血壓的關系，設計了實驗測量不同血壓條件下的人體多點脈搏波相位差，結果表明：多點脈搏波相位差與血壓存在很強的相關性，且便攜性與穩定性要優于傳統的基于脈搏波傳輸時間(PTT)測量血壓。

關鍵詞:脈搏波； 相位差； 無創連續血壓測量

0引言

血壓作為人體的一個重要生理參數，能夠反映人體心臟和血管的功能狀況，也是臨床上疾病診斷觀察治療的重要依據[1]。高血壓是心腦血管疾病最重要的危險因素之一，50 %～70 %的腦卒中和40 %～50 %的心肌梗死發生與血壓升高有關[2,3]。血壓的監測對于心腦血管疾病的預防和早期發現及治療有著重要作用[4]。因此，實現血壓的無創連續測量對健康監護和臨床研究具有重要意義。

傳統的基于脈搏波傳輸時間(pulse transit time，PTT)測量血壓是較為普遍的無創血壓連續測量方法，被廣泛用在可穿戴設備上進行血壓測量。其核心思想是根據心電圖(ECG)和動脈遠端的脈搏波得到PTT，而PTT與血壓存在較強的相關性，因此,可以根據測得的PTT計算得到血壓值[5～7]。但是，基于PTT的血壓測量方法需要同時測量心電信號和脈搏波信號，而心電信號需要在人體多個部位固定電極，需要多條電極引線，導致測量不方便。而且心電電極在使用一段時間后不能保證與皮膚很好地接觸，不適于長時間(如24小時/7天)連續監測血壓[8,9]。

脈搏波信號可以用多種傳感器檢測到，不同傳感器采集到的脈搏波，反映了脈搏波不同的屬性。 聚偏二氟乙烯(polyvinyl lidene fluoride,PVDF)壓電薄膜制成的壓電傳感器，可以采集到壓力脈搏波，光電傳感器可以通過探測血氧飽和度采集到光電容積脈搏波[10]。不同種類的脈搏波雖然都有相同的脈搏周期，但不同脈搏波傳播的機理和決定其傳播速度的因素是不同的[11]。這就導致了不同脈搏波各自的波形和傳播速度的差別。傳播速度的差別是產生脈搏波相位差的根本原因。

本文研究了人體橈動脈和指端脈搏波的相位差。橈動脈脈搏波相位差會隨著人體血壓升高而減小，指端脈搏波相位差會隨著人體血壓升高而變大，趨勢不同的原因是主動脈和毛細動脈對脈搏波的影響機理不同。由于測量過程中傳感器對位置很敏感，會導致單點脈搏波相位差測血壓存在一定的誤差，因此，用多點脈搏波相位差測量血壓可以更好地提高測量精度。

1脈搏波相位差原理

脈搏波的相位差是指兩種不同種類的脈搏波(如壓力脈搏波和光電容積脈搏波)，從心室開始傳播到同一位置，由于不同脈搏波傳播速度的差異，會導致峰值有一個時間差，如圖1，這個時間差就是脈搏波相位差。不同的脈搏波的起因是相同的，都是心臟的搏動沿動脈血管和血流向外周傳播而形成的，但不同脈搏波傳播的機理和決定其傳播速度的因素是不同的。所以，脈搏波相位差蘊含著豐富的信息，其本身也可以用于無創連續的血壓測量。

圖1　脈搏波相位差Fig 1　Phase difference of pulse wave

2實驗方法與結果

2.1實驗方法

測試者將2組4只傳感器分別置于左手橈動脈和指端。其中，傳感器1和傳感器2為光電傳感器，用于采集光電容積脈搏波；傳感器3和傳感器4為壓電傳感器，用于采集壓力脈搏波。傳感器1和傳感器3放置在橈動脈處，傳感器2和傳感器4放置在指端，傳感器通過單片機采集數據，數據通過串口傳入電腦，在電腦端使用Matlab實現數據讀取、繪圖及數據存儲。右手使用歐姆龍血壓儀，每一分鐘測量一次血壓，記錄血壓變化和心率變化。

實驗分為三個階段：靜息階段、運動階段以及恢復階段。第一階段為靜息階段，測試者雙臂保持不動，安靜狀態下測量脈搏波2～3 min；第二階段測試者卸下傳感器，通過跑步等劇烈運動的方式改變血壓；第三階段為運動恢復階段，測試者重新戴上傳感器，并通過血壓儀記錄血壓，此階段主要記錄人體從運動后的高血壓高心率狀態，恢復到正常血壓與心率的過程，每分鐘測量一次血壓，直至記錄的血壓與心率值，與第一階段平穩時的血壓心率相近為止。

2.2實驗結果

在運動恢復階段，從Matlab實時獲取的脈搏波波形和血壓儀測得的數據都能觀察到血壓和心率由劇烈變平緩的過程。圖2為橈動脈處，脈搏波相位差隨時間變化的散點圖，為了消除隨機誤差，每個點為5個心動周期的脈搏波相位差平均值。可以看出：隨著血壓升高，光電容積脈搏波與壓力脈搏波的相位差有負相關的趨勢。圖中可以明顯看到：運動恢復的開始階段脈搏波相位差變小，隨著血壓和心率的恢復，脈搏波相位差也恢復到正常的水平。圖3為指端處脈搏波相位差隨時間變化的散點圖。可以看出：隨著血壓的升高，容積脈搏波與壓力脈搏波的相位差有正相關的趨勢。圖中可以看到：運動恢復的開始階段脈搏波相位差變大，隨著血壓和心率的恢復，脈搏波相位差也恢復到正常的水平。

圖2　橈動脈脈搏波相位差隨時間變化關系Fig 2　Phase difference of radial artery pulse wave change with time

圖3　指端脈搏波相位差隨時間變化關系Fig 3　Phase difference of finger tip pulse wave change with time

圖4為人體多點脈搏波相位差隨時間變化的散點圖，即橈動脈處相位差與指端相位差相減與血壓的關系。可以看出:相對于單點脈搏波相位差，采用兩點相位差之差與血壓的變化有著更明顯的趨勢。

圖4　多點脈搏波相位差隨時間變化關系Fig 4　Phase difference of multipoint pulse wave change with time

將計算出的相位差，通過軟件分別將三組數據與實時測得的血壓進行相關性分析，結果見表1。通過表1可以看出:多點相位差的相關性明顯好于單點相位差的相關性。

表1　脈搏波相位差與血壓的相關性

3討論

3.1橈動脈和指端各自的脈搏波相位差

由于不同脈搏波傳播的機理和其傳播速度是不同的，因此,影響脈搏波相位差的因素很復雜，但主要可以歸結為兩個因素:一是血壓，二是血流傳播的路徑。

對于同一位置，血壓變化會導致脈搏波傳播速度的變化。當血壓改變時，由于血液流速和血管壁壓力的改變，壓力脈搏波和容積脈搏波的波速均會隨之變化，兩者傳播時間的變化差，與血壓有很強的相關性。

對于不同位置，如指端或橈動脈，傳播路徑對脈搏波波速也有很大的影響，在指尖測得的信號主要是毛細動脈中的脈搏波，相對于橈動脈，毛細動脈網絡更復雜且血管直徑更細。在血流動力學的理論中，血液在毛細血管中流動時，主要發生的是湍流效應，而血液在橈動脈流動時，主要發生的是層流效應，這對脈搏波的傳播會產生很大的影響，因此，在實際測量中橈動脈和指端脈搏波相位差與血壓有相反的相關性。

3.2多點脈搏波相位差測量血壓的優勢

相對于傳統的基于PTT的血壓測量方法，獲得PTT需要同時測量心電信號和脈搏波信號，而心電信號需要在人體多個部位固定電極，需要多條電極引線，導致測量不方便。而采用脈搏波相位差的方法，可以有效地避免這個問題。壓電傳感器和光電傳感器都能在橈動脈和指端同時測得信號，即只需要身體的一個部位，就能得到實時的血壓，避免了繁瑣的電極引線，具有更好的便攜性。在單點脈搏波相位差測量血壓的基礎上，多點脈搏波相位差測量血壓有著更明顯優勢。首先，通過相關性分析可以看出，測量兩個不同位置且趨勢相反的相位差，可以更好地得到與血壓的關系。由于在測量脈搏波時，壓電傳感器和光電傳感器對位置十分敏感，位置微小的改變，例如：每次穿戴時，靜息狀態下的脈搏波相位差均值都會有微小的變動。而多點脈搏波相位差，通過增加了一組測量量，可以大大減小這種由于位置的改變而引入的相位差均值變化。其次，由于系統是用單片機實時采集數據，再經過AD處理傳入PC，傳輸過程中難免會產生誤差，而且在實際測量中傳感器對運動十分敏感，輕微的晃動也會導致脈搏波波形的變化，對波峰點的識別造成困難，而采用多點的方式，可以有效避免由于系統和傳感器的輕微晃動而引起的實驗測量誤差。

4結束語

本文研究了人體不同點處脈搏波相位差與血壓的關系，并提出了基于人體多點脈搏波相位差實現無創連續血壓測量的新方法。通過實驗的方法定性地得出了多點脈搏波相位差與血壓的關系。與傳統的采用ECG測量脈搏波傳輸時間測量血壓相比，新方法具有測量方便、連線更少、抗干擾能力更強的優勢。

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李申龍(1988-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為基于脈搏波的無創連續血壓測量。

Non-invasive continuous measurement method of blood pressure based on phase difference of pulse wave

LI Shen-long, LI Yi-bin, LI Hong-yang, ZHANG Yang, CHEN Xiao-meng, DENG Ning

(Institute of Microelectronics and Nanoelectronics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Abstract:Non-invasive continuous blood pressure (BP) measurement technology is significant for health care,clinical monitoring and clinical research.For the first time,put forward a new method to measure BP using phase difference of human body ’s pulse wave.Introduce relationship between BP and phase difference of radial artery and finger tip,and an experiment is designed to measure phase difference of human body’ s multi-points pulse wave under different BP,and results show that,phase difference of human’s multi-points pulse wave has a strong correlation with BP,and portability and stability are superior to traditional method based on pulse transit time(PTT).

Key words:pulse wave; phase difference; non-invasive continuous blood pressure(BP)measurement

作者簡介:

中圖分類號:TP 212.3

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)01—0062—03

收稿日期：2015—04—21

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0062—03