基于柯氏音法與示波法結合的新型血壓測量系統(tǒng)

山瑞平++胡欣宇++成麗君

摘 要

本文提出了柯氏音法與示波法結合的新型血壓測量方法，深入研究了柯氏音信號的綜合處理方法。其中有效特征實時抽取算法大幅度降低了信息存儲量；示波法粗測與柯氏音法精測相結合，保證了測量值的穩(wěn)定性和準確性。最后開展了血壓測量實驗，運用研發(fā)的新型血壓測量系統(tǒng)進行人體血壓自動測量，測量結果與人工測量法對比，人工測量值標準差是大于自動測量值的標準差，證明該系統(tǒng)具有較高的準確性。

【關鍵詞】柯氏音法 示波法 背景噪聲 血壓測量

1 血壓計的結構與功能實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)結構設計

在全世界范圍內高血壓已成為世界上危害人們身體健康的重大疾病，而預防和治療高血壓的前提是能夠準確和方便地測量血壓。如圖1所示通過電子電路模擬人工柯氏音法血壓測量，得到柯氏音法與示波法相結合的自動血壓測量。

將裝有氣囊的袖帶帶在上臂，對袖帶進行充氣與放氣來壓迫上臂動脈；聽診器利用安置在上臂動脈血管上方的柱極體麥克風中的拾音器來取代，從而獲得柯氏音信號；水銀壓力計用電阻式傳感器來取代，袖帶氣囊與導管連接可以測量氣囊內的氣壓和脈搏波；鍵盤與顯示器實現(xiàn)輸入與輸出；微處理器實現(xiàn)測量控制和信號綜合處理。

1.2 柯氏音信號的采集

拾音器主要由金屬殼和鼓膜組成，其內安裝駐極體麥克風模擬人工聽診方法，為了得到血管的音頻信號可將拾音器置于袖帶下沿的動脈血管上方，使用時將來自上臂血管的音頻振動耦合到拾音器鼓膜中，并傳導到駐極體麥克風之后轉變成電信號輸出。

1.3 柯氏音信號的形成特征分析

柯氏音信號是來自于間斷性血液射流通過受壓血管時形成的肱動脈搏動音，其頻譜特性可得柯氏音信號屬于隨機信號無周期性，隨脈搏搏動間歇性地出現(xiàn)。人工聽診的過程中，柯氏音聲強是識別柯氏音有與無的重要特征，它展現(xiàn)了有效柯氏音的出現(xiàn)位置及強度。

實測柯氏音信號中通常存在強烈的噪聲干擾，其中，環(huán)境噪聲可能來自于語音、汽笛、電子設備等，頻率和幅值具有很大的隨機性；袖帶摩擦噪聲來自于袖帶與上臂的摩擦，這類噪聲的出現(xiàn)時間與柯氏音相似，幅值與柯氏音相當，較難處理；電回路噪聲主要來自于工頻干擾和熱噪聲等，其幅值較弱，。對于疊加較強噪聲柯氏音信號需采用多種降噪手段結合進行信號處理。

1.4 壓力及脈搏信號測量

1.4.1 自適應充氣控制

為了根據(jù)被測者當前血壓自動調整最大充氣壓力，控制袖帶壓力勻速上升的條件下，氣泵電機供電電壓UM與當前袖帶壓力值的關系為

。通過PWM調速過程中，改變占空比來改變電機電壓的有效值UM=DUi，保證袖帶壓力勻速上升可通過保持PWM占空比與袖帶壓力線性變化。

1.4.2 脈搏波信號預處理

脈搏波的波形信號P（t）可看作緩變直流分量和快變交流分量組成，通過慣性濾波器的使用能有效地去除脈搏波中存在的直流分量，并得到脈搏波中的交流分量，來實現(xiàn)脈搏波的基線漂移消除，該方法與高通濾波器的區(qū)別之處在于對原信號產生的相位移動量較小，計算量更小。

1.4.3 有效特征的抽取

在袖帶進行放氣減壓的過程時，為了便于血壓值的計算，設備從柯氏音、脈搏波以及袖帶氣壓信號中識別有用的數(shù)據(jù)并加以保存。

1.4.4 脈搏波特征抽取

由濾波輸出信號Po（t）在零附近波動的特征，得離散化信號Po（k△t）周期識別的模型：

，式中的α是滯回因子。當T輸出由-1轉為1時，可認為是新脈搏波周期的起始點。利用脈搏波峰值提取模型，當脈搏波上升沿后記錄幅值最大與最小的信號，在整個測量過程中設備對脈搏波實現(xiàn)周期識別與峰谷值提取。在一個脈搏波周期內，獲取有用信息拋棄無用信息，從而大幅度減少了數(shù)據(jù)存儲量。

2 血壓測量實驗

在人身體上利用血壓計樣機測量實際血壓并通過每次測量實驗的數(shù)據(jù)與人工聽診法作對比試驗消除環(huán)境因素對本實驗的影響。實驗分為四組，利用該血壓計每隔兩分鐘對同一實驗者進行一次測量，每組連續(xù)測量25次，共測量100次，結果如圖2所示。

表1給出人工測量數(shù)據(jù)與自動測量數(shù)據(jù)誤差情況，誤差小于3 mmHg的收縮壓測量值所占比例大約在96%以上，實驗中人工測量時有些人為操作可能會對測量結果產生影響，排除此誤差干擾，表明該血壓計的測量數(shù)據(jù)與人工聽診法的測量數(shù)據(jù)十分接近。

對于該血壓測量方法的穩(wěn)定度，與舒張壓對比計算的結果是，人工測量值的標準差為3.05 mmHg，自動測量值的標準差為2.76 mmHg；對比收縮壓，自動測量值的標準差為3.67 mmHg，人工測量值的標準差為3.88 mmHg。因此自動測量值的標準差是小于人工測量值的標準差，可得此血壓計測量高于人工測量的穩(wěn)定度。

3 結論

本文給出的新型血壓測量系統(tǒng)與對應的測量過程和信號處理方法是可行且有效的。柯氏音法與示波法結合的血壓測量方法能夠顯著提高自動血壓測量的準確性和穩(wěn)定性。

（通訊作者：山瑞平）

參考文獻

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作者簡介

山瑞平（1989-），現(xiàn)供職于山西農業(yè)大學軟件學院。主要研究方向為矩陣理論、智能計算、模式識別。

作者單位

山西農業(yè)大學軟件學院 山西省太谷縣 030801