基于脈搏波連續(xù)血壓測量系統(tǒng)的設(shè)計

成芮萱

摘 要：血壓是一種能夠反映心血管功能的最重要的生理參數(shù)之一，是診察判斷疾病及治療的重要依據(jù)。本設(shè)計基于脈搏波波速法的連續(xù)血壓測量系統(tǒng)，介紹了測量系統(tǒng)的原理、確定了總體設(shè)計方案、闡述了血壓算法，最后對設(shè)計的測量系統(tǒng)進(jìn)行了驗證與調(diào)試，驗證可行性。實驗中能夠較穩(wěn)定的獲取脈搏波信號，測量心率時根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果計算均方差為0.51，可以用于測量心率。

關(guān)鍵詞：血壓測量；脈搏波；測量系統(tǒng)

1.引言

高血壓對人類健康具有很大危害，隨著人們對健康問題的關(guān)注能夠?qū)崟r監(jiān)測人體健康狀況的無線傳感器系統(tǒng)成為研究的熱點[1]。血壓是反映人體健康狀況的一個重要指標(biāo)，因而開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)對血壓連續(xù)測量的血壓傳感器在人體健康監(jiān)測中具有重要意義。本設(shè)計基于找出脈搏波速與血壓變化的關(guān)系，實現(xiàn)通過測量脈搏波的變化來測量血壓。

2.脈搏波血壓測量原理

本設(shè)計選取脈搏波傳導(dǎo)時間測定血壓法來驗證傳感器的功能，脈搏波速（PWV）所指的是在人體心脈血管中脈搏傳播的速度[2]。PWV的測定是通過測量脈搏波傳導(dǎo)時間和兩個記錄部位的距離求得，計算公式為式（2-1）：

（2-1）

式中，t為傳播時間及兩個波形的所差的時間差，L是兩個傳感器探頭之間的實際距離。

目前為止，脈搏波傳導(dǎo)速度測定通常可以用于評估心血管系統(tǒng)健康與否，是比較成熟的大動脈彈性方法之一[3]。脈搏波速度主要的影響因素是血管大小和血管壁彈性[4]之間的關(guān)系式可用式（2-2）表示：

（2-2）

式中，g是重力加速度，E是血管壁的彈性模量，a是血管壁厚度，v是脈搏波速度，是血液度密度，是血管內(nèi)徑。又有血壓和P彈性模量E成指數(shù)關(guān)系可用式（2-3）表示：

（2-3）

式中，P是血壓（mmHg），是彈性模量，y是表征血管特征的一個量。另一方面，脈搏波傳遞時間T反比于脈搏波傳遞速度，可用式（2-4）表示：

（2-4）

其中，S為脈搏波傳遞的距離。將式（2-3）和式（2-4）分別帶人式（2-2）中，并經(jīng)整理得到式（2-5）：

（2-5）

理想計算，上式右邊第一項可看作一個常量，所以有式（2-6）：

（2-6）

那么由式（2-6）可知，血壓的變化（）與脈搏波傳導(dǎo)時間的變化（）成正比。由脈搏波傳導(dǎo)時間可估算出血壓值。根據(jù)式（2-6）可知呈線性關(guān)系可用式（2-7）表示：

（2-7）

其中a，b為待定系數(shù)，對同一測量者在短時間內(nèi)是確定的數(shù)值；PWTT為脈搏波傳遞時間。選取多組測量數(shù)值，進(jìn)行線性擬合，驗證傳感器性能。

3.設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的血壓測量系統(tǒng)是基于脈搏波波速法估算血壓來達(dá)到驗證傳感器性能的目的。首先通過設(shè)計的光電傳感器拾取人體生理信號，對信號調(diào)理后將信號同步采集進(jìn)行濾波，然后特征點提取。然后基于脈搏波速法估算出相對應(yīng)的血壓值，實行可靠的系統(tǒng)驗證。針對基于脈搏波速法的脈搏血壓監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，可將系統(tǒng)分為三層體系結(jié)構(gòu)，分別是：系統(tǒng)信號檢測層、系統(tǒng)信息處理層和系統(tǒng)信息反饋層[5]。應(yīng)用的硬件模塊包括脈搏信號采集模塊、AD轉(zhuǎn)換及采樣模塊、顯示模塊等。其系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)

4.血壓的計算方法

在利用脈搏波時間計算血壓時，脈搏波時間延遲的計算對于系統(tǒng)最終測得的血壓精確度有很大的影響[6]。測量的準(zhǔn)確度越大，計算出的結(jié)果準(zhǔn)確度越好。

在計算血壓時，將手臂平放，等到數(shù)據(jù)穩(wěn)定時，得到此時脈搏波傳導(dǎo)時間記作PWTT0，并且通過血壓計測得此時的血壓為BP0。然后身體保持不動，被測量手臂逐漸向上，在手臂移動過程中，當(dāng)上升高度為時，指尖血壓變化BP為式（4-1）：

（4-1）

其中為血壓密度，為重力加速度，為指尖抬升垂直高度。

為方便計算，將手臂抬到垂直于地面，此時指尖光電脈搏傳感器高度變化為，并且測試此時脈搏波傳導(dǎo)時間為PWTT1此時可以得出脈搏波時間變化PWTT如式（4-2）：

（4-2）

由式（2-7）有式（4-3）和式（4-4）：

（4-3）

（4-4）

由式（4-3）和式（4-4）計算出a，b得值，此時可以利用式（2-7）計算血壓值。

5.驗證與調(diào)試

5.1光電脈搏傳感器的驗證

在設(shè)計光電脈搏傳感器的電路原理圖過程中，經(jīng)反復(fù)調(diào)試驗證能，在示波器上可得到較為滿足需要的脈搏波形[7]。對光電脈搏傳感器性能進(jìn)行驗證時，在進(jìn)行血壓測量之前，可以先行進(jìn)行心率計算得到心率值。有計算結(jié)果可知，均方差小于1，經(jīng)過校準(zhǔn)與非線性補償后可以用于簡單的測量心率。

5.2傳感器血壓測量的驗證

單一一次血壓測量有很大誤差并不準(zhǔn)確，所以有一定時間間隔的測量三次來得到較為可觀的血壓值來減少誤差，本課題中對同一被測量者血壓值變化與脈搏傳導(dǎo)時間變化采用一元線性回歸分析，又稱直線擬合[10]，對血壓值變化與脈搏傳導(dǎo)時間變化的數(shù)據(jù)回歸分析。

6.總結(jié)

本設(shè)計通過檢測脈搏變化間接測量血壓，期望在無線人體健康監(jiān)測系統(tǒng)中實現(xiàn)對血壓的連續(xù)測量。從實際應(yīng)用價值來看如果有這么一個便于攜帶的物件可以監(jiān)控血壓不僅可以為高血壓患者在進(jìn)行某些活動時起到提醒作用，還能在就診時為醫(yī)院提供生活中的血壓情況，以防因某些外界原因造成血壓測量不準(zhǔn)確，患者可以得到更加對癥的治療方法，對于老年患者等特殊人群來說實際應(yīng)用價值更高。不過由于基于脈搏波速法測量血壓的實時便攜式血壓測量計本就是近些年新興的研究領(lǐng)域，涉及到多個科研領(lǐng)域的知識交叉應(yīng)用，為產(chǎn)品的設(shè)計造成了很大困難，但人們的需求是毋庸置疑的。因此需要多個領(lǐng)域的人才積極地投入到系統(tǒng)研究，使之能夠投入到人們的日常生活中。

參考文獻(xiàn)

[1]Yoon Y，Cho J H，Yoon G.Non-constrained Blood Pressure Monitoring Using ECGand PPG for Personal Healthcare[J].Journal of Medical Systems.2009，33（4）：261-266.

[2]蘭羽.一種便攜式脈搏測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2013，36（7）：71-73.

[3]何慶華，金吉成，吳寶明，等.R波相關(guān)振動法血壓測量[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，1997（3）：233-236.

[4]Zhou Y，Gao Q，Yang R，etal.Areliminary study on the relationship between lacunar infarction and cerebral arerio-venous pulse wave time[J].Chinese Journal of Nervous & Mental Diseases，2012，38（7）：393-396.

[5]趙云鵬.MATLAB串口通信在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].微計算機信息，2006，22（1S）：111-112.

[6]齊蓓蓓，吳效明，黃岳山.基于MATALAB的脈搏波信號的實時處理[J].微計算機信息，2009，25（28）：184-185.

[7]周霞，吳文莉，鮑淑娣.移動醫(yī)療：IEEE可穿戴無袖帶血壓測量儀標(biāo)準(zhǔn)[J].中國醫(yī)療器械雜志，2015（4）：285-287.

[8]楊文武.基于光電容積的脈搏波波形特征與速度測量研究[D].西安電子科技大學(xué)，2012.

[9]戴君偉，王博亮.光電脈搏傳感器的研制和噪聲分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（2）：78-80.

[10]梁奇，王順利.基于multisim的鋰電池充放電電流檢測方法研究[J].電源世界，2015（9）：29-33.

（作者單位：江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院）