基于脈搏波的無創血壓檢測系統

張磊 單新治 高秀敏

摘要：針對現階段無創血壓檢測儀體積較大、不易攜帶，且需要專業人員操作的問題，提出了一種無創血壓檢測系統。系統基于脈搏波傳導和光與物質相互作用的原理，提取并分析了光與手腕處的皮膚作用后的光電信號模量，推算出動脈血液流速，即脈搏波傳導速度，從而進一步推算出血壓值。試驗結果表明，本系統與傳統血壓檢測儀的平均相對誤差在5%以內，具有一定的可行性。該系統具有體積小、成本低、測量方式簡單、易攜帶、可做大數據管理等特點，可用于人體血壓的實時監測及健康管理。

關鍵詞：無創;血壓檢測;光電信號

中圖分類號：TN911.74;TH77 文獻標志碼：A

引言

血壓是指血管內血液對單位面積血管壁的側壓力，即壓強。血壓可以分為靜脈血壓和動脈血壓，一般情況下血壓指的是動脈血壓，它能反映心臟功能以及外周血管的生理病理狀況。同時，血壓是反映人體心血管狀況、評價人體健康程度的一項重要生理指標，也是臨床上診斷疾病的重要參考依據。血壓會存在很大的波動性，由于各種因素會導致每一次心跳時的血壓都不一樣，因此血壓連續測量對守護人的健康具有重要意義。

高血壓是引起心腦血管疾病的首要危險因素。隨著社會經濟的發展，人們對健康也越來越關注，因此對高血壓及其并發癥早發現、早治療的疾病預防理念也受到越來越多人的重視。目前，血壓檢測方法主要分為有創檢測法和無創檢測法。有創檢測法即為動脈插管法，是將導管插入到測量部位的動脈血管中，通過導管外部連接的壓力傳感器測出血壓，測量結果雖然很準確，但是操作要求比較高，且為有創檢測，會給患者帶來不適感，因此僅適用于重癥病人手術過程中，不適用于日常測量。無創血壓檢測方法主要有柯氏音法、示波法、容積振動法等。柯氏音法對應的就是水銀式血壓計，測量結果很準確，被業界廣泛認可，一般醫學檢測都采用這種方式。但水銀式血壓計需要專業人員操作，且準確度受到操作人員的影響，因此不適用于日常生活中的血壓檢測。目前市場上有很多類型的電子血壓計，大多是采用了示波法的原理。但電子血壓計準確性不是很高，且對適用人群有限制，而且不能隨身攜帶，無法做到對血壓的實時監測，因此也存在不足之處。

本文針對以上幾種方法的不足，提出了一種基于脈搏波傳導速度和光與物質相互作用原理的無創血壓檢測系統。通過提取并分析光與手腕處皮膚作用后的光電信號模量，推算出動脈血液流速，即脈搏波傳導速度，從而進一步推算出血壓值。

1血壓檢測原理

本系統的理論模型是流體模型：假設血管中流動的血液像水在水管中流動一樣（如圖1所示），在血管壁摩擦力、血管粗細等參數已知或相對固定的情況下，只要知道血液的流動速度，即脈搏波傳導速度v，就可推算出血液對側壁的壓力，即人體血壓P。

由式（7）可以得出，在血管彈性模量不變的情況下，人體血壓的改變值與脈搏波的傳導時間成正比。因此只要知道了脈搏波傳導速度，也就是血液流速，即可推出脈搏波傳導時間，從而可以求得人體血壓。

一般情況下，人體皮膚對光的吸收主要受到動脈血液、靜脈血液、骨骼和其他組織的影響。而靜脈血液、骨骼和其他組織對光的吸收變化影響較小，在某個時間點內可以忽略不計。隨著心臟的收縮和舒張，動脈血液的流速會發生變化，所以皮膚對光的吸收變化與動脈血液流速的變化直接相關。

由以上的分析我們可以得出：皮膚對光的吸收變化與動脈血液流速的變化有著直接的關系。所以只要測得皮膚對光的吸收變化，就可以推算出動脈血液流速的變化，進而可以得到某一時間點血壓。我們通過檢測系統中的光學傳感器向被測者手腕皮膚發射光束，并用接收傳感器進行連續信號收集，然后對一段時間內得到的連續圖像進行信號處理，從而得出這段時間內皮膚對光束的吸收變化。通過皮膚對光的吸收變化，能求得動脈血液的流速變化量，即脈搏波傳導速度變化量，再利用上述結論得到人體血壓。

2系統硬件設計

2.1系統硬件組成

系統硬件如圖2所示，主要包含數據采集模塊、算法模塊、主控模塊、電源模塊及顯示模塊等。數據采集模塊將采集到的光電信號傳輸到算法模塊，由算法模塊對數據信號進行處理，主控模塊在電源模塊的支持下控制整個系統的運行和工作，最后通過顯示模塊顯示檢測結果。通訊接口用于控制器與外界通訊以及外接軟鍵盤進行系統校準。

2.2心率算法電路

心率算法電路中采用了一款低功耗的YKB1712心率傳感器芯片，該芯片采用光電式容積描記（PPG）的方式感應人體的脈搏信息并加以提取，最后輸出脈搏波波形。該芯片集合了上一代心率傳感器芯片的優點，采用高靈敏度光感集成電路（IC）以及2個綠色LED以及低噪聲前置放大器，功耗更低，適用于可穿戴產品、手機、醫療器械中。HRB6708是用來配合YKB1712心率傳感器芯片工作的一款心率芯片，可同時輸出心率的方波和正弦波，工作電壓范圍為2.1～5.5v（配合心率監測電路時通常為3v供電），正常工作溫度為-40～+85℃。

2.3血壓算法電路及校準電路

血壓算法電路及校準電路如圖3所示，U6（sF9709）是一顆帶心率血壓算法的算法Ic，配合YKB1712心率傳感器芯片與HRB6708心率芯片輸出串口UART信號，可以實現血壓數值的串口輸出。U7（JZ11711）為校準芯片，本系統設置有外接接口，可以通過外接軟鍵盤輸入校準信息，定期對系統進行標定和校準，同時在系統測量結果出現誤差時，也可人為對系統進行校準，保證系統測量結果的準確性。

2.4電源電路

電源電路為整個系統供電，采用3.7 v鋰電池和5 v USB兩種供電方式，其中5 v接口可以同時滿足鋰電池充電和系統供電要求。采用TP4056芯片對鋰電池進行充電，穩壓芯片采用LP2992。

2.5 MCU及外圍電路

系統采用意法半導體公司生產的STM32L063系列低功耗型芯片作為控制器。由于芯片采用了高性能、低成本、低功耗的ARM Codex-M0+內核，具有較高的運算能力及數據處理功能，并擁有豐富的外設接口。

3系統軟件設計

3.1主控程序

為各個硬件模塊提供實現所需功能的相關程序，主要包括主控單元程序、光源驅動程序、傳感器通訊協議程序等。調試平臺基于Keil forARM，開發語言主要采用適合STM32編程的c語言。

STM32為整個電路的核心控制單元，通過ST-Link燒入控制程序，用于控制整個電路系統正常有序地工作。主控程序流程如圖4所示。

3.2光源驅動程序

光源驅動模塊的控制也是由STM32完成，STM32初始化變量后，開啟LED驅動模塊電源，通過設置不同工作電流，使LED間歇性地發出兩個波長的綠光，配合接收傳感器來測量用于分析人體脈搏波的特征信息。

3.3數據采集程序

STM32控制相關模塊開始采集各傳感器檢測到的模擬信號，經AD轉換后，對讀取到的各數值進行處理，并對處理后的有關信息進行顯示和存儲。

3.4系統校準程序

校準程序用于定期對系統進行標定和校準，同時在系統測量結果出現誤差時，也可人為對系統進行校準。校準時需確保系統測量結果與可靠的袖帶式血壓計測量結果一致，通過輸入舒張壓、收縮壓及心率值來對系統進行校準。系統校準程序如圖5所示。

4測試與分析

為保證測量數據的準確性，本系統帶有校準電路，在測試前先輸入標準數據對系統進行標定和校準。用本系統對10名20～30歲的健康志愿者進行測試，要求被測者在測量前一天晚上保證有良好的睡眠，在早上八點半左右接受測試。測量時，被測者保持背部挺直放松，手腕處測試位置與心臟保持在同一高度，手臂放松、手掌朝上。對每個被測者進行2次測量，2次測量的時間間隔為2～3 min。若2次測量結果相差不大則采用，若差距較大則再測1次。同時用技術成熟的家用電子血壓計對被測者進行測試，將其作為標準值，然后對2組數據進行比對。測試數據如表1所示，表中由斜杠分開的2個值是舒張壓（斜杠前）和收縮壓（斜杠后），血壓單位為mmHg（1mmHg=133.322Pa）。

測試數據的曲線圖如圖6所示。

5結論與分析

本文的無創血壓檢測系統可以實現對血壓和心率的實時監測。利用該系統對健康人群進行了測試，并與市場評價較好的家用電子血壓計測試結果進行對比，得到收縮壓和舒張壓平均絕對誤差分別為2.9 mmHg、3.1 mmHg，平均相對誤差分別為2.23%、4.27%，心率的平均相對誤差為5.46%，證實了本系統的可行性。

目前系統還存在一些不足之處，后續工作中會繼續進行改進。首先，對硬件作改進以減小環境等因素的干擾;其次，優化算法，在保證準確率的前提下，提高檢測效率;最后，做更多的臨床測試，將不同年齡段的人群納入到我們的實驗對象中，進一步完善本系統。