基于示波法的血壓測量方法設計

王軍昂，張立新，吳凱楓，王賽, 凌云

（南京信息工程大學自動化學院，江蘇南京，210044）

0 引言

隨著社會的的進步,人們的生活方式得到了巨大的提升，高油高脂高糖類食品占比越來越高，同時生活節奏也隨之變快，降低了人們運動時間，提高了生活壓力，越來越多的疾病影響著人們的身體健康。其中高血壓已經成為危害人們的重大疾病之一，尤其是高血壓的年輕化，更是應該需要成為人們重視的問題[1]。根據2018年中國衛生健康調查報告，自2015年以來，高血壓在中國成人總數的占比越來越高，其中30-50歲的中老年人患病數逐年提高，形勢不容樂觀[2]。同時高血壓是心腦血管疾病最主要的風險因素，并且目前還沒有完全治愈高血壓的方法，只能通過藥物和自身管理控制。由于血壓需要不定期的檢測，使用電子血壓計進行日常檢測來降低高血壓的發病風險，監控自身健康變得重中之重。

1 測量原理

在血壓測量的發展過程中，根據測量血壓的方式分為兩種測量方式：直接測量血壓法和間接測量血壓法[3]。直接測量法又稱為有創法，測試人員需要將測量工具放入被測人員動脈血管中，盡管對人體有一定的傷害性，適用于重病患者和手術過程的患者，不適用于家庭血壓測試監護。間接測量法又被稱為無創法，盡管測量精度沒有直接測量法高但是基本對人體無害。間接測量法主要以柯氏音法（聽診法）和示波法為主。人工柯氏音法和電子柯氏音法[4]是柯氏音法的兩大類。人工柯氏音法是測量人員通過聽診器傳來的柯氏音同時查看水銀對應的值來判斷血壓，雖然精確但是測量方式是由測量人員的主觀判斷而定且對測量人員的技術要求比較高，不適合家庭自用。電子柯氏音法容易受外界影響，準確性不高，總體來講低于示波法測量血壓。因此市面上最常用的電子血壓計測試方法為示波法。

示波法是根據脈搏波隨著袖套壓力的變化而隨之變化這一特點測量血壓的方法。基于袖套放氣獲得血壓值的原理是[5]：首先帶上袖套進行快速充氣，直到袖套壓力大于收縮壓20-30mmhg時或檢測不到脈搏波的變化時，再進行緩慢放氣；此時袖套內的靜壓力是要大于收縮壓（SP）的，因此動脈血管會受到外部強大的壓力從而閉合，脈搏波會顯現出微小的振幅，隨著袖套的放氣其內部的靜壓力慢慢變小，動脈血管結束閉合狀態慢慢開啟，此時脈搏波的振幅由小變大。當袖套內的靜壓力等于脈搏平均壓（MP）時，脈搏波的振幅達到了最大值；當袖套內的靜壓力小于脈搏平均壓（MP）時，脈搏波的振幅開始變小；最后當袖套內的靜壓力小于脈搏舒張壓（DP）后，動脈血管完全打開，脈搏波的振幅越來越小。如圖1所示。

目前基于示波法來判定人體血壓有很多種方法，目前可以歸納為兩種：波形特征法幅度系法。

(1)幅度系數法根據脈搏波的最大振幅確定平均壓，通過平均壓采用固定的幅度系數比來確定舒張壓和收縮壓，本文采用采用計算模型為：SP/MP=0.5，DP/MP=0.78。（MP:平均壓、SP：舒張壓、DP：收縮壓）

(2)波形特征法利用脈搏波包絡線的點位變化判斷血壓，包絡線有明顯上升的點認定為收縮壓的點位，包絡線有明顯下降的點位認定為舒張壓的點位。相對于幅度系數法，波形特征法比較復雜[7]，所以當前市面上電子血壓計基本上采用幅度系數法設計。

2 系統設計

本設計的基本流程如圖2所示。

圖2 本設計基本流程圖

先進行袖套快速充氣同時進行信號采集，當檢測到脈搏波消失，然后進行慢速放氣，在放氣過程中確定血壓值。

血壓信號確定流程如圖3所示：

圖3 信號處理流程

(1)采集信號：將壓力傳感器采集的信號經過模數轉換后得到脈搏波信號和袖套壓力信號的疊加信號。

(2)分離信號：將模數轉換后的疊加信號通過IIR數字濾波器分離出脈搏波信號。

(3)擬合信號峰值點：對數字濾波器分離后的脈搏波信號進行峰值點確定處理，處理好的峰值點進行曲線擬合獲取峰值點包絡線。

(4)計算血壓：尋找峰值點包絡線的最大值，其最大值即平均壓，根據幅度系數法通過平均壓確定收縮壓和舒張壓的位置。

3 信號處理

3.1 信號濾波處理

IIR數字濾波器差分方程為：

IIR數字濾波器的系統函數為：

雙線性變換主要是指數字濾波器頻率響應H(z)和對應模擬濾波器的頻率響應Ha(s)是線性映射關系。進而將模擬濾波器變換成數字濾波器。首先設計模擬濾波器方程為

方程兩邊拉氏變換得到模擬濾波器的系統函數：

根據S平面與Z平面的映射關系：

數字濾波器的系統函數為：

本文采用截至頻率為5Hz的IIR低通濾波器和0.5Hz的IIR高通濾波器，信號經過0.5Hz的高通濾波器后得到大致的脈搏波信號，在經過低通濾波去除其它噪聲信號，IIR數字濾波器仿真圖如圖4和圖5。

圖4 5Hz 低通濾波

圖5 0.5Hz 高通濾波

在整個血壓測量過程中，主要分為2個階段，一階段是將壓力傳感器采集的信號經過差分放大然后進行模數轉換；二階段是將數字信號進行數字濾波分離得到脈搏波，然后對脈搏波進行信號處理，因此選擇合適的濾波器變得極為重要，直接關系到脈搏波的波形是否正確與標準，影響后續的結果。

利用IIR濾波器對壓力傳感器采集的信號經過A/D轉換后進行數字濾波處理后得到脈搏信號如圖6所示，從圖中可以看出脈搏波的波形比較規則，各個波峰比較明顯，可以進行下一步的信號處理。

圖6 信號波形分離圖

3.2 脈搏波擬合處理

高斯擬合的原理如下：

設一組實驗數據（xj， yj）（j=1,2,3,…,N）,用高斯函數描述為

式（8）中參數ymax、xmax和S分別為高斯曲線的峰高、峰高位置和半寬度信息。將式（8）兩邊取自然對數，化為

將（10）化為二次多項式擬合函數

考慮全部數據并且以矩陣的形式表示如下：

簡記為：Z=XB+E(13)

在不考慮誤差E的情況下，根據最小二乘原理，構成矩陣B的廣義最小二乘解為

根據式（10）求出參數ymax、xmax和S得到（8）式高斯函數的特征參數。

將所得ymax、xmax和S帶入（8）就得到有實驗數據（xj， yj）（j=1,2,3,…,N）擬合的高斯函數。

經過各種擬合仿真實驗對比采用雙高斯擬合，將分離出的脈搏波進行峰值檢測方法可以精確的檢測到脈搏信號峰谷特征點。在已經檢測到峰谷值的基礎上進行雙高斯曲線擬合構造包絡線，如圖7所示。

3.3 確定血壓值

通過雙高斯曲線擬合脈搏波包絡線，確定高斯曲線的最大點為平均壓(MP)，通過幅度系數法計算出收縮壓(SP)和舒張壓（DP），幅度系數法采用計算模型為[9]：SP/MP=0.5，DP/MP=0.78。

圖7 高斯擬合包絡線

4 結論

本設計方法采用IIR數字濾波提取脈搏波信號，采用雙高斯擬合的方法，提高了擬合精度，經過仿真確定該方法計算量更小，通用性更強，使用該方法制作的血壓計適用于家庭中血壓的日常監護。