張　洋，李毅彬，陳曉萌，鄧　寧

（清華大學(xué) 微電子學(xué)研究所，北京 100084）

基于多種傳感器的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量研究*

張洋，李毅彬，陳曉萌，鄧寧

（清華大學(xué) 微電子學(xué)研究所，北京 100084）

近年來(lái)，通過(guò)脈搏波（光電容積脈搏波（PPG）、血液調(diào)制的磁信號(hào)（MMSB）和壓力脈搏波（PPW））實(shí)現(xiàn)血壓（BP）無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量成為血壓測(cè)量的熱點(diǎn)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，研究上述三種脈搏波之間的相位差（PD）與血壓的關(guān)系，進(jìn)而提出利用PPG與MMSB之間的相位差測(cè)量血壓的新方法。結(jié)果表明：對(duì)于不同脈搏波，相位差與收縮壓（SBP）的相關(guān)性略高于與舒張壓（DBP）的相關(guān)性，PPG與MMSB之間的相位差與血壓的相關(guān)性最高。利用PD實(shí)現(xiàn)血壓無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量，具有很好的發(fā)展前景。

脈搏波相位差（PD）；光電容積脈搏波（PPG）；血液調(diào)制的磁信號(hào)（MMSB）；壓力脈搏波（PPW）

0　引言

目前，心腦血管疾病已經(jīng)成為威脅人類(lèi)健康的頭號(hào)殺手，積極防控心腦血管疾病變得刻不容緩[1]。血壓等人體生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控既可以為高血壓的預(yù)防、診斷和治療提供有力的依據(jù)，又能有效地預(yù)防突發(fā)性心腦血管疾病[2-3]。但是，傳統(tǒng)的血壓測(cè)量方法基于充氣袖帶，測(cè)量時(shí)會(huì)給被測(cè)試者帶來(lái)較大不適，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。因此，無(wú)袖帶的無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量技術(shù)受到越來(lái)越多研究者的重視[4]。

血壓的無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。直接測(cè)量即在體表采集動(dòng)脈處的壓力信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的處理和標(biāo)定后直接計(jì)算出人體的舒張壓和收縮壓。部分學(xué)者嘗試探究橈動(dòng)脈處的壓力與中心動(dòng)脈處的壓力之間的關(guān)系[5-6]，有的學(xué)者利用橈動(dòng)脈容積補(bǔ)償法來(lái)測(cè)量血壓[7]。間接測(cè)量即采集人體的各種脈搏波信號(hào)，尋找這些信號(hào)與血壓的關(guān)系，并利用這些關(guān)系測(cè)量血壓。有的學(xué)者利用脈搏波到達(dá)時(shí)間的高頻分量和低頻分量來(lái)估計(jì)收縮壓[8]；有的學(xué)者利用處理后的脈搏波延時(shí)來(lái)估計(jì)血壓[9]；更多的學(xué)者是利用脈搏波傳播時(shí)間（PPT）來(lái)測(cè)量血壓[10-12]。目前 PTT(Pulse Transmit Time)無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量血壓是研究的主流。不同的研究者選取不同的特征點(diǎn)來(lái)計(jì)算PTT，并選用相應(yīng)的模型計(jì)算血壓，測(cè)量結(jié)果可以達(dá)到美國(guó)醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會(huì)（AAMI）的要求。但是，基于PTT的血壓測(cè)量方法存在一些缺陷。為了確定PTT，需要同時(shí)采集人體的脈搏波信號(hào)和心電信號(hào)，從而需要在人體不同部位安放傳感器和心電電極。這樣做成的設(shè)備不方便佩戴，不適合實(shí)時(shí)監(jiān)控人體血壓。

為了解決這一問(wèn)題，本文從實(shí)驗(yàn)的角度研究PPG、MMSB和PPW之間的相位差與血壓的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)PPG與MMSB之間的相位差與血壓的相關(guān)性最高，可以利用它實(shí)現(xiàn)血壓的無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量。與PTT法測(cè)量血壓相比，脈搏波相位差法的優(yōu)勢(shì)在于：它僅需要測(cè)量脈搏波，從而只需在人體同一位置安放多個(gè)傳感器。不同傳感器又可以集成到一塊電路板上，這樣做成的測(cè)量設(shè)備具有便攜的優(yōu)點(diǎn)，適合隨身攜帶，并實(shí)時(shí)監(jiān)控人體血壓。

1　脈搏波概述

在血液循環(huán)過(guò)程中，心臟周期性的收縮和舒張使血液周期性地由主動(dòng)脈向外周動(dòng)脈流動(dòng)，同時(shí)引起血液壓強(qiáng)、血液流速和血管直徑等許多人體生理參數(shù)周期性變化。這些變化具有波動(dòng)的性質(zhì)，所以稱為脈搏波。在人體固定的位置，可以用不同的傳感器采集不同的脈搏波。表1列出了MMSB、PPW、PPG、直徑脈搏波（DPW）和速度脈搏波（VPW）的測(cè)量方式、測(cè)量原理以及測(cè)量位置。

表1　不同脈搏波簡(jiǎn)介

圖1是在橈動(dòng)脈處同時(shí)采集的MMSB、PPW和PPG波形(為使波形之間互不重疊，已添加偏置并利用MATLAB濾波)。如圖1所示，這些脈搏波的周期相同，不同脈搏波的主波峰之間存在時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差稱為這兩種脈搏波之間的相位差。本文通過(guò)運(yùn)動(dòng)恢復(fù)試驗(yàn)，探究不同脈搏波之間的相位差與血壓的關(guān)系。

圖1　不同脈搏波的波形

2　實(shí)驗(yàn)方案

為了探究MMSB、PPW和PPG之間的相位差與血壓的關(guān)系，需要在左手橈動(dòng)脈處同時(shí)采集3路脈搏波信號(hào)，并同時(shí)使用歐姆龍電子血壓計(jì)在右臂肱動(dòng)脈處測(cè)量人體血壓。分別利用巨磁阻傳感器、壓力傳感器和光電傳感器采集MMSB、PPW和PPG信號(hào)。采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、20 Hz低通濾波和 50 Hz工頻濾波后，使用基于ARM Cortex-M4的飛思卡爾 K60單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。之后，通過(guò)異步收發(fā)傳輸器系列端口把這些有用的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，提取信號(hào)峰值并計(jì)算相位差。模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣率為 500 Hz，串行傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?115 200 Bd，最終利用MATLAB在電腦上實(shí)時(shí)顯示這些從人體采集到的信號(hào)。人體血壓無(wú)法連續(xù)測(cè)量，所以每半分鐘測(cè)量一次血壓，再把測(cè)得的SBP和DBP與不同脈搏波之間的相位差進(jìn)行比較。為了更明顯地發(fā)現(xiàn)相位差與血壓的關(guān)系，需要在較大范圍內(nèi)改變?nèi)梭w血壓，本文采用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)法來(lái)改變血壓。

本實(shí)驗(yàn)的5名實(shí)驗(yàn)者是年齡位于23～30歲的健康成年人，他們均無(wú)高血壓和心血管疾病病史。所有實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)前一天均未飲酒，并且在實(shí)驗(yàn)前均處于靜息狀態(tài)。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段：靜止階段和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)階段。在靜止階段，實(shí)驗(yàn)者坐在椅子上靜止不動(dòng)，以避免運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的干擾。用不同的傳感器在其左手橈動(dòng)脈處采集3種脈搏波信號(hào)，并同時(shí)用歐姆龍電子血壓計(jì)在其右臂肱動(dòng)脈處測(cè)量血壓，每位實(shí)驗(yàn)者采集30組數(shù)據(jù)。在運(yùn)動(dòng)恢復(fù)階段，實(shí)驗(yàn)者先在橢圓機(jī)上快速跑動(dòng)，半小時(shí)后坐到椅子上靜止不動(dòng)。此時(shí)，再分別用不同傳感器和歐姆龍電子血壓計(jì)在相應(yīng)位置處采集脈搏波和血壓值。每位實(shí)驗(yàn)者采集70組數(shù)據(jù)，以便與靜止階段相比較。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

5名實(shí)驗(yàn)者運(yùn)動(dòng)過(guò)后，血壓升高，脈搏波之間的相位差也有較大變化。不同實(shí)驗(yàn)者的血壓和脈搏波相位差變化略有不同，但其整體趨勢(shì)以及反映問(wèn)題的本質(zhì)是一致的，因此選擇了其中一位實(shí)驗(yàn)者的數(shù)據(jù)做詳細(xì)的分析。

圖2為某位實(shí)驗(yàn)者的3種脈搏波之間的相位差變化圖，圖3為該實(shí)驗(yàn)者的血壓變化圖。其中前30組數(shù)據(jù)為靜止階段，后70組數(shù)據(jù)為運(yùn)動(dòng)恢復(fù)階段。

圖2　相位差變化圖

如圖2所示，運(yùn)動(dòng)之后的恢復(fù)階段脈搏波之間的相位差表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。為了進(jìn)一步探究相位差與血壓的關(guān)系，把恢復(fù)階段細(xì)分為前期、中期和后期。從實(shí)驗(yàn)者停止運(yùn)動(dòng)到人體血壓首次降至靜止階段平均血壓的 110%（分界點(diǎn) 1）稱為恢復(fù)階段前期，從分界點(diǎn) 1到人體血壓首次降至靜止階段平均血壓的90%（分界點(diǎn)2）稱為恢復(fù)階段中期，從分界點(diǎn)2到實(shí)驗(yàn)結(jié)束稱為運(yùn)動(dòng)恢復(fù)階段末期。這是一種為了研究問(wèn)題方便而采用的劃分方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)束并不意味著恢復(fù)階段的結(jié)束。雖然對(duì)于不同的個(gè)體，恢復(fù)階段前期、中期和后期的起止時(shí)間并不相同，但其揭示問(wèn)題的本質(zhì)是一致的。

圖3　人體血壓變化圖

從圖3中可以看出，該實(shí)驗(yàn)者靜止時(shí)，血壓在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。相應(yīng)地，不同脈搏波之間的相位差也保持穩(wěn)定。激烈運(yùn)動(dòng)過(guò)后，血壓升高?；謴?fù)階段前期，血壓迅速下降，相應(yīng)地，脈搏波之間的相位差也迅速減小?；謴?fù)階段中期，血壓基本穩(wěn)定，而脈搏波之間的相位差緩慢增大。恢復(fù)階段后期，血壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，相應(yīng)地，脈搏波之間的相位差也在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。其他的實(shí)驗(yàn)者的數(shù)據(jù)也都呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在恢復(fù)階段前期，血壓對(duì)相位差起主導(dǎo)作用，并且血壓和相位差都有較大變化。分別計(jì)算靜止階段和恢復(fù)階段前期各實(shí)驗(yàn)者不同脈搏波相位差與SBP、DBP的線性相關(guān)系數(shù)，并把數(shù)據(jù)分別列在表2、表3中。如兩表所示，恢復(fù)階段前期的相位差與血壓的相關(guān)性高于靜止階段。對(duì)于不同階段，3種脈搏波的相位差與SBP的相關(guān)性均略高于與DBP的相關(guān)性。其中，PPG與 MMSB之間的相位差與血壓的相關(guān)性最高，而MMSB與PPW之間的相位差與血壓的相關(guān)性最低。因此可以利用PPG與MMSB之間的相位差測(cè)量靜止階段和恢復(fù)階段前期的人體血壓，能夠達(dá)到相當(dāng)高的精度。

表2　靜止階段脈搏波相位差與血壓的相關(guān)系數(shù)

表3　恢復(fù)階段前期脈搏波相位差與血壓的相關(guān)系數(shù)

4　結(jié)論

本文通過(guò)運(yùn)動(dòng)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)在較大范圍內(nèi)改變?nèi)梭w血壓，研究不同脈搏波之間的相位差與血壓的關(guān)系，并提出利用PPG與MMSB之間的相位差實(shí)現(xiàn)血壓無(wú)創(chuàng)測(cè)量的新方法。結(jié)果表明，PPG與MMSB之間的相位差與SBP和DBP均具有較高的相關(guān)性，用它來(lái)測(cè)量血壓能夠達(dá)到相當(dāng)高的精度。與利用脈搏波和ECG獲得PTT實(shí)現(xiàn)血壓無(wú)創(chuàng)測(cè)量相比，用該方法做成的設(shè)備便于隨身攜帶和實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有更廣闊的發(fā)展前景。在今后的研究中，會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件，并把重點(diǎn)放在血壓的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)上。參考文獻(xiàn)

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Research on non-invasive and continuous BP measurement with various sensors

Zhang Yang，Li Yibin，Chen Xiaomeng，Deng Ning
(Institute of Microelectronics，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

Recently,it has become a hot topic that measuring Blood Pressure(BP)continuously and non-invasively via pulse waves (Photoplethysmography,PPG,Modulated Magnetic Signature of Blood,MMSB and Pressure Pulse Wave,PPW).This paper studies the relationship between the Phase Difference(PD)of three kinds of pulse waves(mentioned above)and BP through exercise recovery experiment and then puts forward the new method of BP measurement through PD between PPG and MMSB.The result reveals that the correlation between Systolic Blood Pressure(SBP)and PD is slightly higher than that between Diastolic Blood Pressure(DBP)and PD for different pulse waves.The PD between PPG and MMSB presents the highest correlation.It is promising to apply PD in the non-invasive and continuous BP measurement.

phase difference(PD)；photoplethysmography(PPG)；modulated magnetic signature of blood(MMSB)；pressure pulse wave(PPW)

TP212.3

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.018

清華大學(xué)自主科研基金項(xiàng)目（2012Z01001）

2016-01-19)

張洋（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：血壓無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量。

李毅彬（1990-），男，博士研究生，主要研究方向：血壓無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量。

陳曉萌（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：血壓無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量。

中文引用格式：張洋，李毅彬，陳曉萌，等.基于多種傳感器的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (5)：64-67.

英文引用格式：Zhang Yang，Li Yibin，Chen Xiaomeng，et al.Research on non-invasive and continuous BP measurement with various sensors[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：64-67.