胡欣宇，王昕波，趙召龍，陳相福

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西 太谷 030801)

基于柯氏音法與示波法結(jié)合的新型血壓測量系統(tǒng)

胡欣宇，王昕波，趙召龍，陳相福

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西 太谷 030801)

本文提出了柯氏音法與示波法結(jié)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，同時設(shè)計的自適應(yīng)閾值降噪法、時域窗函數(shù)降噪法和基于頻譜模式匹配的柯氏音識別方法對抑制柯氏音信號中的背景噪聲和隨機大噪聲效果顯著。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(jié)合，保證了測量值的穩(wěn)定性和準(zhǔn)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(jìn)行人體血壓自動測量，測量結(jié)果與人工測量法對比，人工測量值的標(biāo)準(zhǔn)差是大于自動測量值的標(biāo)準(zhǔn)差，證明該系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性。

柯氏音法；示波法；自適應(yīng)閾值；時域窗函數(shù)；背景噪聲；血壓測量

在全世界范圍內(nèi)高血壓已成為世界上危害大眾健康的一個重要疾病，能夠準(zhǔn)確和方便地測量血壓是預(yù)防和治療高血壓的前提[1]。血壓能反映出人體的循環(huán)系統(tǒng)機能的重要參數(shù)，血壓是血液在血管中流動對血管壁產(chǎn)生的壓力，作為人體的重要生理參數(shù)，并且血壓能反映出人體的心臟、血管的功能狀況，所以血壓成為了臨床上來于診斷疾病、觀察治療效果和進(jìn)行預(yù)后判斷的關(guān)鍵依據(jù)[2]。

1 血壓計結(jié)構(gòu)與功能實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過電子電路模擬人工柯氏音法血壓測量過程，實現(xiàn)基于柯氏音法與示波法相結(jié)合的自動血壓測量，裝置結(jié)構(gòu)如圖所示。系統(tǒng)硬件電路主要包括柯氏音信號采集電路、袖帶壓力測量電路、脈搏波信號提取電路、微處理器及外圍電路，以及電源管理電路。

圖1 電子血壓計系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of electronic blood pressure monitor device

內(nèi)置氣囊的袖帶佩帶在上臂，通過對袖帶的充氣和放氣來壓迫上臂動脈；用柱極體麥克風(fēng)中的拾音器來取代聽診器，將其安置到上臂動脈血管的上方，用來獲得受壓動脈血管中所產(chǎn)生出的柯氏音信號；柯氏音信號可以通過音頻信號調(diào)理模塊來放大濾波；氣泵氣閥用于取代橡膠球，達(dá)到了對袖帶的自動充氣和自動放氣；用電阻式傳感器來取代水銀壓力計，將袖帶氣囊與導(dǎo)管連接，用來測量氣囊內(nèi)所產(chǎn)生的氣壓和脈搏波；鍵盤、顯示器實現(xiàn)操作指令的輸入與測量結(jié)果顯示；微處理器實現(xiàn)測量過程控制和信號綜合處理。

1.2 柯氏音信號的采集

此設(shè)備仿照人工聽診方法，在拾音器（聽頭）內(nèi)安裝駐極體麥克風(fēng)，并將拾音器置于袖帶下沿的動脈血管上方，用于獲取來自血管的音頻信號[3]。拾音器主要是由金屬殼與鼓膜組成，如圖2所示，在使用過程中，將來自上臂血管的音頻振動耦合到拾音器鼓膜中，并傳導(dǎo)到駐極體麥克風(fēng)之后轉(zhuǎn)變成電信號輸出，如圖3所示[4]。

音頻前置放大由專用音頻功放 TDA2822設(shè)備和由電阻、電容連接的簡單濾波電路完成[5]。如圖4所示，電容C2和麥克風(fēng)內(nèi)阻來構(gòu)成一階低通濾波，電容C1與電阻R3來構(gòu)成一階高通濾波，過濾后的信號在TDA2822中獲得約40 db的增益，可通過單片機采樣，同時也可直接驅(qū)動小功率揚聲器。在血壓自動測量過程中的同時也可以通過耳機進(jìn)行人工聽診。

圖2 拾音器Fig.2 pickup

圖3 駐極體麥克風(fēng)Fig.3 Electret microphone

圖4 聲音信號測量電路Fig.4 Measurement circuit of sound signal

1.3 柯氏音信號的形成特征分析

如圖5所示，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，其頻譜特性如圖6所示，可以看出柯氏音信號屬于隨機信號，不呈現(xiàn)周期性，而是隨脈搏搏動而間歇性地出現(xiàn)，信號功率主要集中在10～150 Hz以內(nèi)[6]。

圖5 柯氏音信號Fig.5 Korotkoff-sound signal

圖6 柯氏音信號頻譜Fig.6 Spectrum of Korotkoff-sound signal

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。研究表明，離散柯氏音瞬時聲強正比于采樣信號差分的平方，幅值如圖7所示。

圖7 柯氏音聲強信號Fig.7 Sound intensity signal of Korotkoff-sound

對于不同的被測者，在袖帶減壓過程中，柯氏音的幅值變化呈現(xiàn)多種規(guī)律，如圖8所示。實驗發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)被測者符合A類，中老年人容易出現(xiàn)E類，即中間可能有間斷。對于D類柯氏音，信號在出現(xiàn)和消失點處幅值較弱，極易受噪聲干擾而難以判別[7]。

圖8 柯氏音的幅值Fig.8 Amplitude of the Korotkoff-sound

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(shè)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(dāng)，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，但由于頻譜寬而較難去除[8]。疊加較強噪聲的柯氏音信號如圖9所示，在如此大噪聲干擾的情況下，簡單的識別方法很難找到柯氏音的出現(xiàn)點和消失點，需采用多種降噪手段結(jié)合進(jìn)行信號處理。

圖9 干擾強烈的柯氏音信號Fig.9 Korotkoff-sound signal with strong interferences

1.4 壓力及脈搏信號測量

1.4.1 自適應(yīng)充氣控制

為了根據(jù)被測者當(dāng)前血壓自動調(diào)整最大充氣壓力，在勻速充氣過程中基于示波法原理對收縮壓進(jìn)行實時估測，當(dāng)充氣壓力超過收縮壓20～30 毫米汞柱即停止充氣[9]。為了控制袖帶壓力勻速上升，需要對氣泵進(jìn)行 PWM控制。在保證袖帶壓力上升速度恒定的條件下，氣泵電機供電電壓UM與當(dāng)前袖帶壓力值的關(guān)系為。通過PWM調(diào)速過程中，改變占空比來改變電機電壓的有效值，控制PWM占空比跟隨袖帶壓力線性變化，即可保證袖帶壓力勻速上升。

1.4.2 脈搏波信號的預(yù)處理

脈搏波的峰值時間tp、振幅包絡(luò)線以及對應(yīng)的袖帶氣壓值都是有用的信息，是為了辨別脈搏波的波峰值與波谷值，最先識別脈搏波的周期[10]。以脈搏波的波形信號P(t)來說，可認(rèn)為是由緩變直流分量與快變交流分量構(gòu)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(chǎn)生的相位移動量較小，計算量更小[11]。

1.4.3 有效特征的抽取

在袖帶進(jìn)行放氣減壓的過程時，為了便于血壓值的計算，設(shè)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[12]。因為便攜儀器受到了存儲空間的制約，所以需要從海量的采集數(shù)據(jù)中實時抽取有用的數(shù)據(jù)，此問題在實際應(yīng)用時是務(wù)必解決的。

1.4.4 脈搏波特征的抽取

根據(jù)濾波輸出的信號Po(t)在零附近波動的特征，建立了離散化信號Po(kΔt)周期識別的模型：

式中的α是滯回因子[13]。如果T的輸出由-1變?yōu)?1，即設(shè)備檢測出脈搏波上升沿，那么可認(rèn)為是新脈搏波周期的起始點。可以用滯回因子α形成時具有正反饋的特性來包容脈搏波局部的波動，用來防止識別錯誤。

通過構(gòu)造脈搏波峰值的提取模型，當(dāng)出現(xiàn)脈搏波上升沿的情況，記錄上升沿后幅值最大與最小的信號，等到周期提取模型識別出下一次脈搏波上升沿時搜索才結(jié)束，第k個脈搏波的振幅為最大值和最小值之差。如圖10所示為整個測量過程中設(shè)備對脈搏波實現(xiàn)周期識別與峰谷值提取[14]。

在一個脈搏波周期內(nèi)，從脈搏波及袖帶壓力采樣信號中獲取了峰值時間tpk、脈搏波振幅Ak和當(dāng)前袖帶壓力PAk，其余信息可拋棄，從而大幅度減少了數(shù)據(jù)存儲量[15]。

圖10 脈搏波周期識別與振幅提取Fig.10 Period recognition and amplitude extraction of pulse wave

2 血壓測量實驗

為驗證前文所設(shè)計的信號處理方法、血壓綜合測量的過程以及新型血壓測量系統(tǒng)的有效性與實用性，本章節(jié)通過血壓計樣機在人身體上進(jìn)行實際血壓測量的實驗。為消除環(huán)境因素對本實驗的影響，并能夠體現(xiàn)出該測量系統(tǒng)在準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性的性能，通過每次測量實驗的數(shù)據(jù)與人工聽診法作對比試驗。

假設(shè)同一被測試者在較短時期內(nèi)的血壓值是相對穩(wěn)定不變的，用該血壓計對同一實驗者進(jìn)行每隔兩分鐘一次的測量，將實驗分為四組，每組進(jìn)行連續(xù)測量25次，一共測量100次，測量結(jié)果如圖11所示。

圖11 同一被測試者的測量實驗數(shù)據(jù)Fig.11 Experimental data from same person

通過分析自動測量數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)的誤差情況，結(jié)果如表1所示，可看出誤差小于3 mmHg的舒張壓測量值所占比例大約在91%以上，誤差小于3 mmHg的收縮壓測量值所占比例大約在96%以上，可以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，相比于±10～20 mmHg相對誤差的示波法電子血壓計，該血壓計有非常高的準(zhǔn)確特性。在本實驗中，人工測量時有些人為操作也可能會對此測量結(jié)果產(chǎn)生影響，如果排除了人工測量所產(chǎn)生的誤差干擾，那么可以證明此血壓計的實際測量精度將高于上述統(tǒng)計值。

為分析研究該血壓測量方法的穩(wěn)定度，我們假設(shè)被測者在一段時間內(nèi)血壓值是相對穩(wěn)定不變的，分別計算人工測量與自動測量值的標(biāo)準(zhǔn)差來反映測量數(shù)據(jù)離散程度，從而能在一定程度上體現(xiàn)出這兩類方法的穩(wěn)定性[11,12]。與舒張壓對比計算的結(jié)果是，人工測量值的標(biāo)準(zhǔn)差為3.05 mmHg，自動測量值的標(biāo)準(zhǔn)差為2.76 mmHg；對比收縮壓，自動測量值的標(biāo)準(zhǔn)差為 3.67 mmHg，人工測量值的標(biāo)準(zhǔn)差為3.88 mmHg。由此可見，人工測量值的標(biāo)準(zhǔn)差是大于自動測量值的標(biāo)準(zhǔn)差的，可以證明此血壓計測量的穩(wěn)定度要高于人工測量的穩(wěn)定度。

表1 誤差統(tǒng)計Tab.1 Error statistics

3 結(jié)論

通過以上分析，得出如下結(jié)論：

（1）文中所設(shè)計的新型血壓測量系統(tǒng)和相應(yīng)的測量過程以及信號處理方法是可行的并且十分有效的。

（2）柯氏音法與示波法結(jié)合的血壓測量方法能夠顯著提高自動血壓測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

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A New Blood Pressure Measurement System Based on Oscillographic and Korotkoff-sound Method

HU Xin-yu, WANG Xin-bo, ZHAO Zhao-long, CHEN Xiang-fu
(Shanxi Agricultural University, Taigu, Shanxi, 030801)

This paper presented a new blood pressure measurement method based on Korotkoff-sound and oscillographic method, and studied the comprehensive processing method of Korotkoff-sound signal.The adaptive thresholding denoising method, time-domain window function denoising method and Korotkoff-sound recognition method based on spectrum pattern matching designed in this paper played a significant role in depressing background noises and random intensive noises of Korotkoff-sound signal.The real-time extraction algorithm of effective feature reduced the amount of information storage.The combination between rough measurement of oscillograph method and precise measurement of Korotkoff-sound method ensured stability and accuracy of the measured value.Finally, blood pressure measurement experiments were carried out, and the new blood pressure measurement system was used to measure human blood pressure automatically.The measurement results were compared with the manual measurement method, the standard deviation of manual measurements was greater than the standard deviation of automatic measurements, which proved high accuracy of the system.

Korotkoff-sound method; Oscillographic method; Adaptive thresholding; Window function of timedomain; Background noises; Blood pressure measurement

R318.6

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.03.016

教育部產(chǎn)學(xué)合作專業(yè)綜合改革項目(20150107)；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金項目(2015YJ09)

胡欣宇，男，博士，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，研究方向為可穿戴健康監(jiān)護(hù)、物聯(lián)網(wǎng)；趙召龍，女，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，軟件工程大三學(xué)生；陳相福，男，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，軟件工程大三學(xué)生；王昕波，男，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，軟件工程大三學(xué)生。

本文著錄格式：胡欣宇，王昕波，趙召龍，等.基于柯氏音法與示波法結(jié)合的新型血壓測量系統(tǒng)[J].軟件，2017，38（3）：78-81