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        基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高準(zhǔn)確度的血壓測量系統(tǒng)研究

        2011-01-26 07:43:32張瑋奇
        中國醫(yī)療器械雜志 2011年4期
        關(guān)鍵詞:袖帶血壓計(jì)準(zhǔn)確度

        【作 者】張瑋奇

        上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海,200240

        血壓值是高血壓診斷和療效評價(jià)的主要指標(biāo)。無論是在醫(yī)院還是在家庭,目前最常用的是無創(chuàng)血壓測量。按中國高血壓防治指南(2009年版)的建議,測量血壓應(yīng)使用合格的水銀柱血壓計(jì)或符合國際標(biāo)準(zhǔn)的上臂式電子血壓計(jì)。這兩種方式都能夠及時(shí)地監(jiān)測血壓,對了解病情、指導(dǎo)心血管疾病的治療具有重要意義[1]。但是,由于水銀血壓計(jì)會帶來汞污染,且用其測量血壓具有一定的主觀性,因此電子血壓計(jì)代替水銀血壓計(jì)已經(jīng)是必然的趨勢。隨之而來的是如何提高電子血壓計(jì)血壓測量模塊的準(zhǔn)確度,成為技術(shù)工程人員的一個(gè)新課題。本文將對現(xiàn)有的利用示波法原理判別血壓的方法,以及影響血壓測量精度的各種因素進(jìn)行分析,提出應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高電子血壓計(jì)測量準(zhǔn)確度的研究思路和仿真驗(yàn)證。

        1 示波法測量血壓的原理

        電子血壓計(jì)(electronic blood pressure monitor)根據(jù)判別原理的不同,可分為示波法(oscillometric)、容積法(volume compensation method)、張力法(tonometry)和脈搏傳輸速率法(PWV or PTT method)等。但是,除了示波法外,其他方法或者需要昂貴設(shè)備,或者操作復(fù)雜,或者可能對被測者造成傷害,限制了其使用的范圍,不利于開展大規(guī)模的普及。唯有示波法,由于測量時(shí)間短,受醫(yī)務(wù)人員經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)和外界干擾的影響小,所以被廣泛應(yīng)用。

        示波法,也稱振動法或測振法,是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的血壓測量新方法。此方法需要用袖帶阻斷動脈血流,在放氣過程中,檢測袖帶內(nèi)氣體的振蕩波[2]。這些振蕩波起源于血管壁的搏動,理論計(jì)算和臨床實(shí)驗(yàn)均證明,振蕩波與動脈收縮壓、舒張壓存在一定的關(guān)系。其具體測量過程就是,當(dāng)綁在手臂上的袖帶壓力比血管收縮壓高出約30至40 mmHg時(shí),血管被阻斷。隨著袖帶壓力的下降,血管由阻斷變導(dǎo)通,這一過程就會在袖帶中產(chǎn)生一系列的小脈沖—壓脈波。把這些壓脈波拾取出來,將其峰值連成曲線,得出包絡(luò)線。根據(jù)包絡(luò)線的形狀,找出相應(yīng)的特征點(diǎn)(特征法),或者利用與壓脈波最大幅值的比例關(guān)系(幅值法)判別出收縮壓SYS和舒張壓DIA(俗稱的高壓值和低壓值)[3]。壓脈波波形和包絡(luò)線如圖1所示。

        圖1 示波法實(shí)測圖Fig.1 Survey map of oscillometric

        從產(chǎn)品組成,工作原理和實(shí)際使用來看,決定示波法電子血壓計(jì)準(zhǔn)確度有三個(gè)方面:壓力檢測的精度、血壓算出精度和實(shí)用上的誤差。壓力檢測精度(血壓計(jì)的靜態(tài)誤差)主要取決于壓力傳感器的精度、血壓計(jì)壓力回路中的系統(tǒng)誤差。目前所有的生產(chǎn)廠家都能將這一指標(biāo)控制在±3 mmHg之內(nèi)[4]、[5]。血壓算出精度(血壓計(jì)的動態(tài)誤差),主要是通過采集大量的臨床數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理,擬合一個(gè)相對準(zhǔn)確的計(jì)算公式。測量時(shí),通過采樣取得包絡(luò)線,計(jì)算出每次測量的收縮壓和舒張壓。作為核心技術(shù),每個(gè)廠家的計(jì)算公式都有所不同。實(shí)用上的誤差,包括測量姿勢對最終結(jié)果的影響,外部環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響,以及生理特征對測量結(jié)果的影響。以上三個(gè)方面決定了電子血壓計(jì)的準(zhǔn)確度,特別是血壓算出精度和實(shí)用上的誤差,成為提高血壓計(jì)準(zhǔn)確度的方向。

        2 提出的方法以及訓(xùn)練與仿真軟件的選用

        血壓算出精度因臨床統(tǒng)計(jì)得到的特征系數(shù)由于被測對象的個(gè)體差異性大,因此個(gè)體誤差大,如年齡[6]、性別[7]、心率、動脈彈性、上臂組織系統(tǒng)的彈性等個(gè)體差異因素,都會影響到最終的測量值。而測量姿勢,比如左右臂[8、9]、袖帶佩戴松緊度[10]等,不僅對于示波法,就是對于聽診法,也是影響測量結(jié)果的因素。上述因素之間沒有太多的必然聯(lián)系,而且大多數(shù)因素與血壓測量的最終結(jié)果也不是呈線性的關(guān)系,所以可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非常適合描述具有黑箱性質(zhì)和非線性對象的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)想將確定計(jì)算血壓值的函數(shù)關(guān)系式的問題視為黑箱,影響血壓測量最終結(jié)果的各種因素作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,而把要確定的函數(shù)關(guān)系作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出,建立起計(jì)算血壓值的函數(shù)關(guān)系式的模型,通過足夠的臨床數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),來描述確定計(jì)算血壓值的函數(shù)關(guān)系式。而整個(gè)血壓計(jì),可以追加人機(jī)界面,并將通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的關(guān)系式作為知識庫,組成一個(gè)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的血壓測量系統(tǒng),這樣的系統(tǒng)可以提高血壓測量的準(zhǔn)確度。

        神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),非常適合人體血壓測量系統(tǒng)。首先,上述影響血壓測量精度的各因素皆為相互獨(dú)立、并行分布的;其次,各因素和測量結(jié)果是非線性關(guān)系的;再者,可以通過不同人群的血壓測量結(jié)果,當(dāng)然這些測量的方式可以是最直接的有創(chuàng)法或者聽診法,來訓(xùn)練整個(gè)網(wǎng)絡(luò);最后,對于個(gè)別特殊人體的測量數(shù)據(jù),當(dāng)訓(xùn)練樣本達(dá)到一定數(shù)量,可以不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

        本文通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的BP算法來訓(xùn)練整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP算法是一種采用最小均方差學(xué)習(xí)方式的多層前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法,其按照誤差均方差最小這一規(guī)則,由輸出層向隱蔽層逐層向后修正連接權(quán)值。在訓(xùn)練樣本輸入過程中,訓(xùn)練者觀察多層前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果是否正確,如果正確,那么就加強(qiáng)產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果的權(quán)值,反之則降低該權(quán)值。BP網(wǎng)絡(luò)具有通過學(xué)習(xí)逼近任意非線性影射的能力,將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的建模與辨識,可以不受非線性模型的限制,易于實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)算法[11]。

        同時(shí),MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱是MATLAB高性能可視化數(shù)值計(jì)算軟件的組成部分。它主要針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì),提供了大量可供直接調(diào)用的工具箱函數(shù)、圖形用戶界面和Simulink仿真工具,是進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的絕佳工具[12]。本文的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、訓(xùn)練與仿真將使用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱來進(jìn)行。

        3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高準(zhǔn)確度的血壓測量系統(tǒng)的建立及驗(yàn)證

        由上文可知,血壓測量的結(jié)果是否準(zhǔn)確,歸結(jié)于血壓計(jì)的算法以及實(shí)際的誤差。而人體的個(gè)體差異是造成血壓計(jì)算法和個(gè)體不匹配的根本;測量的姿勢是引起實(shí)際誤差的原因。查找相關(guān)學(xué)術(shù)論文以及臨床資料,可以將個(gè)體差異和測量姿勢歸納為如下的影響血壓計(jì)測量結(jié)果的關(guān)聯(lián)因子:

        (1) 年齡(ISO81060-2:2009中,血壓計(jì)臨床驗(yàn)證人群選擇要求規(guī)定)[13];

        (2) 性別(ISO81060-2:2009中,血壓計(jì)臨床驗(yàn)證人群選擇要求規(guī)定)[13];

        (3) 左右臂(右臂比左臂血壓高);

        (4) 心跳次數(shù)(心跳次數(shù)的快慢影響到采樣的頻率);

        (5) 手臂臂圍(血壓計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求袖帶寬度比肢體直徑需大20%,袖帶過寬血壓值偏低,并在ISO81060-2:2009中血壓計(jì)臨床驗(yàn)證人群選擇要求中規(guī)定)[13];

        (6) 袖帶松緊度(袖帶過緊,血管未注氣前已受壓,血壓值偏低);

        (7) 血管軟硬度/動脈管壁彈性(對壓脈波采集的影響);

        (8) 皮下脂肪率(對壓脈波采集的影響);

        (9) 血管容積/心輸出量(對壓脈波采集的影響)。

        整個(gè)血壓測量系統(tǒng)可以以現(xiàn)有的電子血壓計(jì)為原型機(jī),追加人機(jī)界面,并將訓(xùn)練過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)固化于數(shù)據(jù)處理程序中。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

        圖2 提高準(zhǔn)確度的血壓測量系統(tǒng)的框圖Fig.2 Block diagram of blood pressure system which can raise the accuracy

        以醫(yī)院的住院或者外來病人的實(shí)際測量結(jié)果作為樣本來源,對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。9個(gè)關(guān)聯(lián)因子作為輸入向量,電子血壓計(jì)的測量結(jié)果和聽診法的結(jié)果的差值作為目標(biāo)向量。(如圖3)

        圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure drawing of BP network

        上圖中P1~P9表示影響示波法測量結(jié)果的關(guān)聯(lián)因子,其中,年齡、性別、左右臂、手臂臂圍需要由人機(jī)界面輸入;心跳次數(shù)由原型機(jī)自帶的心跳測量得到;袖帶松緊度可通過袖帶的預(yù)充氣壓力來判斷;而對于血管軟硬度/動脈管壁彈性、皮下脂肪率、血管容積/心輸出量,則可以通過其它的設(shè)備測得。本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中,動脈管壁彈性使用PWV定量值;皮下脂肪率由MRI評價(jià);血管容積/心輸出量以電阻法測得的值作為參考。

        作為血壓測量系統(tǒng)的核心部分—基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理模塊,可以應(yīng)用MATLAB工具箱中newff函數(shù)來生成BP網(wǎng)絡(luò),并固化到系統(tǒng)中。軟件的基本程序如下:

        % NEWFF 生成一個(gè)新的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);

        % 定義訓(xùn)練樣本;

        % P為輸入矢量;

        % T為目標(biāo)矢量;

        % 創(chuàng)建一個(gè)新的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);

        % 設(shè)置當(dāng)前輸入層權(quán)值和閾值;

        % 設(shè)置當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)層權(quán)值和閾值;

        % 設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)(訓(xùn)練步數(shù)、顯示間隔步數(shù)、訓(xùn)練目標(biāo)誤差、訓(xùn)練中最小允許梯度值)

        % 調(diào)用 TRAINGDM 算法訓(xùn)練 BP 網(wǎng)絡(luò)。

        訓(xùn)練完成后,在MATLAB軟件中可以采用sim函數(shù)進(jìn)行仿真。按訓(xùn)練樣本的要求采集任意一組數(shù)據(jù),利用仿真函數(shù)來獲得網(wǎng)絡(luò)的輸出,檢查輸出和實(shí)際測量值之間的誤差是否滿足要求。

        新構(gòu)建的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高準(zhǔn)確度的血壓測量系統(tǒng),其測量的步驟如圖4所示。

        圖4 提高準(zhǔn)確度的血壓測量系統(tǒng)的測量流程Fig.4 Measure process of blood pressure system which can raise the accuracy

        列舉以下一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),說明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練(見表1)。

        表1 進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的經(jīng)過歸一化處理的數(shù)據(jù)Tab.1 Normalized NN training data

        輸入矩陣P={年齡,性別,左右,心率次數(shù),手臂周長,袖帶松緊度,血管軟硬度,皮下脂肪率,血管容積}

        輸出矩陣T1={SBP差值}和T2={DBP差值}

        為了加快訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的收斂性,可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

        圖5是某一次的訓(xùn)練的結(jié)果,可以看到在第892步,其誤差為0.97*10-3,達(dá)到預(yù)先設(shè)定的精確度。

        圖5 某一次訓(xùn)練的結(jié)果Fig.5 A result of a certain training

        4 結(jié)論

        基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高準(zhǔn)確度的血壓測量系統(tǒng)對非線性多變量在不設(shè)前提條件的情況下進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析,同傳統(tǒng)由臨床統(tǒng)計(jì)而得出的血壓算法相比有其自身的優(yōu)點(diǎn)。盡管該系統(tǒng)仍處于“黑箱”階段,將若干個(gè)變量輸入后得到相應(yīng)的結(jié)果,這期間的過程及其臨床意義仍然有待完善與闡明,同時(shí),作為一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的血壓值判定方法,其權(quán)重系數(shù)的檢驗(yàn)及其可信區(qū)間計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的最佳原則、隱蔽層層數(shù)的選擇以及其具體臨床意義的解釋都有待進(jìn)一步的研究。但是可以認(rèn)為,隨著人體特征研究的深入,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高準(zhǔn)確度的血壓測量系統(tǒng),通過追加更多地影響因素作為輸入以及不斷的樣本訓(xùn)練,必將得到臨床工作者的認(rèn)同和肯定。

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