高刃奇, 楊 波, 童立云, 趙 旭, 李永紅

(1.成都信息工程學(xué)院物理場(chǎng)生物效應(yīng)及儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610225;2.眉山強(qiáng)制隔離戒毒所,四川眉山612160)

0 引言

完整的戒毒診斷評(píng)估系統(tǒng)要對(duì)生理、心理、認(rèn)知、行為、社會(huì)功能等方面進(jìn)行評(píng)價(jià),反映了戒毒者對(duì)毒品的防御力,即康復(fù)水平。其中心理評(píng)估是戒毒評(píng)估的難點(diǎn),要求由心理專業(yè)人員使用量表以保證評(píng)估的科學(xué)性與可靠性,并且要有對(duì)照組作為判斷依據(jù)。目前國(guó)內(nèi)外的戒毒人員的心理評(píng)估都是通過心理專業(yè)人員新型問卷評(píng)估調(diào)查進(jìn)行判斷的。傳統(tǒng)的藥物依賴、成癮評(píng)價(jià),一般是通過訪談、問卷的形式進(jìn)行調(diào)查,這種方法需要病人進(jìn)行積極地配合。對(duì)于強(qiáng)戒人員進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),無法確定被測(cè)試者回答問題的真實(shí)度。這就需要研究一種新的方法對(duì)強(qiáng)戒人員的戒毒水平做一個(gè)客觀公正的評(píng)估,盡可能降低戒毒人員回歸社會(huì)后復(fù)吸的可能性。

對(duì)戒毒人員生理參數(shù)的信息僅用于檢測(cè)其是否生理脫毒,并沒有考慮心理因素對(duì)生理參數(shù)的影響[1]。當(dāng)戒毒人員看到吸毒有關(guān)場(chǎng)景時(shí)[2-3],心理的變化必然會(huì)引起例如呼吸急促、心跳加快、血壓上升等生理變化[4]。其中血壓作為一項(xiàng)重要的人體生理指標(biāo),需要進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)。同時(shí)由于此種特殊的使用場(chǎng)合,要求盡量減少在檢測(cè)過程中對(duì)戒毒人員的干擾,并且能夠準(zhǔn)確判斷出血壓的微小波動(dòng),因此對(duì)血壓的自動(dòng)檢測(cè)進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)。

1 基礎(chǔ)電路實(shí)現(xiàn)

電子血壓計(jì)的實(shí)現(xiàn)思路是將袖帶中的氣壓信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再通過對(duì)電信號(hào)的處理計(jì)算得到最終的收縮壓與舒張壓。研究表明,此種方法得到的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可信[5-6]。

圖1 硬件原理框圖

設(shè)計(jì)思路如圖1所示,將血壓袖帶與氣泵、氣閥連接到一起,通過氣壓傳感器檢測(cè)其內(nèi)部的氣體壓力,再通過外接電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),由這個(gè)電壓信號(hào)反映袖帶內(nèi)的氣壓。其中氣泵與氣閥由單片機(jī)控制對(duì)袖帶進(jìn)行充氣、放氣。后端處理中,將電壓信號(hào)分為兩路:一路通過高通電路濾掉直流分量作為交流信號(hào);另一路不做處理,作為直流信號(hào)。交流信號(hào)代表袖帶中微小的壓力波動(dòng),當(dāng)血壓袖帶中的氣壓值在人體血壓的范圍內(nèi)時(shí)主要表現(xiàn)為脈搏波。直流信號(hào)沒有做任何處理,其代表的就是袖帶內(nèi)的氣壓值。將這兩路信號(hào)進(jìn)行同步A/D轉(zhuǎn)換后,就可根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出人體的收縮壓與舒張壓[7]。

實(shí)際制作中,將血壓袖帶連接到壓力傳感器US9111,即圖2中的CGQ1,壓力傳感器將氣壓信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)過AD620進(jìn)行小倍數(shù)差分放大后再經(jīng)過一級(jí)運(yùn)放UY2放大后便為所需的直流分量。為了防止后端A/D轉(zhuǎn)換中影響信號(hào)精度,直流分量輸出端添加一個(gè)電壓跟隨器保證UY2輸出端電壓穩(wěn)定。經(jīng)過前端放大后,要在電壓信號(hào)中提取出交流分量,首先經(jīng)過一級(jí)二階巴特沃斯高通濾波器,截止頻率為0.8Hz,濾除直流分量。由于信號(hào)中的交流分量較小,在高通濾波后需要經(jīng)過大比例放大才能夠清晰識(shí)別所需的脈搏波,所以在高通濾波模塊后添加后端放大模塊?？紤]到袖帶摩擦以及電路中引入的干擾因素,得到的交流分量中可能包含大量的高于脈搏波頻域的干擾,所以在交流分量輸出前通過二階巴特沃斯低通濾波器將這些干擾濾除,截止頻率為38Hz。由于后端的A/D轉(zhuǎn)換范圍為05V,為了防止負(fù)向電壓影響到A/D轉(zhuǎn)換電路,所以在交流分量輸出之前串聯(lián)一個(gè)二極管,以隔離負(fù)向電壓。ADC0與ADC1處分別連接A/D轉(zhuǎn)換電路并將結(jié)果傳入單片機(jī)進(jìn)行處理,計(jì)算血壓值。

圖2 硬件電路圖

信號(hào)處理過程中,高通濾波使用二階巴特沃斯高通濾波,高通濾波器的傳遞函數(shù)為:

取二階巴特沃斯網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的系數(shù) a11=1.414,截止角頻率 ωc=0.8×2π,取 C1=C2=0.1μ F。則:

在對(duì)交流信號(hào)的處理中,低通濾波使用二階巴特沃斯低通濾波,低通濾波器的傳遞函數(shù)為:

取二階巴特沃斯網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的系數(shù) a11=1.414,截止角頻率 ωc=38×2π,取 C3=C4=0.1μ F。則:

2 軟件流程

2.1 放氣方式

目前的電子血壓計(jì)計(jì)算血壓的方法主要是根據(jù)平均壓推算收縮壓與舒張壓。其過程是記錄袖帶放氣過程中的脈搏波峰值。脈搏波隨著袖帶放氣的變化過程是從沒有到出現(xiàn),峰值逐漸上升,再帶到平均壓時(shí)達(dá)到最高值,然后峰值逐漸下降,直至消失。其收縮壓與舒張壓的取值,根據(jù)平均壓處脈搏波峰值的50%～90%[8],在平均壓前后分別尋找與此數(shù)值最接近的脈搏波峰值,此峰值處的袖帶壓力值便為被測(cè)者的收縮壓或舒張壓。

在放氣過程中放氣速度越慢,采集到的脈搏波數(shù)量就越多,根據(jù)結(jié)果計(jì)算出的血壓值就越準(zhǔn)確?？墒怯捎陂L(zhǎng)時(shí)間壓迫血管對(duì)病人身體不利,這就需要考慮優(yōu)化放氣過程和對(duì)脈搏波的判斷來提高精度,此過程中嘗試了勻速放氣和階梯放氣[9]。

2.1.1 勻速放氣

在整個(gè)放氣過程中,袖帶中的氣壓是勻速下降的,同時(shí)記錄脈搏波峰值。

圖3 勻速放氣直流信號(hào)

圖4 勻速放氣交流信號(hào)

這種放氣方法檢測(cè)較快,但是由于脈搏波的頻率與人心跳速度相關(guān),若放氣過快會(huì)導(dǎo)致采集到的脈搏波過少,導(dǎo)致脈搏波峰值波動(dòng)較大,算出的收縮壓與舒張壓可能誤差較大。

2.1.2 階梯放氣

在放氣過程中,每放4～5mm汞柱的氣壓便進(jìn)行停頓[10],等檢測(cè)到1～3個(gè)脈搏波后再繼續(xù)放氣,重復(fù)這個(gè)過程,直至脈搏波過小。

圖5 階梯放氣直流信號(hào)

圖6 階梯放氣交流信號(hào)

此種方法每下降一個(gè)階段時(shí),便會(huì)停止等待脈搏波,可以看到每個(gè)存在脈搏波的階段均存在2個(gè)脈搏波,并且其脈搏波的峰值近似,對(duì)這兩個(gè)值取平均作為此袖帶壓力時(shí)的脈搏波峰值,此種方法可以提高脈搏波峰值精度。但由于此種方法在每個(gè)階段都要等候脈搏波,所以檢測(cè)速度較慢,更適合需要提高精度的場(chǎng)合。

2.1.3 放氣方式對(duì)測(cè)量精度的影響

在研制過程中,分別實(shí)現(xiàn)了兩種放氣方式并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方式是選取5名被測(cè)者,先使用同一種放氣方式測(cè)量他們靜息狀態(tài)下的血壓并記錄數(shù)據(jù),檢測(cè)完休息3分鐘再進(jìn)行重復(fù)測(cè)量,反復(fù)檢測(cè)10次。再使用另一種放氣方式進(jìn)行同樣的檢測(cè)。對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,計(jì)算每名被測(cè)者的血壓數(shù)據(jù)的方差。方差越低證明檢測(cè)越準(zhǔn)確。使用平均放氣方式的一組數(shù)據(jù)的平均方差為62.3,而使用階梯放氣方式的一組數(shù)據(jù)的平均方差為40.2。實(shí)驗(yàn)證明使用階梯放氣的方式能夠得到更準(zhǔn)確的血壓值。

2.2 單片機(jī)控制過程

由于設(shè)計(jì)要求檢測(cè)精度較高,實(shí)時(shí)性要求略低,這里使用了階梯放氣的方法。具體實(shí)現(xiàn)為單片機(jī)通過兩個(gè)I/O口,經(jīng)三極管分別控制一個(gè)12V供電的氣泵和氣閥。單片機(jī)同時(shí)獲取直流信號(hào)、交流信號(hào)的A/D采樣結(jié)果,并對(duì)氣泵、氣閥進(jìn)行控制,具體流程如圖7所示。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 干擾因素

3.1.1 電路干擾

由于將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),在電信號(hào)的處理過程中,可能會(huì)出現(xiàn)一些干擾。脈搏波所處的頻域在38Hz以下,而電路中產(chǎn)生的干擾通常均高于此頻域,其中最明顯的干擾是50Hz工頻干擾。在直流信號(hào)部分,干擾的影響并不明顯,但在交流信號(hào)部分,由于信號(hào)經(jīng)過高通濾波后又進(jìn)行了高倍放大,其中一定會(huì)包含大量的干擾,雖然不會(huì)導(dǎo)致脈搏波無法識(shí)別,但有可能影響識(shí)別的精度。所以對(duì)于這部分干擾要通過低通電路或者進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后使用FIR濾波器進(jìn)行濾波處理,以求得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。

3.1.2 壓力干擾

電子血壓計(jì)檢測(cè)脈搏波是依靠脈搏引起的袖帶內(nèi)氣壓波動(dòng),這種波動(dòng)很微小,所以電路對(duì)袖帶內(nèi)的壓力波動(dòng)很敏感[11]。手臂的移動(dòng)、擠壓,對(duì)袖帶的碰撞都會(huì)干擾到對(duì)脈搏波的采集。但這種外界因素對(duì)交流信號(hào)的影響遠(yuǎn)超脈搏波,所以可以通過這個(gè)特點(diǎn)將干擾分離。當(dāng)檢測(cè)到這些巨大波動(dòng)時(shí),便將這部分采集的交流信號(hào)峰值放棄掉,以保證采集到的交流信號(hào)峰值都是由脈搏波引發(fā)的。這樣也可有效提高運(yùn)算得出的血壓值精度。

圖7 血壓檢測(cè)流程圖

3.2 血壓算法

首先,將采樣到的直流信號(hào)與交流信號(hào)以函數(shù)形式表示為 VD[t]、VA[t],其中t代表時(shí)間。VD[t]代表的直流分量受到干擾的程度較小,不用對(duì)其進(jìn)行處理。而交流分量 VA[t]需要進(jìn)行去噪處理。交流信號(hào)經(jīng)過了放大濾波多級(jí)模擬信號(hào)處理過程,會(huì)被引入50Hz工頻干擾等雜波,并且突然的放氣與停止也會(huì)一起交流分量上的脈沖,這些干擾在頻域上與脈搏波有很大區(qū)別,可以通過FIR濾波將干擾信號(hào)濾除。使用的濾波器參數(shù)為h[0]=0.00582286;h[1]=0.05714910;h[2]=0.05714910;h[3]=0.00582286。處理結(jié)果為-τ]h[τ],由此得到一個(gè)沒有高頻干擾的交流信號(hào)。得到的信號(hào) VAO[t]中,包含了整個(gè)測(cè)量過程中的全部脈搏波,并且與 VD[t]同步。

第二步是對(duì) VAO[t]進(jìn)行分析。首先要去除人為干擾,脈搏波中可能存在由于外界擠壓血壓袖帶產(chǎn)生的較大峰值,這些峰值遠(yuǎn)大于脈搏波,可以通過閾值法排除。然后使用斜率法尋找交流分量中所有極大值,即脈搏波峰值[12]。找到的峰值按照時(shí)間順序放入t[n],則將 VAO[t[n]]的值依次存入數(shù)組AC[n]中,并將 VD[t[n]]的值依次存入數(shù)組DC[n]中,AC[n]與DC[n]中的值一一對(duì)應(yīng)。

最后便通過 AC[n]與DC[n]計(jì)算收縮壓與舒張壓。首先尋找 AC[n]中的最大值A(chǔ)CMAX,假設(shè) ACMAX=AC[n0],則DC[n0]為被測(cè)者的平均壓。設(shè)定0.55ACMAX與0.85ACMAX為收縮壓與舒張壓的門限值[13],在AC[n]中 n＜n0的部分尋找與0.55ACMAX最接近的值 AC[n1],在 AC[n]中 n＞n0的部分尋找與0.85ACMAX最接近的值A(chǔ)C[n2]。則DC[n1]為被測(cè)者的收縮壓,DC[n2]為被測(cè)者的舒張壓。

4 結(jié)束語

設(shè)備研制完成后在眉山強(qiáng)制隔離戒毒所對(duì)40名戒毒人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。40人中20人為A組,均為新進(jìn)戒毒所人員;另20人為B組,均已在戒毒所內(nèi)強(qiáng)制戒毒18個(gè)月。實(shí)驗(yàn)過程中給戒毒人員播放一段20分鐘的視頻,前10分鐘為風(fēng)景視頻,后10分鐘為吸毒場(chǎng)景視頻,全程每隔2分鐘自動(dòng)檢測(cè)一次血壓,觀察其血壓變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示A組血壓波動(dòng)超過5%以上人數(shù)占實(shí)驗(yàn)組總?cè)藬?shù)的85%,B組血壓波動(dòng)超過5%以上人數(shù)占實(shí)驗(yàn)組總?cè)藬?shù)的60%。

由測(cè)試結(jié)果可以看出大部分新進(jìn)戒毒所人員在觀看吸毒場(chǎng)景視頻時(shí)血壓都有不同程度的上升,而從已進(jìn)入戒毒所戒毒18個(gè)月人員的血壓波動(dòng)分布來看,其波動(dòng)比例明顯下降,向無明顯波動(dòng)方向集中。誘發(fā)成癮性戒毒療效測(cè)評(píng)系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化時(shí)間與理論相符,驗(yàn)證了設(shè)備的正確性與實(shí)用性。同時(shí)血壓參數(shù)是可以作為戒毒測(cè)評(píng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明一段時(shí)間的強(qiáng)制隔離戒毒可以提升戒毒患者對(duì)毒品的抵制能力。但是,強(qiáng)制隔離戒毒是完全隔離社會(huì)的戒毒模式,如何使患者從戒毒所平穩(wěn)過度到社會(huì),需要政府、強(qiáng)制隔離戒毒所和其它戒毒單位統(tǒng)籌協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)境的無縫對(duì)接,從而鞏固治療效果,減小復(fù)吸率。

[1] 宋志一,朱海燕,殷素梅,等.192名吸毒人員的人格特征及其類型研究[J].中國(guó)臨床心理學(xué)雜志,2002,(3).

[2] 張肖麗,趙勵(lì)彥,孫麗麗,等.藥物相關(guān)環(huán)境線索對(duì)戒斷不同時(shí)間海洛因依賴者沖動(dòng)性選擇的影響[J].中國(guó)藥物依賴性雜志,2009,(4).

[3] 范成路,趙敏,杜江,等.海洛因依賴者環(huán)境線索誘發(fā)渴求的影響因素分析[J].中國(guó)神經(jīng)精神疾病雜志,2009,(10).

[4] 范成路,趙敏,杜江,等.戒斷期海洛因依賴者對(duì)吸毒相關(guān)環(huán)境線索的生理反應(yīng)[J].中國(guó)藥物依賴性雜志,2009,(2).

[5] 周訓(xùn)平,湯勇,周厚秀,等.汞柱式血壓計(jì)和帶袖套式電子血壓計(jì)測(cè)量血壓的差異性分析[J].局解手術(shù)學(xué)雜志,2009,(3).

[6] 吳萍,楊超,陽建瑩,等.水銀血壓計(jì)與電子血壓計(jì)測(cè)量人體肱動(dòng)脈血壓和犬股動(dòng)脈血壓值的比較[J].護(hù)理學(xué)報(bào),2011,(24).

[7] 李剛,王宏,林凌.一種基于SoC的高精度電子血壓檢測(cè)儀[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007,(2).

[8] 彭毅,于愛婧,韓璽梅,等.電子血壓計(jì)及監(jiān)護(hù)儀中血壓檢測(cè)不準(zhǔn)確原因的探討[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2009,(2).

[9] 樊海濤,葉學(xué)松,段會(huì)龍.無創(chuàng)血壓檢測(cè)技術(shù)[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息,2004,(5).

[10] 黃力宇,程敬之,鞠烽熾,等.基于單片機(jī)的血壓監(jiān)護(hù)儀的研制[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2002,(4).

[11] 張政波,吳太虎.無創(chuàng)血壓測(cè)量技術(shù)與進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2003,(3).

[12] 羅志昌,張松,楊文鳴,等.脈搏波波形特征信息的研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996,(1).

[13] 何慶華,吳寶明,廖維宏,等.振動(dòng)法血壓測(cè)量中血壓的判定方法[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,1998,(4).