王 茜，楊連初，褚志宏，劉 凡，任學(xué)剛

（湖南中醫(yī)藥大學(xué) 管理與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

心血管系統(tǒng)疾病是當(dāng)今社會(huì)危害人類健康和生命的“頭號(hào)殺手”。血管硬化度、心功能、血液流變性是心血管系統(tǒng)功能狀態(tài)的3大要素。而血管壁結(jié)構(gòu)和功能的異常是心腦血管疾病及急性心腦血管事件發(fā)病的根本原因。

踝臂指數(shù)（ankle brachial index，ABI）是踝部收縮壓與臂部收縮壓的比值，它是檢測(cè)下肢血管病變的一種無創(chuàng)的、定量的方法[1]。踝臂指數(shù)對(duì)慢性腎功能不全者、心腦血管病的預(yù)測(cè)和下肢動(dòng)脈硬化的篩查也有重要的測(cè)量?jī)r(jià)值[2-3]。因此，踝部收縮壓測(cè)量的準(zhǔn)確性必然影響到踝臂指數(shù)值的準(zhǔn)確性，從而影響對(duì)人體下肢動(dòng)脈病變情況的判斷。

常規(guī)的踝部收縮壓檢測(cè)原理是通過密切注意放氣過程中測(cè)壓計(jì)讀數(shù)和血流恢復(fù)時(shí)的第一聲，第一聲對(duì)應(yīng)的壓力讀數(shù)即為動(dòng)脈的收縮壓，此方法沒有擺脫傳統(tǒng)聽診器的觀念，受個(gè)體的主觀影響大，不夠方便準(zhǔn)確。光電容積脈搏波描記法 （Photo Plethysmo Graphy，PPG）是一種運(yùn)用光電技術(shù)在活體組織中監(jiān)測(cè)血容積變化的無創(chuàng)監(jiān)測(cè)方法[4]，具有操作簡(jiǎn)便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。因此，該文提出了?yīng)用光電容積傳感器袖帶測(cè)量踝部收縮壓。

1 光電容積傳感器測(cè)量動(dòng)脈搏動(dòng)信號(hào)的原理

脈搏波幅值包含有血壓信息，其波形變化則包含有動(dòng)脈硬化的重要信息。當(dāng)血管狀態(tài)變化時(shí)，脈搏波的形態(tài)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。由于踝部收縮壓的大小直接影響腳趾處的脈搏波波信號(hào)，所以采用利用腳趾處的光電容積脈搏波來分析踝部收縮壓的判別方法。

光電容積脈搏波描記法是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉及方便實(shí)用的光電信號(hào)測(cè)量與分析技術(shù)，用于探測(cè)和描記外周微小血管的血液容積變化過程[5]。其原理是發(fā)射一定波長(zhǎng)的光束照射到皮膚表面，通過透射或反射方式傳到光電接收器，由于組織和血液的反射、吸收等作用，探測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)度會(huì)減弱[6]。在心臟周期性搏動(dòng)時(shí)，皮膚、肌肉等組織對(duì)光的吸收是恒定不變的，而血管內(nèi)血容量呈搏動(dòng)性變化，心臟收縮時(shí)外周血管血容量增大，光吸收量增加，探測(cè)的光強(qiáng)度變小，反之亦然。因此光電探測(cè)器接收到的光電強(qiáng)度會(huì)隨檢測(cè)部位血容量的改變呈搏動(dòng)性變化。這些改變以電信號(hào)的形式放大并記錄為電壓信號(hào)，稱之為光電容積脈搏波。

具體的，由于人體腳趾末端微血管床隨著動(dòng)脈搏動(dòng)而發(fā)生血管容積的變化，透過腳趾的光強(qiáng)或經(jīng)血管內(nèi)血液反射回來的光強(qiáng)也隨之變化，利用光敏器件可測(cè)出這種隨血管容積的變化而變化的光強(qiáng)信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，即獲得趾端光電容積脈搏波信號(hào)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合袖帶加壓裝置和光電容積傳感器，用腳趾端的光電容積脈搏信號(hào)作為血流標(biāo)識(shí)，指示氣袖內(nèi)壓是否等于收縮壓，最終達(dá)到測(cè)量踝部收縮壓的目的。整體測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of the wholemeasurement system

工作原理：將氣袖緊敷在踝部，利用充氣裝置對(duì)氣袖充氣，使其壓力達(dá)到大于收縮壓至少25 mmHg，這時(shí)氣袖緊壓踝部的血管，使血液停止流動(dòng)。然后使氣袖以均勻的速度放氣。與此同時(shí)，氣體壓力傳感器保持不間斷測(cè)量氣袖中的壓力。光電容積傳感器對(duì)準(zhǔn)套于腳趾的血管上，檢測(cè)血流狀態(tài)。利用光敏元件可測(cè)出這種隨血管容積的變化而變化的光強(qiáng)信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，即獲得趾端容積脈搏波信號(hào)。當(dāng)壓力大于收縮壓時(shí)，血液因血管受壓迫而停止流動(dòng)，光電容積傳感器檢測(cè)不到脈搏信號(hào)；壓力繼續(xù)下降，當(dāng)達(dá)到收縮壓時(shí)，血液開始斷續(xù)流動(dòng)，光電容積傳感器測(cè)出脈搏信號(hào)，對(duì)比分析這兩個(gè)波形信號(hào)，可求得收縮壓。

2.1 袖帶加壓裝置模塊

袖帶加壓裝置要選擇精密度較高的氣體壓力傳感器來獲得準(zhǔn)確的壓力波形信號(hào)以反映踝部收縮壓的變化情況。采用Sensym公司ASDX005D44R氣體壓力傳感器。內(nèi)置精密的專用集成電路（ASIC），出廠己經(jīng)全面校準(zhǔn)并具有溫度補(bǔ)償功能，可應(yīng)用于醫(yī)療器械領(lǐng)域。主要參數(shù)指標(biāo)為：測(cè)壓范圍為0～5PSI（0－258.75mmHg），滿足人體收縮壓的測(cè)量范圍；輸出線性范圍為 0.5～4.5 V；輸出精度 0.8V/PSI；單一 5 V 供電；差壓型；DIP封裝。袖帶裝置中傳感器電路的連接圖如圖2所示，其中VS、Vout、GND三端采用一根屏蔽線，以減小干擾信號(hào)的引入。

圖2 袖帶裝置氣體壓力傳感器電路圖Fig.2 The circuit diagram of cuff device for gas pressure sensor

2.2 光電容積傳感器模塊

光電容積傳感器模塊主要由光源、光敏器件，以及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理控制電路構(gòu)成。為了充分利用器件的效果，光源和光敏器件的選擇是綜合考慮的，光源的波長(zhǎng)應(yīng)該落在光敏器件檢測(cè)靈敏度較高的波段內(nèi)。

在此采用血氧飽和探頭中的940 nm紅外管和光敏管組成的光電傳感器測(cè)量趾端的脈搏波信號(hào)。具體的，血氧飽和探頭的上壁固定了兩個(gè)并列放置的發(fā)光二極管，660 nm紅光二極管和940 nm紅外光二極管，發(fā)出波長(zhǎng)為660 nm的紅光和940 nm的紅外光。這兩個(gè)波長(zhǎng)的光電二極管對(duì)于血紅蛋白變化的靈敏度最大。下壁有一個(gè)光電探測(cè)器，是采用PIN型的光敏二極管，其特點(diǎn)是接收面積大、靈敏度高、暗電流小、噪聲低。考慮實(shí)際應(yīng)用中，940 nm波長(zhǎng)的紅外光，血紅蛋自的光吸收率比較低，那么反射手指的光強(qiáng)度較大，有利于光敏器件的接收，因此，發(fā)射光源的波長(zhǎng)選擇為光強(qiáng)合適的940 nm的紅外光。

發(fā)光二極管發(fā)出的940 nm的紅外光照射到血管上，光敏器件將脈動(dòng)的光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的電信號(hào)，在信號(hào)調(diào)理電路中將交流分量與直流分量相互分離，從而得到光電容積脈搏波信號(hào)。血管不受壓力時(shí)，血流均勻，反射光也比較均勻，故傳感器無脈搏信號(hào)輸出；當(dāng)血管受壓血液不流動(dòng)時(shí)，傳感器也無輸出信號(hào)；只有當(dāng)血管受到擠壓，血管中的血液斷續(xù)流動(dòng)時(shí)，反射光也隨之變化，這時(shí)傳感器輸出脈搏信號(hào)，達(dá)到了測(cè)量脈搏的作用。

血氧飽和探頭采集到的趾端脈搏波信號(hào)為直流和交流疊加的混合電壓信號(hào)，其中僅交流分量中包含了脈搏信息。信號(hào)調(diào)理控制電路是先要濾除疊加的直流分量信號(hào)，再對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)人體脈搏波信號(hào)非常微弱（幾毫伏到十幾毫伏），而且頻率較低，容易受工頻干擾。因此在信號(hào)調(diào)理電路中設(shè)計(jì)了三級(jí)濾波放大電路如圖3所示，經(jīng)過處理后，可輸出較為理想的脈搏波信號(hào)。

圖3 三級(jí)濾波放大電路原理圖Fig.3 The principle diagram of Three level filtering amplifying circuit

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

受試者為一健康男性，25歲，無心血管病史。每次測(cè)量采樣時(shí)，受試者保持情緒平穩(wěn)，心情放松，平躺姿勢(shì)，使腳趾處的血管與心臟盡量在同一水平位置，使用第二根腳趾以方便測(cè)量。

將采集到的波形數(shù)據(jù)在Matlab中顯示如圖4所示。實(shí)線表示趾端脈搏波波形，虛線表示袖帶壓力裝置加壓后均勻放氣后的壓力曲線波形。從圖中可以看出當(dāng)袖帶壓力大于踝部收縮壓后，血管阻斷。顯示在脈搏波波形就是圖中平坦的部分，但是該段的噪聲為0.3 v左右，使得對(duì)血流開始流通的突變點(diǎn)的判斷產(chǎn)生了困難。

圖4 變化的波形圖Fig.4 The variation ofwaveform

為了更好的判斷突變點(diǎn)，消除噪聲的影響，采用三點(diǎn)平均法對(duì)脈搏波波形進(jìn)行處理，處理后的波形如圖5所示。處理的matlab程序?yàn)椋?/p>

圖5 三點(diǎn)平均濾波后的波形Fig.5 The waveform of Three point average filtered

%y變量保存待平滑的波形數(shù)據(jù)for z=1:20

ifmod（z，2）==0

for x=2:2499 y（x）=[y（x-1）+y（x+1）]./2；

end else

for x=2499:-1:2 y（x）=[y（x-1）+y（x+1）]./2；

end

end

end

將多次測(cè)量的結(jié)果記錄下來，如表1所示。根據(jù)國際規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（90-180mmHg），踝部收縮壓的數(shù)值在準(zhǔn)確的測(cè)量范圍內(nèi)。測(cè)量踝部收縮壓的目的是為了確定踝臂指數(shù)的數(shù)值，從而反映人體下肢的健康狀況。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的踝部收縮壓檢測(cè)方法主觀性強(qiáng)、可操作性低和精確度低，本測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合袖帶加壓裝置的設(shè)計(jì)和光電容積傳感器的制作，用趾端的光電容積脈搏信號(hào)作為血流指示，指示氣袖內(nèi)壓是否等于收縮壓，最終達(dá)到測(cè)量踝部收縮壓的目的。本系統(tǒng)無創(chuàng)無損、操作簡(jiǎn)便、檢查迅速、易于掌握。光電容積傳感器反應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，同時(shí)精度高、分辨力高、可靠性好；對(duì)檢測(cè)位置要求并不嚴(yán)格，且對(duì)病人的檢測(cè)處施加壓力很小，舒適；能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的脈搏波波形變化的測(cè)量。因此本系統(tǒng)總體成本低、操作簡(jiǎn)便、易于掌握，適合在基層醫(yī)院運(yùn)用于門診初篩、術(shù)后病例隨訪。

表1 踝部收縮壓測(cè)量結(jié)果Tab.1 Them easurem ent results of ank le systolic pressure

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